生物监测解决方案的发展
与解决方案
随着人工智能、物联网与传感技术的迅速进步，生物监测解决方案正从传统的接触式、间歇式测量，演进到更智能化、连续化与无感化的健康监测模式。从医院的生命体征追踪，到智能家居、远程医疗与公共安全场景，生物监测不仅在增进医疗效率与准确度方面发挥关键作用，还在预防性医疗、慢病管理与突发健康事件预警中展现出巨大价值。本文将为您介绍BCG（Ballistocardiography，心冲击描记法）与压电薄膜传感生物监测解决方案的应用与发展，以及由 Murata（村田制作所）所推出的相关解决方案。
通过检测心脏收缩微小振动的
非接触式生理监测方法
BCG技术是一种通过检测人体因心脏收缩与血液射出所引发的微小机械振动，来间接获取心脏活动信息的非接触式生理监测方法。它不需要电极贴片或可穿戴设备，即可在舒适环境中持续追踪生命体征，近年在非接触式生物监测中应用日益增加。
Murata的BCG（心冲击描记法）传感器通过检测人体心跳和血流产生的微小振动和运动来工作。以下是其工作原理的简要说明：
感知细微的身体运动：
心脏跳动时，会引起全身细微的运动和振动。这些运动非常微小，通常在微米级。
微机电系统（MEMS）技术：
Murata的BCG传感器采用MEMS技术，该技术将微型机械结构与电子电路集成在一起，这些结构对振动和运动高度敏感。
检测机制：
传感器通过将心跳引起的机械振动转换为电信号来检测这些物理运动。
信号处理：
对电信号进行处理，以提取有关心率、心律和其他心血管参数的有用信息。
非侵入式监测：
由于BCG传感器能够从外部感知身体振动，因此可以实现非接触式或微侵入式心脏监测，适用于睡眠监测、可穿戴设备和医疗保健等应用。
总而言之，Murata的BCG传感器使用灵敏的MEMS元器件捕捉心脏引起的身体振动，并将其转换为电信号，用于健康监测。
BCG可应用于医院病房与重症监护室（ICU）、智能家居与睡眠监测、老年人跌倒与健康预警、远程健康管理等应用场景。像是应用于医院病房与ICU时，可持续监测心率、心搏间隔变异性（HRV）、心搏输出量，可减少接触式传感器对皮肤的刺激与感染风险。在应用于智能家居与睡眠监测时，可进行睡眠过程中心率、呼吸、翻身与睡眠阶段分析，可隐藏于床垫、枕头、床板内，实现无感化监测。
此外，在老年人跌倒与健康预警方面，BCG可长期监测心脏功能变化，结合异常模式检测预防心源性事件，无需用户配合操作，适合高龄人群。BCG也可进行远程健康管理，与IoT平台连接，将BCG数据上传云端进行分析与医疗评估，并支持多用户同时监测与数据比对。
BCG具有整体非接触的特性，可隔着床垫、座椅甚至地板进行监测，不影响使用者活动或睡眠，并可进行长期连续监测，适合需要不间断监测的高危患者或老人，且可多参数获取，除了心率，还能分析呼吸频率、HRV、血流动态指针，其舒适与隐私性高，用户无需佩戴任意设备，也无摄像头造成的隐私疑虑。
不过，BCG技术也面临着信号噪声干扰的挑战，随着翻身、床垫弹性差异、外部振动都可能影响数据准确度，且算法精度与标准化也需注意，需要强化AI与信号处理模型，增强在不同体型、姿势下的稳定性。此外，要进入临床诊断领域，需通过严格的医疗器械认证与大规模临床验证。未来BCG将与毫米波雷达、光学PPG等技术结合，提高检测准确率与环境适应性。
新一代高性能非接触式
生物监测解决方案
Murata针对非接触式生物监测解决方案推出了改进性能后的第2代BCG解决方案，为医院、家庭中睡觉的人的状态监测开辟了新的可能性，可以从正在睡觉的人的脉冲、呼吸频率、呼吸时间等生物信号来检测人离开床、以及分析睡眠状态等。
Murata的解决方案搭配由事先编好程序算法的微控制器BCGMCU-D01，以及与客户产品PCB设计中的低噪声SCL3300-D01倾角传感器构成的元器件级解决方案，是面向软件解决方案和服务提供商、OEM系统集成商的产品，可将BCG测量集成到多种医疗保健产品中。
这个利用了BCG原理安装在床上的新型传感器，当心脏跳动的时候，床体会因为人身体的振动而产生微妙的振动，通过特高灵敏度的加速度传感器能够捕捉到这样微弱的信号，再通过微型控制器中编入的算法来提取脉冲等生物信号。通过BCG产品，传感器节点等可检测到人体的脉冲、呼吸频率、心率变异度（应力水平相关）与泵血量等多种生物信号，以及检测人体是否离开床。
BCGMCU采用非接触式测量，可实现连续、无干扰监测，提供参考设计方法，以及丰富的集成选项，是低功耗的MEMS加速度计，使用寿命几乎不受限，可与常见制造工艺兼容，具有易于使用的串行UART接口，可输出逐搏时间，从而计算多种HR和HRV指标目标应用，可应用于医院、养老院、辅助生活，进行心跳逐搏时间检测、呼吸频率检测、床位占用监测、睡眠质量测量、压力和放松分析。Murata的BCGMCU-D01支持3.3V的DC输出电压，以及小于6.7 mA的静态电流，具有1 Hz的数据输出率（ODR），可进行40-120 bpm的脉冲检测率。
