基于光纖傳感的BCG傳感器實測方案

作者簡介

湯國玉：從事光纖生命體征傳感技術(shù)研究與產(chǎn)品研發(fā)8年之久，目前研究興趣：1光纖BCG傳感器、2光纖數(shù)據(jù)手套、3睡眠監(jiān)測。累計發(fā)表18篇SCI論文，申請和授權(quán)45篇發(fā)明專利。主持研發(fā)產(chǎn)品有光纖數(shù)據(jù)手套、光纖監(jiān)測床墊、光纖BCG傳感模組，曾獲第五屆深圳寶安創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽行業(yè)賽二等獎、安徽省2020創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎，相關(guān)研究獲《深圳特區(qū)報》報道。兼任英國物理學會MST期刊審稿人、深圳市增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用協(xié)會專家委員會委員。

什么是生命體征？

醫(yī)學上生命體征是指用來判斷病人的病情輕重和危急程度的指征。主要有心率、脈搏、血壓、呼吸、疼痛、血氧、瞳孔和角膜反射的改變等等。

近年來生命體征監(jiān)測概念逐漸深入到非醫(yī)學領(lǐng)域，例如消費、健康、運動、家居、養(yǎng)老等領(lǐng)域，涌現(xiàn)了不少生命體征監(jiān)測產(chǎn)品，例如運動手環(huán)、智能手表、睡眠監(jiān)測帶、監(jiān)測枕等。

生命體征傳感能做什么？

1、睡眠記錄

記錄、分析睡眠過程中的生命體征、睡眠質(zhì)量，實現(xiàn)睡眠數(shù)據(jù)化

2、危險預警

對睡眠中的呼吸異常、呼吸暫停、墜床、打鼾、心臟病突發(fā)等危險情況進行數(shù)據(jù)采集及報警。

檢測有無遺留生命體

長期記錄并對比使用者睡眠過程中的生命體征，用于提前發(fā)現(xiàn)身體異常

3、日常保健

以坐墊、床墊等形式檢測使用者著座or臥床的時間、姿態(tài)和生命體征，給出提醒及建議

4、適用人群

成人：打鼾、呼吸暫停、睡眠記錄等

嬰幼兒：墜床、嗆奶窒息、褥壓住口鼻窒息

臥床病人：防褥瘡、久臥提醒

老人：獨居看護、養(yǎng)老機構(gòu)集中看護

心臟病人：夜間心臟病突發(fā)

久坐者：久坐提醒、改善坐姿提醒

睡眠數(shù)據(jù)關(guān)注者：睡眠數(shù)據(jù)

5、適用場景

集中看護：養(yǎng)老院、月子中心、幼兒園

智能家居：枕頭、床墊、座椅、坐墊

嬰兒用品：嬰兒床、嬰兒床墊、睡袋等

汽車座椅坐墊：檢測駐車時車內(nèi)遺留生命體

醫(yī)院監(jiān)護：智能病床、睡眠監(jiān)測、非接觸監(jiān)測

執(zhí)法機構(gòu)：監(jiān)獄、看守所監(jiān)測看壓人員生命體征

與各類助眠產(chǎn)品結(jié)合，形成助眠-睡眠記錄閉環(huán)

生命體征傳感技術(shù)有哪些？

目前的生命體征傳感技術(shù)主要分為兩類：皮膚接觸式、非皮膚接觸式

1、皮膚接觸式

主要有PPG、ECG、EEG。PPG即光電容積脈搏波描記法，利用光的反射原理檢測心跳導致的毛細血管收縮和擴張，主要用在手環(huán)手表和指尖血氧儀中;ECG即心電圖、EEG即腦電圖，兩者主要用在心電圖機、腦電圖機、生命體征監(jiān)護儀等醫(yī)療設(shè)備中。

2、非皮膚接觸式

主要有BCG、毫米波雷達。

BCG即心沖擊圖，是一項新興技術(shù)，主要用在座椅、床墊、枕頭等載體內(nèi)，監(jiān)測人體生命活動所產(chǎn)生的微弱壓力，進而計算出呼吸率、心率、在位離位、睡眠質(zhì)量、疲勞程度等生命體征。

