基于光纤传感的BCG传感器实测方案

作者简介

汤国玉：从事光纤生命体征传感技术研究与产品研发8年之久，目前研究兴趣：1光纤BCG传感器、2光纤数据手套、3睡眠监测。累计发表18篇SCI论文，申请和授权45篇发明专利。主持研发产品有光纤数据手套、光纤监测床垫、光纤BCG传感模组，曾获第五届深圳宝安创新创业大赛行业赛二等奖、安徽省2020创新创业大赛一等奖，相关研究获《深圳特区报》报道。兼任英国物理学会MST期刊审稿人、深圳市增强现实技术应用协会专家委员会委员。

什么是生命体征？

医学上生命体征是指用来判断病人的病情轻重和危急程度的指征。主要有心率、脉搏、血压、呼吸、疼痛、血氧、瞳孔和角膜反射的改变等等。

近年来生命体征监测概念逐渐深入到非医学领域，例如消费、健康、运动、家居、养老等领域，涌现了不少生命体征监测产品，例如运动手环、智能手表、睡眠监测带、监测枕等。

生命体征传感能做什么？

1、睡眠记录

记录、分析睡眠过程中的生命体征、睡眠质量，实现睡眠数据化

2、危险预警

对睡眠中的呼吸异常、呼吸暂停、坠床、打鼾、心脏病突发等危险情况进行数据采集及报警。

检测有无遗留生命体

长期记录并对比使用者睡眠过程中的生命体征，用于提前发现身体异常

3、日常保健

以坐垫、床垫等形式检测使用者着座or卧床的时间、姿态和生命体征，给出提醒及建议

4、适用人群

成人：打鼾、呼吸暂停、睡眠记录等

婴幼儿：坠床、呛奶窒息、褥压住口鼻窒息

卧床病人：防褥疮、久卧提醒

老人：独居看护、养老机构集中看护

心脏病人：夜间心脏病突发

久坐者：久坐提醒、改善坐姿提醒

睡眠数据关注者：睡眠数据

5、适用场景

集中看护：养老院、月子中心、幼儿园

智能家居：枕头、床垫、座椅、坐垫

婴儿用品：婴儿床、婴儿床垫、睡袋等

汽车座椅坐垫：检测驻车时车内遗留生命体

医院监护：智能病床、睡眠监测、非接触监测

执法机构：监狱、看守所监测看压人员生命体征

与各类助眠产品结合，形成助眠-睡眠记录闭环

生命体征传感技术有哪些？

目前的生命体征传感技术主要分为两类：皮肤接触式、非皮肤接触式

1、皮肤接触式

主要有PPG、ECG、EEG。PPG即光电容积脉搏波描记法，利用光的反射原理检测心跳导致的毛细血管收缩和扩张，主要用在手环手表和指尖血氧仪中;ECG即心电图、EEG即脑电图，两者主要用在心电图机、脑电图机、生命体征监护仪等医疗设备中。

2、非皮肤接触式

主要有BCG、毫米波雷达。

BCG即心冲击图，是一项新兴技术，主要用在座椅、床垫、枕头等载体内，监测人体生命活动所产生的微弱压力，进而计算出呼吸率、心率、在位离位、睡眠质量、疲劳程度等生命体征。

毫米波雷达即利用雷达波照射人体，检测呼吸心跳产生的人体表面形变，目前已应用在汽车领域，检测后排座椅遗留生命体及汽车防盗，毫米波雷达的辐射超标问题需要解决。

非皮肤接触式的优势

PPG手环、ECG等皮肤接触式生命体征传感技术，需要穿戴捆绑、贴紧皮肤，给人以束缚、不舒服的感觉，接触部位皮肤不透气、易出现汗渍红肿。在进行睡眠监测时，穿戴捆绑的使用方式会改变使用者的睡眠习惯，加重焦虑和不安，难以真实反应睡眠状况。

BCG主要用在枕头、床垫内部，无感监测、无需穿戴捆绑、不直接接触皮肤、不改变睡眠习惯、无束缚。毫米波雷达因辐射问题，难以在家庭睡眠监测领域应用。

BCG传感技术介绍

心冲击信号英文全称Ballistocardiogram，简称BCG，最早于1877年被提出，本质是心脏搏动和动脉血流动导致的人体表面对外压力的微弱变化，是心脏的力学特征。目前BCG信号采集方式主要分为：立姿采集、坐姿采集、卧姿采集、穿戴式采集。BCG信号与ECG信号、PPG信号具有良好的对应关系。

图片源自脉搏波

目前BCG传感器主要分为光纤传感器和压电传感器。光纤传感器原理主要有微弯、FBG、MZ干涉等，可检测微小静态力和动态力;压电传感器主要利用压电薄膜，仅能检测动态力，即对大小或方向随时间变化的力有响应，对静态力没有响应。

光纤BCG传感器实测

传感器放在枕下

受试者躺在枕头上

将光纤BCG传感器放在枕下进行实际测试，测试者躺在枕头上，历经多次上枕、离枕、仰卧、侧卧、体动、憋气模拟呼吸暂停，数据如下图所示。

测试过程数据

呼吸暂停时的数据特征(憋气模拟)

可见各睡姿下BCG数据清晰、信噪比高，呼吸暂停时数据特征明显。

进一步详细分析该光纤BCG传感器的原始数据，可见在呼吸波形中夹杂着心跳波形，两者频率不同，经算法提取后的呼吸心跳波形，特征更加明显，能够准确计算出呼吸率、心率。

光纤BCG传感器在枕下的原始数据

提取出的心跳信号

图片提取出的呼吸信号

目前基于光纤传感的BCG传感器的准确度已达到医疗级，已有相关公司取得了CFDA和FDA认证。

应用前景

随着社会的发展，人们对于健康的关注度逐渐提高，住院病人希望降低检测的痛苦、慢性病人希望居家监测、健康人群希望及时发现自身病变、养老机构希望推出无感监测设备、医院在进行智慧病房建设、家居家纺企业苦寻智能化技术。

光纤BCG传感技术因其不接触皮肤、无需穿戴捆绑、无感监测、医疗级的高准确度、抗干扰等优势，必将在未来的大健康、智能传感、智慧生活的潮流中发光出彩，占据一席之地。
编辑：hfy