基于MEMS的醫(yī)療運(yùn)動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)變革

基于MEMS的系統(tǒng)可以顯著提高髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入體與病人骨骼結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)精度，減輕不舒適感，從而避免進(jìn)行修正手術(shù)。

導(dǎo)航通常與汽車、卡車、飛機(jī)、輪船，當(dāng)然還有人相關(guān)。但是，它也開始在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，精密手術(shù)儀器和機(jī)器人就需要使用導(dǎo)航。手術(shù)導(dǎo)航工具的設(shè)計(jì)要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的共同點(diǎn)，但前者也提出了一些獨(dú)特的挑戰(zhàn)（例如，由于是在室內(nèi)使用，無(wú)法獲得GPS支持），需要更高的性能。

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

1 MEMS基本原理

一度被認(rèn)為是奇思異想的MEMS技術(shù)，現(xiàn)已成為我們大多數(shù)人每天都會(huì)碰到的成熟技術(shù)。它使我們的汽車更加安全，增強(qiáng)了手機(jī)的可用性，能夠測(cè)量和優(yōu)化工具及運(yùn)動(dòng)設(shè)備的性能，并且不斷提高對(duì)住院病人和門診病人的醫(yī)療護(hù)理水平。

用于線性運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的MEMS器件通常是基于一個(gè)微加工的多晶硅表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(duì)加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉(zhuǎn)由一個(gè)差分電容測(cè)量，該差分電容由獨(dú)立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成。這樣，運(yùn)動(dòng)使差分電容失衡，導(dǎo)致傳感器輸出的幅度與加速度成正比。舉一個(gè)大家熟悉的例子，

當(dāng)汽車由于碰撞而突然急劇減速時(shí)，安全氣囊傳感器中的MEMS軸會(huì)產(chǎn)生同樣的運(yùn)動(dòng)，使得電容失衡，最終產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)安全氣囊打開。這一基本加速度計(jì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的應(yīng)用性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)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(shù)上相關(guān)的結(jié)構(gòu)是陀螺儀，它能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)速率，輸出形式為度/秒；加速度計(jì)則是檢測(cè)重力。

2 將運(yùn)動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)醫(yī)療保健有用的信息

通過一個(gè)功耗極低的緊湊器件來精確檢測(cè)和測(cè)量運(yùn)動(dòng)的能力，幾乎對(duì)任何涉及到運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用都是有價(jià)值的，甚至對(duì)那些運(yùn)動(dòng)要求不是很關(guān)鍵的應(yīng)用也是有價(jià)值的。表1按運(yùn)動(dòng)類型列出了一些基本醫(yī)療應(yīng)用。需要解決更多挑戰(zhàn)的更高級(jí)應(yīng)用將在稍后討論。

2.1　超越簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

雖然簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，例如一個(gè)軸上的線性運(yùn)動(dòng)，可能很有價(jià)值，但多數(shù)應(yīng)用都涉及到多個(gè)軸上的多種類型運(yùn)動(dòng)。捕捉這種多維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來新的好處，而且能在軸外擾動(dòng)可能影響單主軸運(yùn)動(dòng)測(cè)量的情況下保持精度。
許多情況下，為了精確測(cè)定對(duì)象所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)，必須將多種類型（例如線性和旋轉(zhuǎn)）的傳感器結(jié)合起來。例如，加速度計(jì)對(duì)地球的重力敏感，可以用來確定傾角。換言之，讓一個(gè)MEMS加速度計(jì)在一個(gè)+/-1g重力場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)（+/-90°），它能夠?qū)⒃撨\(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為角度表示。然而，加速度計(jì)無(wú)法區(qū)分靜態(tài)加速度（重力）與動(dòng)態(tài)加速度。這種情況下，加速度計(jì)可以與陀螺儀結(jié)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(dāng)陀螺儀的輸出顯示旋轉(zhuǎn)與加速度計(jì)記錄的視在傾斜重合時(shí)）。隨著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)程度（運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)和運(yùn)動(dòng)自由度）增加，傳感器融合過程會(huì)變得更加復(fù)雜。

了解環(huán)境對(duì)傳感器精度的影響也很重要。顯而易見的一個(gè)因素是溫度，可以對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)；事實(shí)上，高精度傳感器可以重新校準(zhǔn)，并且自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。另一個(gè)不那么明顯的考慮因素是潛在的振動(dòng)，即使很輕微的振動(dòng)也會(huì)使旋轉(zhuǎn)速率傳感器的精度發(fā)生偏移，這種效應(yīng)稱為線性加速度效應(yīng)和振動(dòng)校正，其影響可能很嚴(yán)重，具體取決于陀螺儀的質(zhì)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(jì)來檢測(cè)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(zhǔn)信息進(jìn)行校正。

許多應(yīng)用要求多自由度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。例如，6自由度慣性傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)x、y、z軸上的線性加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（也稱為滾動(dòng)、俯仰和偏航），參見圖1。

圖1 全運(yùn)動(dòng)評(píng)估所需的6自由度運(yùn)動(dòng)測(cè)量：x、y、z軸線性運(yùn)動(dòng)和滾動(dòng)、俯仰、偏航角速率轉(zhuǎn)動(dòng)

2.2 導(dǎo)航--從車輛到手術(shù)儀器

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訪問不可靠時(shí)，慣性導(dǎo)航可以利用所謂航位推算技術(shù)來彌補(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)。

就像車輛導(dǎo)航設(shè)備會(huì)發(fā)生GPS遮擋問題一樣，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)開始取代一些機(jī)械程序，但可能由于設(shè)備開銷較大，推廣過程緩慢。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。

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。

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。

在消費(fèi)應(yīng)用強(qiáng)烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性傳感器的同時(shí)，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、高性能傳感器。與現(xiàn)有測(cè)量和檢測(cè)技術(shù)相比，這些慣性MEMS器件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性上均有優(yōu)勢(shì)。