多軸慣性感測器已日益受到醫(yī)療應用市場青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準度與可靠性均有優(yōu)異表現，可符合醫(yī)療應用領域的嚴苛要求，如手術導航工具等精密醫(yī)療儀器，皆已開始大量導入。
導航與汽車、卡車、飛機、輪船及人相關。然而，它也開始在醫(yī)療技術領域發(fā)揮重要作用，精密手術儀器和機器人即須使用導航。手術導航工具的設計要求與傳統(tǒng)的車輛導航具有廣泛的共同點，但前者也提出一些獨特的挑戰(zhàn)，如在室內使用，無法獲得全球衛(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)療導航應用的獨特挑戰(zhàn)，并探討從感測器機制到系統(tǒng)特性可能的解決方案，并介紹增強感測性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。
多軸MEMS感測器轉化醫(yī)療資訊
微機電系統(tǒng)(MEMS)已成為大多數人每天都會碰到的成熟技術，它使汽車更安全、增強手機可用性，并能優(yōu)化工具及運動設備的性能，從而提高對病人的醫(yī)療護理水準。
用于線性運動檢測的MEMS元件通常是基于一個微加工的多晶矽表面結構，該結構形成于矽晶圓之上，通過多晶矽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品質連接板組成。如此一來，運動使差分電容失衡，導致感測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，安全氣囊感測器中的MEMS軸會產生同樣的運動，使得電容失衡，最終產生訊號觸發(fā)安全氣囊打開。此一基本加速度計結構，根據不同的應用性能參數進行調整，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。
透過一個耗電量極低的微型元件，以精確檢測和測量運動的能力，幾乎對任何涉及運動的應用都具價值，表1即按運動類型列出基本醫(yī)療應用。
盡管簡單的運動檢測有價值，如一個軸上的線性運動，但多數應用皆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，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。
為精確測量物件所經歷的運動，必須將多種類型(如線性和旋轉)的感測器結合起來，如加速度計對地球的重力敏感，可用來確定傾角。換言之，讓一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉時(±90度)，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。因此，加速度計可與陀螺儀結合，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(即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的明顯傾斜重合時)。隨著系統(tǒng)的動態(tài)程度(運動的軸數和運動自由度)增加，感測器融合過程會變得更加復雜。
了解環(huán)境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度，可對其進行校準。事實上，高精度感測器可以重新校準，并自身進行動態(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感測器的精度發(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品質。在此種情況下，感測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，然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準資訊進行校正。
慣性感測器助陣醫(yī)療導航嶄露頭角
許多應用要求多自由度的運動檢測，如六軸自由度慣性感測器能夠同時檢測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)。
慣性感測器在工業(yè)中用作輔助導航元件已經相當廣泛，通常慣性感測器與GPS等其他導航設備一起使用。當GPS連結不可靠時，慣性導航可利用航位推算技術強化。
除最簡單的導航之外，多數解決方案都會依賴多種類型的感測器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學和磁性檢測技術已廣為認知，相關產品也很豐富，然而，每種技術都有其不足之處，即使一起使用，互相之間也不能完全補償彼此的不精確性。MEMS慣性感測器則有可能完全補償感測器的不精確性，因為它不存在上述干擾，且不需要外部基礎結構：無需衛(wèi)星、磁場或相機，只需慣性。表2列出主要的導航感測器技術及其優(yōu)缺點。
就像車輛導航設備會發(fā)生GPS遮擋問題一樣，醫(yī)療系統(tǒng)所用的光學導航技術也會遇到視線遮擋問題。發(fā)生光學遮擋時，慣性感測器可以執(zhí)行航位推算，從而通過冗余檢測增強系統(tǒng)的可靠性。
符合表2所列原則的一個醫(yī)療應用是在手術室使用慣性感測器，使人工膝關節(jié)或髖關節(jié)能夠與病人獨特的骨骼結構更精確地對準。本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1度。95%以上的全膝關節(jié)置換(TKA)手術，采用機械對準方法，它所產生的典型誤差為3度或更大。
使用光學對準的電腦輔助方法已開始取代一些機械程式，但可能由于設備開銷較大，推廣過程緩慢。無論使用機械對準還是光學對準，這些手術中約30%都會有未對準的情況(定義為3度以上的誤差)，使病人感覺不舒服，常常須要進行額外的手術。降低對準誤差的可能好處，包括縮短手術時間、增強病人舒適感及使關節(jié)置換效果更持久。
完整多軸慣性測量單元(IMU)形式的慣性感測器，已證明能夠顯著提高TKA手術的精度?；贛EMS的慣性感測單元包含所需的全部檢測功能，包括三個線性感測器和三個旋轉感測器，可取代基于機械和光學的對準技術。該元件利用多種類型的感測器和嵌入式處理來動態(tài)校正感測器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉檢測的溫度漂移等。通過標準四線串列周邊介面(SPI)，可以與這個相對復雜的精密感測器套件輕松連接。
MEMS慣性感測器可靠度高(汽車行業(yè)20年的應用歷史證明此點)，它在手機和視頻游戲中的成功應用，說明它極具吸引力。然而，不同應用對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航問題。對于導航，重要的MEMS性能指標是偏置漂移、振動影響、靈敏度和雜訊。精密工業(yè)和醫(yī)療導航所需的性能水準，通常比消費電子設備所用MEMS感測器的性能水準高出一個數量級。表3列出有助于挑選感測器的一般系統(tǒng)考慮。
大多數系統(tǒng)都會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器?？柭鼮V波器將系統(tǒng)動力學模型、感測器相對精度和其他特定應用的控制輸入納入考慮，有效確定最切合實際的運動情況。高精度慣性感測器(低雜訊、低漂移、相對溫度/時間/振動/電源變化保持穩(wěn)定)可降低卡爾曼濾波器的復雜度，減少所需冗余感測器的數量，以及減少對容許系統(tǒng)工作方案的限制條件數量。
醫(yī)療應用復雜度高MEMS技術持續(xù)演進
雖然感測器已實現各種各樣的醫(yī)療應用，從相對簡單的運動捕捉到復雜的運動分析，但醫(yī)用感測器的高性能要求提出復雜且涉及到大量計算的設計挑戰(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工業(yè)導航應用驗證的方法，包括感測器融合和處理技術。在醫(yī)療導航領域，運動的復雜性以及精度和可靠性要求，將推動多處理器、附加感測器后處理、復雜演算法、復雜測試和補償方案的發(fā)展。
在消費應用強烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性感測器的同時，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、高性能感測器。與現有測量和檢測技術相比，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。
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