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

 通過(guò)基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM, MEMS）的加速傳感器和陀螺儀的設(shè)計(jì)，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(lái)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(cè)患者心臟的功能。醫(yī)務(wù)人員通常采用的方法是通過(guò)心電圖來(lái)檢查患者心臟功能情況。在心電圖檢查過(guò)程中，醫(yī)務(wù)人員會(huì)將一套電極連接在人體上，使其與皮膚表面接觸。通過(guò)這種方法，我們可以測(cè)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(shí)間或者僅僅記錄R波峰值的時(shí)間。這種向量心電圖跟圖一所示的心率監(jiān)測(cè)或者運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)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(jī)械泵血功能或者心臟的機(jī)能。此外，這些電極可能會(huì)干擾患者的日常生活，尤其是干擾患者的娛樂(lè)活動(dòng)和夜間的心電監(jiān)測(cè)。幸運(yùn)的是，在醫(yī)療領(lǐng)域，我們可以通過(guò)其他手段來(lái)檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監(jiān)護(hù)和心臟沖擊掃描圖（Ballistocardiology, BCG）。機(jī)械式心沖擊掃描圖記錄著心臟的電信號(hào)，但是其信號(hào)延遲30到40微秒。

圖一：心電圖中的 P-QRS-T波。
       

利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過(guò)檢測(cè)胸部的動(dòng)力和加速情況記錄心臟的機(jī)械活動(dòng)。此外，還有一種方法，通過(guò)遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以檢測(cè)心臟的泵血機(jī)能。。運(yùn)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(duì)于檢測(cè)患者日常生活過(guò)程中的心電活動(dòng)是一種很大的優(yōu)勢(shì)。由于血流通常朝一個(gè)方向流動(dòng)，因此我們可以只需要記錄在一個(gè)軸的血流方向即可，例如人從頭到腳的長(zhǎng)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(cè)身體和心理壓力情況或者用于檢測(cè)早期冠心病。圖二中顯示的波幅測(cè)量的是心臟的每搏輸出量：從時(shí)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(cè)過(guò)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(píng)估某些疾病的嚴(yán)重程度， 如動(dòng)脈瓣膜病、冠心病、甚至可以評(píng)估患者的壽命。

圖二：心臟沖擊掃描圖波形。
     

通過(guò)加速傳感器記錄心臟的沖擊信號(hào)有很大的難度，心臟活動(dòng)的加速信號(hào)十分低弱，而感應(yīng)器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時(shí)還可能存在醫(yī)療檢查過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械頻率響應(yīng)和振動(dòng)干擾（如測(cè)體重的電子稱和患者的病床）。在病床上監(jiān)測(cè)心臟沖擊掃描圖尤其重要，因?yàn)檫@種心臟沖擊掃描圖可以在不干擾患者睡眠的情況下，對(duì)患者的身體健康和功能恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會(huì)影響患者的日常活動(dòng)，也不會(huì)干擾患者的睡眠?；谶@種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(cè)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(cè)運(yùn)動(dòng)員最佳訓(xùn)練效果從而避免訓(xùn)練過(guò)度。
      

在一項(xiàng)最新的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究中，日本村田制作所（Murata）的電子工程師對(duì)住院病人在病床上的活動(dòng)進(jìn)行了研究，并將患者的病床活動(dòng)從心臟沖擊掃描圖信號(hào)中分離出來(lái)。經(jīng)過(guò)如此處理后的心臟沖擊掃描圖信號(hào)如圖三所示。該圖顯示隨著時(shí)間的推移，病床的共振對(duì)心臟沖擊掃描圖信號(hào)及其延遲有一定的影響。可靠的信號(hào)測(cè)量結(jié)果是在 10-3g （cm/s2）范圍以內(nèi)，這要求具有優(yōu)異分辨率的傳感器。日本村田制作所生產(chǎn)的SCA121T加速傳感器能滿足這個(gè)要求。SCA121T加速傳感器的噪音密度大概為14μg/√Hz。

