バリストカーディオグラフィとフレキシブルフィルムセンサーのバイオモニタリングソリューション

心臓疾患は、現代社会において最も一般的で生命を脅かす状態の一つにランクされています。心機能の効果的なモニタリングは異常の早期発見に不可欠であり、最終的に命を救うことができるタイムリーな診断と治療を促進します。従来の心電図（ECG）モニタリングに加えて、バリストカルジオグラフィー（BCG）は心拍によって生じる力の変化を測定することで貴重な洞察を提供し、心臓活動を評価するための必須ツールとなっています。   さらに、柔軟なフィルムセンサーであるPicoleafをパルスや呼吸といった生体信号の検出に組み込むことで、生理学的モニタリングの精度が大幅に向上します。この記事では、BCGとPicoleafの原理を探り、この重要な健康技術分野におけるMurataの革新的なソリューションを取り上げます。

非侵襲的でメンテナンスフリーのバリストカルジオグラフィーセンサー

心臓の機能は人間の生存において最も重要な条件の一つであり、心臓活動の監視は心臓関連疾患の早期発見のための最良の方法です。現在、心臓の機能を監視する方法はいくつかあります。ECGは電気活動を表示し、心臓専門医は超音波を使用して弁の動作や血流を監視し、血圧測定は結果として生じる圧力波を追跡し、バリストカルジオグラフィ（BCG）は心臓のポンプメカニズムを測定し、各心拍のタイミングと相対的なストローク容量に関する情報を提供します。   ECGの利点は、不整脈、信号遅延、遮断、異常な分極または脱分極など、心臓の電気活動の異常を検出できる点です。その限界は、電極の取り付けを必要とし、心臓の実際のポンプ性能に関する情報が不足していることです。   一方で、BCGセンサーはベッドに配置されるため、非侵襲的でメンテナンスフリーであり、長期の夜間測定に理想的です。したがって、回復と睡眠の質を測定するための優れたツールであり、潜在的な睡眠時無呼吸症候群や夜間不整脈などの状態を明らかにできます。さらに、ベッドでのBCG測定と昼間の血圧波（BPW）測定（例：リストバンドを使用）を組み合わせることで、心臓および自律神経系の状態を24時間監視できます。非侵襲的なBPW測定は、心臓と血管の機能を監視するための優れたツールです。

バリストカルジオグラフィーによる睡眠の質の測定

良質な睡眠は誰にとっても不可欠であり、さまざまな病気を予防し、寿命を延ばす効果があります。その良い影響は心臓や血管に関連する状態にとどまらず、心の健康やがん予防にも重要です。高齢者にとっては、家庭でも介護施設でも、生命兆候の継続的なモニタリングが必要であり、健康を増進し、自立生活を可能にし、患者の安全性を向上させ、労働力とコストを削減し、安全な遠隔ケアによる早期退院を可能にします。アスリートにとっては、回復と質の高い睡眠が最適なトレーニングと競技パフォーマンスに不可欠であり、最良のトレーニングと回復がトップクラスのアスリートを生み出します。   さらに、心拍数と呼吸のパラメータは、一般的な体調や寿命を示す優れた指標です。それらは心臓の状態を測るだけでなく、自律神経系を通じて全身の状態を反映し、さまざまな病理学的状態を示唆します。例えば、ストロークボリューム変動（SVV）は、体液の状態を測る指標として使用されることがあります。   高齢者ケアや自立生活では、夜間の回復が重要であり、ベッドベースのモニタリングも同様に価値があります。BCGを使用すれば、測定から得たデータを他の情報と組み合わせることで、行動の変化を検出して根底にある問題を特定することができます。質の高い睡眠は多くの病気を予防し、寿命を延ばすために不可欠であり、BCGは長期的な睡眠の質をモニタリングする非侵襲的な方法を提供します。さらに、BCGはアスリートや活発な運動をする人々が回復状態をモニタリングし、急性および慢性過剰トレーニングを避けるのに役立ちます。

