多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進(jìn)醫(yī)療設(shè)計(jì) - 全文

　　多軸慣性傳感器已日益受到醫(yī)療應(yīng)用市場(chǎng)青睞。融合多軸感測(cè)功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準(zhǔn)度與可靠性均有優(yōu)異表現(xiàn)，可符合醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的嚴(yán)苛要求，如手術(shù)導(dǎo)航工具等精密醫(yī)療儀器，皆已開始大量導(dǎo)入。

　　導(dǎo)航與汽車、卡車、飛機(jī)、輪船及人相關(guān)。然而，它也開始在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，精密手術(shù)儀器和機(jī)器人即須使用導(dǎo)航。手術(shù)導(dǎo)航工具的設(shè)計(jì)要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的共同點(diǎn)，但前者也提出一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)，如在室內(nèi)使用，無(wú)法獲得全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）支援，因而需要更高性能。

　　本文將研究醫(yī)療導(dǎo)航應(yīng)用的獨(dú)特挑戰(zhàn)，并探討從感測(cè)器機(jī)制到系統(tǒng)特性可能的解決方案，并介紹增強(qiáng)感測(cè)性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。

　　多軸MEMS傳感器轉(zhuǎn)化醫(yī)療資訊

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已成為大多數(shù)人每天都會(huì)碰到的成熟技術(shù)，它使汽車更安全、增強(qiáng)手機(jī)可用性，并能優(yōu)化工具及運(yùn)動(dòng)設(shè)備的性能，從而提高對(duì)病人的醫(yī)療護(hù)理水準(zhǔn)。

　　用于線性運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的MEMS元件通常是基于一個(gè)微加工的多晶矽表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形成于矽晶圓之上，通過(guò)多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對(duì)加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉(zhuǎn)由一個(gè)差分電容測(cè)量，該差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)品質(zhì)連接板組成。如此一來(lái)，運(yùn)動(dòng)使差分電容失衡，導(dǎo)致感測(cè)器輸出的幅度與加速度成正比。

　　例如汽車因碰撞而突然急劇減速時(shí)，安全氣囊感測(cè)器中的MEMS軸會(huì)產(chǎn)生同樣的運(yùn)動(dòng)，使得電容失衡，最終產(chǎn)生訊號(hào)觸發(fā)安全氣囊打開。此一基本加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并增加資料處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術(shù)上相關(guān)的結(jié)構(gòu)是陀螺儀，它能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)速率，輸出形式為度/秒。

　　透過(guò)一個(gè)耗電量極低的微型元件，以精確檢測(cè)和測(cè)量運(yùn)動(dòng)的能力，幾乎對(duì)任何涉及運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用都具價(jià)值，表1即按運(yùn)動(dòng)類型列出基本醫(yī)療應(yīng)用。

　　盡管簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)有價(jià)值，如一個(gè)軸上的線性運(yùn)動(dòng)，但多數(shù)應(yīng)用皆涉及到多個(gè)軸上的多種類型運(yùn)動(dòng)。捕捉這種多維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來(lái)新的好處，且能在軸外擾動(dòng)可能影響單主軸運(yùn)動(dòng)測(cè)量的情況下，保持精度。

　　為精確測(cè)量物件所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)，必須將多種類型（如線性和旋轉(zhuǎn)）的感測(cè)器結(jié)合起來(lái)，如加速度計(jì)對(duì)地球的重力敏感，可用來(lái)確定傾角。換言之，讓一個(gè)MEMS加速度計(jì)在一個(gè)±1g重力場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)（±90度），它能夠?qū)⒃撨\(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為角度表示。

　　然而，加速度計(jì)無(wú)法區(qū)分靜態(tài)加速度（重力）與動(dòng)態(tài)加速度。因此，加速度計(jì)可與陀螺儀結(jié)合，利用組合元件的附加資料處理能力，可分辨線性加速度與傾斜（即當(dāng)陀螺儀的輸出顯示旋轉(zhuǎn)與加速度計(jì)記錄的明顯傾斜重合時(shí)）。隨著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)程度（運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)和運(yùn)動(dòng)自由度）增加，感測(cè)器融合過(guò)程會(huì)變得更加復(fù)雜。

　　了解環(huán)境對(duì)感測(cè)器精度的影響也很重要。顯而易見(jiàn)的一個(gè)因素是溫度，可對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。事實(shí)上，高精度感測(cè)器可以重新校準(zhǔn)，并自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。另一個(gè)不那么明顯的考慮因素是潛在的振動(dòng)，即使很輕微的振動(dòng)也會(huì)使旋轉(zhuǎn)速率感測(cè)器的精度發(fā)生偏移，這種效應(yīng)稱為線性加速度效應(yīng)和振動(dòng)校正，其影響可能很嚴(yán)重，具體取決于陀螺儀的品質(zhì)。在此種情況下，感測(cè)器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)線性加速度，然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準(zhǔn)資訊進(jìn)行校正。

　　慣性感測(cè)器助陣醫(yī)療導(dǎo)航嶄露頭角

　　許多應(yīng)用要求多自由度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，如六軸自由度慣性感測(cè)器能夠同時(shí)檢測(cè)x、y、z軸上的線性加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（也稱為滾動(dòng)、俯仰和偏航）。

　　慣性感測(cè)器在工業(yè)中用作輔助導(dǎo)航元件已經(jīng)相當(dāng)廣泛，通常慣性感測(cè)器與GPS等其他導(dǎo)航設(shè)備一起使用。當(dāng)GPS連結(jié)不可靠時(shí)，慣性導(dǎo)航可利用航位推算技術(shù)強(qiáng)化。

