MEMS醫(yī)療運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)研究

　　慣性傳感器在工業(yè)中用作輔助導(dǎo)航器件已經(jīng)相當(dāng)廣泛。通常，慣性傳感器與GPS等其他導(dǎo)航設(shè)備一起使用。當(dāng)GPS訪問(wèn)不可靠時(shí)，慣性導(dǎo)航可以利用所謂航位推算技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)空隙。除了最簡(jiǎn)單的導(dǎo)航之外，多數(shù)解決方案都會(huì)依賴多種類型的傳感器，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慣性傳感器則有可能完全補(bǔ)償傳感器的不精確性，因?yàn)樗淮嬖谏鲜龈蓴_，并且不需要外部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：無(wú)需衛(wèi)星、磁場(chǎng)或相機(jī)，只需慣性。表2列出了主要的導(dǎo)航傳感器技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

　　表2 廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航傳感器及其對(duì)醫(yī)療導(dǎo)航的適用性

　　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)，慣性傳感器可以執(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。

　　2.3 醫(yī)療導(dǎo)航

　　符合表2所列原則的一個(gè)醫(yī)療應(yīng)用是在手術(shù)室使用慣性傳感器，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°。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°或更大。使用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)輔助方法已經(jīng)開(kāi)始取代一些機(jī)械程序，但可能由于設(shè)備開(kāi)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)中大約30%都會(huì)有未對(duì)準(zhǔn)的情況(定義為3°以上的誤差)，使病人感覺(jué)不舒服，常常需要進(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)病人舒適感以及使關(guān)節(jié)置換效果更持久。

　　圖2 基于MEMS的慣性測(cè)量單元提供6自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量， 結(jié)構(gòu)緊湊，適合用于手術(shù)儀器

　　完整多軸慣性測(cè)量單元(IMU)形式的慣性傳感器已證明能夠顯著提高TKA手術(shù)的精度。ADIS16334(圖2)等器件包含所需的全部檢測(cè)功能--三個(gè)線性傳感器和三個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器，可取代基于機(jī)械和光學(xué)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。該器件利用多種類型的傳感器和嵌入式處理來(lái)動(dòng)態(tài)校正傳感器漂移，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)4線串行外設(shè)接口(SPI)，可以與這個(gè)相對(duì)復(fù)雜的精密傳感器套件輕松接口。

　　MEMS慣性傳感器可靠度高(汽車行業(yè)20年的應(yīng)用歷史證明了這一點(diǎn))，它在手機(jī)和視頻游戲中的成功應(yīng)用說(shuō)明它在商業(yè)上極具吸引力。然而，不同應(yīng)用對(duì)性能的要求大不相同，適合游戲的器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、靈敏度和噪聲。精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航所需的性能水平通常比消費(fèi)電子設(shè)備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。表3列出了有助于傳感器選型的一般系統(tǒng)考慮。

　　表3 系統(tǒng)目標(biāo)/約束條件有助于傳感器選型

　　大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)集成某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的傳感器?？柭鼮V波器將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、傳感器相對(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。高精度慣性傳感器(低噪聲、低漂移、相對(duì)溫度/時(shí)間/振動(dòng)/電源變化保持穩(wěn)定)可以降低卡爾曼濾波器的復(fù)雜度，減少所需冗余傳感器的數(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。

　　3 醫(yī)療MEMS的復(fù)雜性

　　雖然傳感器已實(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)用傳感器的高性能要求提出了復(fù)雜且涉及到大量計(jì)算的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，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，包括傳感器融合和處理技術(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、附加傳感器后處理、復(fù)雜算法、復(fù)雜測(cè)試和補(bǔ)償方案的發(fā)展。