高性能、坚固耐用的3轴倾角传感器
Murata的SCL3300是高性能3轴倾角传感器，在倾斜测定方面具有很高性能，尺寸只有7.6 x 8.6 x 3.3mm（宽x长x高)，针对用途以及要求值可从4种模式中选择测定模式，具有低微噪声，以及0.001∘/√Hz的高分辨率，支持SPI数字接口，具有出众的机械阻尼特性，可在−40～125℃的温度范围使用，消耗电流为1.2mA（供给电源为3.0~3.6V时），采用成熟的静电容量3D-MEMS技术，具有高性能、坚固耐用设计的特点，可用于对严格的环境中有较高稳定性需求的应用，像是水平仪、倾斜补偿、机器控制、结构健康监测、惯性测量单元（IMU）、机器人、定位导航系统等。
Murata也推出数字式加速度／倾斜传感器板 ── SCL3300 SERIES PCB，这是搭载了MEMS数字式倾斜传感器SCL3300系列的芯片载体PCB，以便于客户进行产品评估与设计。Murata并推出CA10H-SAL睡眠分析库，可输出瞬时和累计整夜应用数据，利用检测到的高频和低频心率变异性、呼吸深度和呼吸变异性进行整夜恢复分析，可进行自动清醒、迅速眼动、浅睡眠和深睡眠评分，支持基于检测到的恢复、迅速眼动、深睡眠和总睡眠时间的睡眠质量指数。当前支持的操作系统包括Ubuntu 18.04及更高版本与CentOS 6.0和7。
压电薄膜传感器可用于检测脉搏
和呼吸等生物信号
Murata也推出压电薄膜传感器（Picoleaf™），这是Murata利用专有的压电技术实现的一款柔性薄型传感器，可以高灵敏度检测“弯曲”、“扭转”、“压力”、和“振动”。可节省安装空间，与以往的传感器相比，在薄型、组装性能及耐久性等方面实现了改良。
此外，“Picoleaf”使用的压电薄膜原料，是将从植物中提取的淀粉进行发酵制作成乳酸，并使其结合而成的聚乳酸。植物吸收大气中的二氧化碳合成淀粉，因此不会增加导致地球变暖的二氧化碳总量，是一种有助于实现碳中和的原料。
Picoleaf检测电路由I/V转换器和放大器电路组成，当压电薄膜发生弯曲（由于压力或变形而拉伸或收缩）时，会产生与弯曲量成比例的极化，产生的电荷由I/V转换器转换为电压，并以模拟信号的形式输出，转换为电压的信号会根据需要进行放大和调整，以便通用AD转换器或CPU能够处理。
Picoleaf传感器的压电特性使其能够同时检测“位移方向”和“位移速度”。对于“山折”形变，位移方向输出到Picoleaf参考电压的正侧；对于“谷折”形变，位移方向输出到Picoleaf参考电压的负侧。除了位移方向外，还可以通过峰值电压计算位移速度，峰值电压与位移速度成正比。此外，利用Picoleaf传感器输出反转的特性，可以将按下和释放操作用作用户界面中的无缝开关。如果将Picoleaf连接到周期性振动的物体上，Picoleaf可以检测到周期性振动，因此可以将其用作状态检测传感器。
Picoleaf的厚度只有0.2毫米或更小，产品尺寸只有2x10毫米，即使与显示屏或触摸屏结合使用，也能节省空间，它还可以粘贴在精巧设计的设备的曲面上，包括缠绕在圆柱体等特殊形状上。Picoleaf不仅可以检测1微米级的位移，单个传感器还可以检测整个大型显示屏表面的压力。它可用于检测无意识的肌肉运动，例如震颤、抓握和脉搏。由于没有热量（例如体温、阳光或半导体）引起的漂移，因此噪声更低，算法更容易构建。此外，传感器本身的功耗为零，驱动放大器电路可以设计成低功耗（约10µA）。
Picoleaf超过90%的透光率使其能够安装在显示面板需要透明度的区域，将触控面板的UI功能与Picoleaf的压力检测功能相结合，可实现不同于普通触控面板、更符合人类行为原理的HMI。此外，Picoleaf轻薄、短小且灵活的结构，在保持设计完整性的同时添加新功能。Picoleaf的安装灵活性可有效解决狭小空间、曲面等挑战，可应用于可穿戴设备检测脉搏和呼吸等生物信号。
结语
生物监测解决方案正朝着高精度、多参数、实时化与智能化的方向迅速发展，并在医疗诊断、健康管理、运动监测、公共安全等领域发挥越来越重要的作用。Murata推出的BCG解决方案与Picoleaf电薄膜传感器将能够实现不间断、无感化的生命体征监测，还能为异常状况提供实时预警，提高整体安全与健康管理效率，实现不间断、全场景的生命体征追踪与健康评估，为个人与社会提供更准确、更有效、更可持续的健康管理方案，推动医疗与健康产业迈向智能化新时代。
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