微電子機械系統(tǒng)加速傳感器瞄準醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

通過基于微電子機械系統(tǒng)(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM, MEMS)的加速傳感器和陀螺儀的設(shè)計，MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和游戲軟件領(lǐng)域;但是，微型電磁式感應(yīng)器技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

MEMS 普遍應(yīng)用于患者診斷器械中。這種診斷器械用于檢測患者心臟的功能。醫(yī)務(wù)人員通常采用的方法是通過心電圖來檢查患者心臟功能情況。在心電圖檢查過程中，醫(yī)務(wù)人員會將一套電極連接在人體上，使其與皮膚表面接觸。通過這種方法，我們可以測量復(fù)雜的向量心電圖(VCG)。向量心電圖是一種傳統(tǒng)的方法，它可以記錄患者心電P-QRS-T波的振幅和時間或者僅僅記錄R波峰值的時間。這種向量心電圖跟圖一所示的心率監(jiān)測或者運動計算機中顯示的圖像一樣。

心電圖可以為我們提供大量相關(guān)信息，這些信息包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復(fù)情況、患者的軀體和心理壓力情況。但是，心電圖不能很好的檢查患者心臟的機械泵血功能或者心臟的機能。此外，這些電極可能會干擾患者的日常生活，尤其是干擾患者的娛樂活動和夜間的心電監(jiān)測。幸運的是，在醫(yī)療領(lǐng)域，我們可以通過其他手段來檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監(jiān)護和心臟沖擊掃描圖(Ballistocardiology, BCG)。機械式心沖擊掃描圖記錄著心臟的電信號，但是其信號延遲30到40微秒。

利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過檢測胸部的動力和加速情況記錄心臟的機械活動。此外，還有一種方法，通過遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以檢測心臟的泵血機能。。運用遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以不需要將電極或者器械接觸到患者的皮膚表面。這種方法對于檢測患者日常生活過程中的心電活動是一種很大的優(yōu)勢。由于血流通常朝一個方向流動，因此我們可以只需要記錄在一個軸的血流方向即可，例如人從頭到腳的長度軸向。

心臟沖擊掃描圖可以很好地用于預(yù)防性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如用于檢測身體和心理壓力情況或者用于檢測早期冠心病。圖二中顯示的波幅測量的是心臟的每搏輸出量：從時間上看，我們可以推斷出心臟的功能情況、心率、以及心率的變異情況。心率的變異情況很好地記錄了

該患者的恢復(fù)情況和在檢測過程中承受的壓力情況。圖二中的振幅I和IJ可以有效地應(yīng)用于評估某些疾病的嚴重程度， 如動脈瓣膜病、冠心病、甚至可以評估患者的壽命

圖一：心電圖中的 P-QRS-T波

圖二：心臟沖擊掃描圖波形

通過加速傳感器記錄心臟的沖擊信號有很大的難度，心臟活動的加速信號十分低弱，而感應(yīng)器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時還可能存在醫(yī)療檢查過程中出現(xiàn)的機械頻率響應(yīng)和振動干擾(如測體重的電子稱和患者的病床)。在病床上監(jiān)測心臟沖擊掃描圖尤其重要，因為這種心臟沖擊掃描圖可以在不干擾患者睡眠的情況下，對患者的身體健康和功能恢復(fù)進行監(jiān)測。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會影響患者的日常活動，也不會干擾患者的睡眠?；谶@種獨特的優(yōu)勢，心臟沖擊掃描圖在某些領(lǐng)域的作用十分顯著，這些領(lǐng)域包括監(jiān)測患有由于身體或者心理疾病而產(chǎn)生睡眠障礙的患者的心臟功能，以及監(jiān)測運動員最佳訓(xùn)練效果從而避免訓(xùn)練過度。

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圖三：日本村田制作所的加速傳感器SCA121T從醫(yī)院病床上測量患者的心臟沖擊掃描圖波形