毫米波雷達即利用雷達波照射人體，檢測呼吸心跳產(chǎn)生的人體表面形變，目前已應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，檢測后排座椅遺留生命體及汽車防盜，毫米波雷達的輻射超標問題需要解決。

非皮膚接觸式的優(yōu)勢

PPG手環(huán)、ECG等皮膚接觸式生命體征傳感技術(shù)，需要穿戴捆綁、貼緊皮膚，給人以束縛、不舒服的感覺，接觸部位皮膚不透氣、易出現(xiàn)汗?jié)n紅腫。在進行睡眠監(jiān)測時，穿戴捆綁的使用方式會改變使用者的睡眠習慣，加重焦慮和不安，難以真實反應(yīng)睡眠狀況。

BCG主要用在枕頭、床墊內(nèi)部，無感監(jiān)測、無需穿戴捆綁、不直接接觸皮膚、不改變睡眠習慣、無束縛。毫米波雷達因輻射問題，難以在家庭睡眠監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用。

BCG傳感技術(shù)介紹

心沖擊信號英文全稱Ballistocardiogram，簡稱BCG，最早于1877年被提出，本質(zhì)是心臟搏動和動脈血流動導致的人體表面對外壓力的微弱變化，是心臟的力學特征。目前BCG信號采集方式主要分為：立姿采集、坐姿采集、臥姿采集、穿戴式采集。BCG信號與ECG信號、PPG信號具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

圖片源自脈搏波

目前BCG傳感器主要分為光纖傳感器和壓電傳感器。光纖傳感器原理主要有微彎、FBG、MZ干涉等，可檢測微小靜態(tài)力和動態(tài)力;壓電傳感器主要利用壓電薄膜，僅能檢測動態(tài)力，即對大小或方向隨時間變化的力有響應(yīng)，對靜態(tài)力沒有響應(yīng)。

光纖BCG傳感器實測

傳感器放在枕下

受試者躺在枕頭上

將光纖BCG傳感器放在枕下進行實際測試，測試者躺在枕頭上，歷經(jīng)多次上枕、離枕、仰臥、側(cè)臥、體動、憋氣模擬呼吸暫停，數(shù)據(jù)如下圖所示。

測試過程數(shù)據(jù)

呼吸暫停時的數(shù)據(jù)特征(憋氣模擬)

可見各睡姿下BCG數(shù)據(jù)清晰、信噪比高，呼吸暫停時數(shù)據(jù)特征明顯。

進一步詳細分析該光纖BCG傳感器的原始數(shù)據(jù)，可見在呼吸波形中夾雜著心跳波形，兩者頻率不同，經(jīng)算法提取后的呼吸心跳波形，特征更加明顯，能夠準確計算出呼吸率、心率。

光纖BCG傳感器在枕下的原始數(shù)據(jù)

提取出的心跳信號

圖片提取出的呼吸信號

目前基于光纖傳感的BCG傳感器的準確度已達到醫(yī)療級，已有相關(guān)公司取得了CFDA和FDA認證。

應(yīng)用前景

隨著社會的發(fā)展，人們對于健康的關(guān)注度逐漸提高，住院病人希望降低檢測的痛苦、慢性病人希望居家監(jiān)測、健康人群希望及時發(fā)現(xiàn)自身病變、養(yǎng)老機構(gòu)希望推出無感監(jiān)測設(shè)備、醫(yī)院在進行智慧病房建設(shè)、家居家紡企業(yè)苦尋智能化技術(shù)。

光纖BCG傳感技術(shù)因其不接觸皮膚、無需穿戴捆綁、無感監(jiān)測、醫(yī)療級的高準確度、抗干擾等優(yōu)勢，必將在未來的大健康、智能傳感、智慧生活的潮流中發(fā)光出彩，占據(jù)一席之地。
編輯：hfy