バイオモニタリング技術の進化とソリューション

人工知能、IoT、センシング技術の急速な進歩に伴い、バイオモニタリングソリューションは、従来の接触型および断続的な測定から、よりインテリジェントで連続的かつ非侵襲的な健康モニタリングモデルへと移行しています。病院でのバイタルサインの追跡からスマートホーム、遠隔医療、公衆安全のシナリオに至るまで、バイオモニタリングは医療効率と精度の向上において重要な役割を果たすだけでなく、予防医療、慢性疾患管理、突発的な健康事象の早期警告システムにおいても非常に大きな価値を示しています。本記事では、バリストカルジオグラフィー（BCG）および圧電フィルムセンシングのバイオモニタリングソリューションの応用と開発、そしてMurataが提供する関連ソリューションを紹介します。

BCG技術は、心臓の収縮や血液の排出によって生じる微細な機械的振動を検出し、心臓活動の情報を間接的に取得する非接触型の生理モニタリング方法です。電極パッチやウェアラブルデバイスを必要とせず、快適な環境での継続的なバイタルサインの追跡を可能にします。近年では、非接触型バイオモニタリングにおいてますます広範囲に応用されています。

村田製作所のBCG（バリストカルジオグラム）センサーは、心拍と血流によって人体内で生じる微小な振動や動きを検出することで動作します。以下にその作動原理の簡単な説明を示します：

まとめると、村田製作所のBCGセンサーは、高感度MEMSコンポーネントを使用して心臓によって引き起こされる体の振動を検出し、それを健康モニタリングの目的で電気信号に変換します。

BCGは病院病棟や集中治療室 (ICU)、スマートホームおよび睡眠モニタリング、高齢者の転倒と健康警報、リモート健康管理に応用することができます。例えば、病院病棟やICUでは、接触型センサーに関連する皮膚刺激や感染リスクを軽減しながら、心拍数、心拍間隔変動 (HRV)、および心拍量を継続的にモニタリングできます。スマートホームおよび睡眠モニタリングに応用する場合、睡眠中の心拍数、呼吸、身体の動き、そして睡眠段階を分析することが可能です。これらは、マットレス、枕、またはベッドフレームに隠して目立たない形でモニタリングを実現することができます。

さらに、高齢者の転倒や健康アラートにおいて、BCGは心機能の長期的な変化を監視し、異常なパターンの検出と組み合わせることで、心臓イベントの予防を可能にします。これは、利用者の協力を必要とせず、高齢者に適しています。また、BCGはIoTプラットフォームと連携し、BCGデータをクラウドにアップロードして分析や医療評価を行うことで、リモート健康管理にも利用できます。これにより、複数ユーザーの同時モニタリングやデータ比較をサポートします。

BCGは完全に非接触型であり、ユーザーの活動や睡眠に影響を与えることなく、マットレス、座席、または床を通して監視することができます。これにより、長期間にわたる継続的なモニタリングが可能となり、高リスク患者や24時間体制のモニタリングが必要な高齢者に適しています。心拍数、呼吸数、HRV、そして血流動態指標を含む複数のパラメータを取得することができます。ユーザーがデバイスを装着する必要がないため、高い快適さとプライバシーを提供しており、カメラに関連するプライバシー問題もありません。

しかしながら、BCG技術は信号ノイズ干渉といった課題にも直面しています。身体の動き、マットレスの弾性の違い、外部からの振動などの要因がデータの正確性に影響を与える可能性があります。また、アルゴリズムの精度や標準化も注目が必要であり、異なる体型や姿勢における安定性を向上させるために、AIや信号処理モデルの強化が求められています。さらに、臨床診断分野への進出には、厳格な医療機器認証と大規模な臨床検証が必要です。将来的には、BCGはミリ波レーダー、光学PPG、その他の技術と統合され、検出精度と環境適応性を向上させていくことでしょう。

村田製作所は改良された第2世代のBCGソリューションを発表し、病院や家庭で眠る個人の状態を監視する新しい可能性を切り開きました。このソリューションは、脈拍、呼吸率、呼吸持続時間などの生体信号を検出し、ベッドの占有状況を把握し、睡眠状態を分析することができます。

村田製作所のソリューションには、アルゴリズムを搭載した事前プログラム済みのマイクロコントローラ（BCGMCU-D01）と、低ノイズのSCL3300-D01傾斜計が統合されており、顧客のPCB設計に組み込まれています。このコンポーネントレベルのソリューションは、ソフトウェアソリューションプロバイダ、サービスプロバイダ、およびOEMシステム統合業者を対象としており、BCG測定の統合をさまざまなヘルスケア製品に実現します。

この新しいベッド装着型センサーは、BCGの原理を利用しています。心臓が鼓動する際、身体の動きによってベッドは微細な振動を引き起こします。これらの弱い信号を超高感度加速度計で捉え、マイクロコントローラに組み込まれたアルゴリズムによって処理され、脈拍などの生体信号を抽出します。BCG製品を通じて、センサーノードは脈拍、呼吸率、心拍変動（ストレス関連）、一回拍出量、ベッド占有状態など、さまざまな生体信号を検出することが可能です。

BCGMCUは、非接触測定を採用しており、連続的で干渉のないモニタリングが可能です。広範な統合オプションを備えたリファレンスデザインアプローチを提供し、ほぼ無限の使用寿命を持つ低消費電力MEMS加速度センサーを搭載しています。一般的な製造プロセスと互換性があり、使いやすいシリアルUARTインターフェースが含まれています。様々な心拍数（HR）および心拍変動（HRV）指標を計算するための心拍間隔を出力します。主なターゲットアプリケーションは病院、高齢者介護施設、介助生活施設などであり、心拍間隔検出、呼吸速度モニタリング、ベッド占有モニタリング、睡眠の質測定、ストレスとリラクゼーション分析が可能です。村田製作所のBCGMCU-D01は、3.3V DC出力電圧、静止電流6.7mA未満、出力データレート（ODR）1Hz、40〜120 bpmの脈拍検出範囲をサポートしています。