　　除最簡(jiǎn)單的導(dǎo)航之外，多數(shù)解決方案都會(huì)依賴多種類型的感測(cè)器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學(xué)和磁性檢測(cè)技術(shù)已廣為認(rèn)知，相關(guān)產(chǎn)品也很豐富，然而，每種技術(shù)都有其不足之處，即使一起使用，互相之間也不能完全補(bǔ)償彼此的不精確性。MEMS慣性感測(cè)器則有可能完全補(bǔ)償感測(cè)器的不精確性，因?yàn)樗淮嬖谏鲜龈蓴_，且不需要外部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：無(wú)需衛(wèi)星、磁場(chǎng)或相機(jī)，只需慣性。表2列出主要的導(dǎo)航感測(cè)器技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　就像車輛導(dǎo)航設(shè)備會(huì)發(fā)生GPS遮擋問(wèn)題一樣，醫(yī)療系統(tǒng)所用的光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)也會(huì)遇到視線遮擋問(wèn)題。發(fā)生光學(xué)遮擋時(shí)，慣性感測(cè)器可以執(zhí)行航位推算，從而通過(guò)冗余檢測(cè)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

　　符合表2所列原則的一個(gè)醫(yī)療應(yīng)用是在手術(shù)室使用慣性感測(cè)器，使人工膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)能夠與病人獨(dú)特的骨骼結(jié)構(gòu)更精確地對(duì)準(zhǔn)。本例的目標(biāo)是讓植入體與患者自然軸的對(duì)準(zhǔn)誤差小于1度。95%以上的全膝關(guān)節(jié)置換（TKA）手術(shù)，采用機(jī)械對(duì)準(zhǔn)方法，它所產(chǎn)生的典型誤差為3度或更大。

　　使用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的電腦輔助方法已開始取代一些機(jī)械程式，但可能由于設(shè)備開銷較大，推廣過(guò)程緩慢。無(wú)論使用機(jī)械對(duì)準(zhǔn)還是光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，這些手術(shù)中約30%都會(huì)有未對(duì)準(zhǔn)的情況（定義為3度以上的誤差），使病人感覺(jué)不舒服，常常須要進(jìn)行額外的手術(shù)。降低對(duì)準(zhǔn)誤差的可能好處，包括縮短手術(shù)時(shí)間、增強(qiáng)病人舒適感及使關(guān)節(jié)置換效果更持久。

　　完整多軸慣性測(cè)量單元（IMU）形式的慣性感測(cè)器，已證明能夠顯著提高TKA手術(shù)的精度?；贛EMS的慣性感測(cè)單元包含所需的全部檢測(cè)功能，包括三個(gè)線性感測(cè)器和三個(gè)旋轉(zhuǎn)感測(cè)器，可取代基于機(jī)械和光學(xué)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。該元件利用多種類型的感測(cè)器和嵌入式處理來(lái)動(dòng)態(tài)校正感測(cè)器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的溫度漂移等。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)四線串列周邊介面（SPI），可以與這個(gè)相對(duì)復(fù)雜的精密感測(cè)器套件輕松連接。

　　MEMS慣性感測(cè)器可靠度高（汽車行業(yè)20年的應(yīng)用歷史證明此點(diǎn)），它在手機(jī)和視頻游戲中的成功應(yīng)用，說(shuō)明它極具吸引力。然而，不同應(yīng)用對(duì)性能的要求大不相同，適合游戲的元件并不能解決本文所述的高性能導(dǎo)航問(wèn)題。對(duì)于導(dǎo)航，重要的MEMS性能指標(biāo)是偏置漂移、振動(dòng)影響、靈敏度和雜訊。精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航所需的性能水準(zhǔn)，通常比消費(fèi)電子設(shè)備所用MEMS感測(cè)器的性能水準(zhǔn)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。表3列出有助于挑選感測(cè)器的一般系統(tǒng)考慮。

　　大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)整合某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的感測(cè)器?？柭鼮V波器將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、感測(cè)器相對(duì)精度和其他特定應(yīng)用的控制輸入納入考慮，有效確定最切合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況。高精度慣性感測(cè)器（低雜訊、低漂移、相對(duì)溫度/時(shí)間/振動(dòng)/電源變化保持穩(wěn)定）可降低卡爾曼濾波器的復(fù)雜度，減少所需冗余感測(cè)器的數(shù)量，以及減少對(duì)容許系統(tǒng)工作方案的限制條件數(shù)量。

　　醫(yī)療應(yīng)用復(fù)雜度高M(jìn)EMS技術(shù)持續(xù)演進(jìn)

　　雖然感測(cè)器已實(shí)現(xiàn)各種各樣的醫(yī)療應(yīng)用，從相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)捕捉到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分析，但醫(yī)用感測(cè)器的高性能要求提出復(fù)雜且涉及到大量計(jì)算的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。所幸，解決這些新一代醫(yī)療挑戰(zhàn)所需的許多原理均基于經(jīng)工業(yè)導(dǎo)航應(yīng)用驗(yàn)證的方法，包括感測(cè)器融合和處理技術(shù)。在醫(yī)療導(dǎo)航領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性以及精度和可靠性要求，將推動(dòng)多處理器、附加感測(cè)器后處理、復(fù)雜演算法、復(fù)雜測(cè)試和補(bǔ)償方案的發(fā)展。

　　在消費(fèi)應(yīng)用強(qiáng)烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性感測(cè)器的同時(shí)，某些開發(fā)人員同樣重視能夠在各種環(huán)境條件下，穩(wěn)定可靠的高精度、低功耗、高性能感測(cè)器。與現(xiàn)有測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)相比，這些慣性MEMS元件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性能均有優(yōu)勢(shì)。
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