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

 采用先進(jìn)的濾波算法可以把心臟沖擊掃描圖信號(hào)從病床共振效應(yīng)和噪聲中分離出來(lái)。過(guò)濾后的心臟沖擊掃描圖所預(yù)估的心率和心臟每搏輸出量如圖四所示。由于心臟搏動(dòng)到加速度記錄的轉(zhuǎn)換過(guò)程需要校正到絕對(duì)值，心臟每搏輸出量在此圖以任一單位表示，如立方分米（dm3）。圖四中的心臟每搏輸出量的差異只要不是太大就可以較好的用于評(píng)估心臟沖擊掃描圖記錄的準(zhǔn)確性以及記錄中的濾波算法和計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

                                                     

  圖四：估算的每搏輸出量。
      

圖四中心臟每搏的時(shí)間間隔是心臟每次起搏的時(shí)間。心率的差異（HRV）可以通過(guò)這種時(shí)間間隔及心率變動(dòng)均數(shù)計(jì)算得出（參看圖五）。除了把傳感器安裝在病床上測(cè)試之外，SCA121T傳感器也可以安裝在浴室中的電子稱上進(jìn)行類似的測(cè)量。心率結(jié)果如圖六所示。

圖五：通過(guò)心率變動(dòng)均數(shù)計(jì)算心臟搏動(dòng)的間隔時(shí)間和心率變異度（HRV）。
 
      

微電子機(jī)械系統(tǒng)的硅片傳感器技術(shù)集中了各種優(yōu)勢(shì)，包括體積最小，運(yùn)用刻蝕技術(shù)（干和濕）和先進(jìn)的封蓋（硅片鍵合和玻璃絕緣）、接觸（電極可焊接或線接）設(shè)計(jì)。本文前面所提到的SCA121T傳感器使用了整個(gè)硅片作為動(dòng)量，它可以承受70000克左右的高沖擊。此外，因采用單晶硅結(jié)構(gòu)，它還具有其他主要特點(diǎn)，包括超范圍容量、無(wú)機(jī)械遲滯現(xiàn)象，無(wú)塑性變形。穩(wěn)定的電容檢測(cè)原理可以通過(guò)大的平行板電容結(jié)合高電容動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，這種微電機(jī)械系統(tǒng)的傳感器就具備優(yōu)質(zhì)的信噪比。[!--empirenews.page--]

  圖六：SCA121T加速感傳感測(cè)量浴室電子稱的心臟沖擊掃描圖波形。
 
 

 圖七：高度精確的電容加速感應(yīng)元件的簡(jiǎn)化圖。
 
      

當(dāng)我們根據(jù)心臟沖擊掃描圖原理設(shè)計(jì)心臟監(jiān)護(hù)儀時(shí)，設(shè)計(jì)工程師需要將傳感器的噪聲密度設(shè)定為 14 μg/√Hz，從而使心臟監(jiān)護(hù)儀的測(cè)量分辨率優(yōu)于一毫米每平方秒（1mm/S2）。噪音過(guò)濾也是非常關(guān)鍵的因素，如建筑物中的機(jī)械振動(dòng)的濾除。對(duì)于共振，傳感器需要具備可控的頻率效應(yīng)，這種效應(yīng)通常通過(guò)機(jī)械阻尼來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，傳感器集成版可以通過(guò)先進(jìn)的信號(hào)濾波算法將真實(shí)的信號(hào)和在現(xiàn)實(shí)的檢測(cè)環(huán)境中出現(xiàn)的任何雜散的干擾信號(hào)相互分離。如果出現(xiàn)嚴(yán)重的噪音干擾，這種噪音的波形與心臟沖擊描計(jì)信號(hào)的波形類似，如波幅、頻率和序列，這時(shí)我們就需要采用一個(gè)額外的加速傳感器來(lái)測(cè)量監(jiān)測(cè)環(huán)境中出現(xiàn)的加速現(xiàn)象，從而對(duì)心臟沖擊描記信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)，匹配兩個(gè)加速感應(yīng)器信號(hào)的相位就變得十分重要。