村田製作所のSCL3300は、卓越した性能を持つ3軸傾斜計で、傾斜測定において優れたパフォーマンスを提供します。コンパクトなサイズ（7.6 × 8.6 × 3.3 mm（幅 × 長さ × 高さ））で、特定の用途や要件に合わせた4つのユーザー選択可能な測定モードをサポートしています。超低ノイズ密度と高解像度（0.001°/√Hz）、SPIデジタルインターフェース、優れた機械的減衰特性、動作温度範囲-40～125℃、および電流消費量1.2 mA（供給電圧3.0–3.6V）を特長としています。信頼性の高い容量性3D-MEMS技術を採用し、過酷な環境での安定性が求められる用途（レベリング、傾斜補正、機械制御、構造ヘルスモニタリング、慣性測定装置（IMUs）、ロボティックス、および位置・誘導システム）において高性能かつ堅牢な設計を提供します。

村田製作所は、SCL3300シリーズPCB、デジタル加速度計/傾斜計センサーボードも提供しています。このチップキャリアPCBには、製品の評価と設計を容易にするためにMEMSデジタル傾斜計SCL3300シリーズが搭載されています。さらに、村田製作所はCA10H-SALスリープ分析ライブラリを提供しており、一時的および累積の夜間アプリケーションデータを出力します。このライブラリは、高周波および低周波の心拍変動、呼吸の深さ、呼吸変動を検出して夜間の回復分析に利用します。覚醒、REM、浅い睡眠、深い睡眠のステージを自動的にスコアリングし、回復、REM、浅い睡眠、深い睡眠のスコアリング、および総睡眠時間を基にした睡眠品質指数をサポートします。現在サポートされているオペレーティングシステムには、Ubuntu 18.04以降およびCentOS 6.0および7が含まれます。

村田製作所は、独自の圧電技術を活用して開発された柔軟で薄型のセンサーである圧電フィルムセンサー（Picoleaf™）も導入しました。このセンサーは高い感度で、曲げ、ねじれ、押圧力、振動を検出することができます。従来のセンサーと比較して、実装スペースを節約し、薄型化、組立性能、および耐久性を向上させます。

さらに、Picoleafに使用されている圧電フィルムは、植物から抽出されたデンプンを発酵して乳酸に変化させたポリ乳酸で作られています。植物は大気中の二酸化炭素を吸収してデンプンを生成するため、この素材はカーボンニュートラルであり、地球温暖化の抑制に貢献しています。

Picoleaf 検出回路は、I/V コンバータと増幅回路で構成されています。圧力や変形により圧電フィルムがたわむと、たわみの程度に比例した分極が発生します。この結果生じる電荷は、I/V コンバータによって電圧に変換され、アナログ信号として出力されます。電圧に変換された信号は一般的な AD コンバータや CPU で処理するために必要に応じて増幅および調整されます。

Picoleafの圧電特性により、「変位方向」と「変位速度」の両方を検出することが可能です。「山折り」変形の場合、変位方向はPicoleafの基準電圧の正側に出力され、「谷折り」変形の場合には負側に出力されます。変位方向に加えて、変位速度はピーク電圧から算出することができ、これは変位速度に比例して増加します。さらに、Picoleafセンサーの出力反転特性を活用することで、押して離す動作をUIのシームレスなスイッチとして使用することが可能です。Picoleafが周期的な振動を持つオブジェクトに取り付けられている場合、その振動を検出して状態検出センサーとして機能することができます。

Picoleaf is ultra-thin (0.2 mm or less) and compact (2 × 10 mm), saving space even when combined with displays or touch panels. It can also be mounted on curved surfaces of intricately designed devices, including cylindrical shapes. Picoleaf can detect displacements as small as 1 micron, and a single sensor can measure pressure across the entire surface of a large display. It can detect unconscious muscle movements such as tremors, grasping, and pulse. Since it is non-pyroelectric, it avoids drift caused by heat (e.g., body temperature, sunlight, or semiconductors), resulting in lower noise and easier algorithm development. Additionally, the sensor itself consumes zero power, and the amplifier circuit can be designed for low power consumption (about 10 µA).

Picoleafの光透過率は90％を超え、透明性が求められるディスプレイパネル領域への設置が可能です。タッチパネルUI機能とPicoleafの圧力検出機能を組み合わせることで、従来のタッチパネルとは異なるHMIを実現し、人間の行動原理により近づけます。Picoleafの薄型・短型・柔軟な設計により、デザインの一体性を保ちながら新機能を提供します。その取り付けの柔軟性により、限られたスペースや曲面のような課題にも容易に対応でき、脈拍や呼吸などの生体信号を検出するウェアラブル機器に適しています。

バイオモニタリングソリューションは、より高精度、多パラメータ分析、リアルタイム操作、そしてインテリジェンスへと急速に進化しており、医療診断、健康管理、スポーツモニタリング、公衆安全においてますます重要な役割を果たしています。MurataのBCGソリューションおよびPicoleaf圧電フィルムセンサーは、目立たない形で24時間365日のバイタルサインモニタリングを可能にすると同時に、異常状態に対するリアルタイムのアラートを提供し、全体的な安全性と健康管理効率を向上させます。これらのイノベーションは、あらゆるシナリオにおける絶え間ないバイタルサインの追跡と健康評価を実現し、個人および社会に対してより正確、効率的、かつ持続可能な健康管理ソリューションを提供することで、ヘルスケア業界を新たなインテリジェンスの時代へと推進します。