MEMS醫(yī)療運動檢測系統(tǒng)挑戰(zhàn)研究

基于MEMS的系統(tǒng)可以顯著提高髖關節(jié)和膝關節(jié)植入體與病人骨骼結構的對準精度，減輕不舒適感，從而避免進行修正手術。

　　本文將研究醫(yī)療導航應用的獨特挑戰(zhàn)，并且探討可能的解決方案--從傳感器機制到系統(tǒng)特性。首先將回顧傳感器的一些重要性能指標，以及在傳感器選型中應當考慮的潛在誤差和漂移機制。本文還會重點介紹通過集成、融合和處理來增強傳感器的方法，例如通過采用卡爾曼濾波。然而，在展開詳細論述之前，回顧慣性微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器技術的一些基本原理可能會有幫助。

　　1 MEMS基本原理

　　一度被認為是奇思異想的MEMS技術，現(xiàn)已成為我們大多數(shù)人每天都會碰到的成熟技術。它使我們的汽車更加安全，增強了手機的可用性，能夠測量和優(yōu)化工具及運動設備的性能，并且不斷提高對住院病人和門診病人的醫(yī)療護理水平。

　　表1 按運動類型劃分的醫(yī)療應用

　　用于線性運動檢測的MEMS器件通常是基于一個微加工的多晶硅表面結構，該結構形成于硅晶圓之上，通過多晶硅彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉由一個差分電容測量，該差分電容由獨立固定板和活動質量連接板組成。這樣，運動使差分電容失衡，導致傳感器輸出的幅度與加速度成正比。舉一個大家熟悉的例子，

　　當汽車由于碰撞而突然急劇減速時，安全氣囊傳感器中的MEMS軸會產(chǎn)生同樣的運動，使得電容失衡，最終產(chǎn)生信號觸發(fā)安全氣囊打開。這一基本加速度計結構，根據(jù)不同的應用性能參數(shù)進行調整并增加數(shù)據(jù)處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。還有一種與此不同但技術上相關的結構是陀螺儀，它能檢測旋轉速率，輸出形式為度/秒;加速度計則是檢測重力。

　　2 將運動檢測轉化為對醫(yī)療保健有用的信息

　　通過一個功耗極低的緊湊器件來精確檢測和測量運動的能力，幾乎對任何涉及到運動的應用都是有價值的，甚至對那些運動要求不是很關鍵的應用也是有價值的。表1按運動類型列出了一些基本醫(yī)療應用。需要解決更多挑戰(zhàn)的更高級應用將在稍后討論。

　　2.1　超越簡單的運動檢測

　　雖然簡單的運動檢測，例如一個軸上的線性運動，可能很有價值，但多數(shù)應用都涉及到多個軸上的多種類型運動。捕捉這種多維運動狀態(tài)不僅能帶來新的好處，而且能在軸外擾動可能影響單主軸運動測量的情況下保持精度。

　　許多情況下，為了精確測定對象所經(jīng)歷的運動，必須將多種類型(例如線性和旋轉)的傳感器結合起來。例如，加速度計對地球的重力敏感，可以用來確定傾角。換言之，讓一個MEMS加速度計在一個+/-1g重力場中旋轉時(+/-90°)，它能夠將該運動轉換為角度表示。然而，加速度計無法區(qū)分靜態(tài)加速度(重力)與動態(tài)加速度。這種情況下，加速度計可以與陀螺儀結合，利用組合器件的附加數(shù)據(jù)處理能力可以分辨線性加速度與傾斜(即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的視在傾斜重合時)。隨著系統(tǒng)的動態(tài)程度(運動的軸數(shù)和運動自由度)增加，傳感器融合過程會變得更加復雜。

　　了解環(huán)境對傳感器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度，可以對其進行校準;事實上，高精度傳感器可以重新校準，并且自身進行動態(tài)補償。另一個不那么明顯的考慮因素是潛在的振動，即使很輕微的振動也會使旋轉速率傳感器的精度發(fā)生偏移，這種效應稱為線性加速度效應和振動校正，其影響可能很嚴重，具體取決于陀螺儀的質量。在這種情況下，傳感器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計來檢測線性加速度，然后利用此信息和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準信息進行校正。

　　許多應用要求多自由度的運動檢測。例如，6自由度慣性傳感器能夠同時檢測x、y、z軸上的線性加速度和旋轉運動(也稱為滾動、俯仰和偏航)，參見圖1。

　　圖1 全運動評估所需的6自由度運動測量：x、y、z軸線性運動和滾動、俯仰、偏航角速率轉動