病院や家庭向けの非接触バイオモニタリングソリューション

BCGアプリケーション向けに、Murataは病院や家庭でベッドに睡眠中の個人の状態を監視するために設計された非接触バイオモニタリングソリューションを提供しています。これは、脈拍、呼吸数、呼吸時間などの生体信号を検出し、ベッドから離れる際や睡眠状態を分析することができます。このBCGソリューションは、プログラム済みのマイクロコントローラ (BCGMCU-D01) とSCL3300-D01傾斜センサーからなるコンポーネントレベルのソリューションです。   この革新的なベッド搭載センサーはBCGの原理を活用しています。心臓が拍動する際、大動脈から動脈への血流の力によって身体に反動力が生じます。人がベッドで睡眠すると、これらの体の動きによりベッドフレームが微妙に振動します。超高感度加速度計がこれらの僅かな信号をキャッチし、マイクロコントローラに組み込まれたアルゴリズムが脈拍などの生体信号を抽出します。このBCG製品は、センサーノードが脈拍、呼吸数、心拍変動（ストレス関連）、一回拍出量、ベッド占有検出などの様々な生体信号を監視することを可能にします。   このソリューションのBCGMCUは、性能が向上した第2世代のBCG製品で、病院や家庭でのスリーパーの監視に新たな可能性を開きます。この製品は、MurataのBCGアルゴリズムがプログラムされたマイクロコントローラを搭載し、顧客のPCB設計上に低ノイズのSCL3300傾斜センサーを使用します。低い統合設計により、様々なヘルスケア製品にBCG測定を組み込むことができます。   このBCGソリューションの主な特徴には、連続して妨害のない非接触測定、幅広い統合オプションを可能にするリファレンスデザイン法、低消費電力、事実上無限の寿命を持つMEMS加速度計があります。一般的な製造方法と互換性があり、使いやすいシリアルUARTインターフェースを提供し、様々な心拍（HR）および心拍変動（HRV）メトリックの計算に用いるビート間隔を出力します。対象アプリケーションには、病院、高齢者ケア、介護施設、ビート間隔検出、呼吸数検出、ベッド占有監視、睡眠品質測定、ストレス/リラクゼーション分析が含まれます。   BCGMCUはSCL3300-D01傾斜計と連携してBCGリファレンスデザインの一部を形成します。BCGMCUは、予めプログラムされたSilicon Labs EFM32PG1B100F256GM32マイクロコントローラで、顧客のアプリケーションにシンプルに利用可能なシリアルUARTインターフェースを提供します。製品設計はEFM32PGシリーズMCUの仕様に従って行うべきであり、一方でSCL3300は事前にプログラムされたアプリケーションを介して設定およびインターフェースされています。   SCL3300は角度出力を持つ高性能3軸傾斜計で、傾斜測定において優れた性能を提供します。サイズは7.6 x 8.6 x 3.3mm（幅 x 長さ x 高さ）で、ユーザーはアプリケーションの要件に基づいて4つの測定モードから選ぶことができます。超低ノイズ、高解像度 (0.001°/√Hz)、柔軟なSPIデジタルインターフェース、優れた機械的減衰特性を備えています。センサーとASICは12ピンプラスチックハウジングにパッケージ化され、寿命全体を通じて信頼性の高い動作を保証します。   SCL3300は-40〜125°Cの温度範囲で動作し、1.2mAの電流のみを消費します (供給電圧3.0–3.6V)。実績のある静電容量式3D-MEMS技術を採用し、高安定性、信頼性、品質基準を満たすように設計、製造、テストされています。このコンポーネントは、広範な温度範囲と振動にわたって非常に安定した出力を提供し、高度な自己診断機能を備えています。SMD実装に適しており、RoHSおよびELV指令に準拠しています。   SCL3300傾斜計は高性能で堅牢な設計を誇り、過酷な環境での安定性が必要なアプリケーションに理想的です。主な用途には、レベリング、傾斜計測、機械制御、構造健全性監視、慣性計測ユニット (IMUs)、ロボティクス、位置決めおよび案内システムがあります。   Murataは、SCL3300とBCGMCUを最終アプリケーションに統合するためのBCGリファレンスデザインも提供しています。これは、完全にテスト済みのデバッガーおよびBCG性能検証ツールとして機能します。BCGリファレンスデザインには、SCL3300傾斜計とプログラム済みBCGMCUが含まれ、5–9Vの入力電圧で動作し、データおよびファームウェアの更新用のUARTインターフェース、40 MHzの水晶発振子を備えています。

バイオモニタリング用途向け圧電フィルムセンサー

結論

スマート医療技術が進化するにつれて、集中治療室（ICU）はデジタル化とインテリジェント化の変革を遂げています。人工知能、ビッグデータ、IoT、機械学習といった技術を通じて、医療チームは患者の状態をより正確に監視し、診断の精度を向上させ、治療計画を最適化することができます。また、遠隔監視、スマートな意思決定サポート、そして自動化デバイスは、医療の効率を高め、人為的エラーを減少させ、患者の転帰と安全性を改善します。将来的には、技術がさらに進化し応用が拡大するにつれて、スマート病院ソリューションがICUのさらなる進歩を促し、より効率的で正確かつ患者中心の集中治療を可能にします。この記事で紹介するADIのスマート病院技術ソリューションは、関連アプリケーションの開発に最適な選択肢の一部を表しています。