醫(yī)療MEMS:運(yùn)動(dòng)檢測(cè)使新一代醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)發(fā)生變革

2013-08-21 15:31 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng) 作者:洛小辰

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(chē)、卡車(chē)、飛機(jī)、輪船,當(dāng)然還有人相關(guān)。但是,它也開(kāi)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(chē)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(guò)集成、融合和處理來(lái)增強(qiáng)傳感器的方法,例如通過(guò)采用卡爾曼濾波。然而,在展開(kāi)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。

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(chē)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(mén)診病人的醫(yī)療護(hù)理水平。

用于線(xiàn)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(guò)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(chē)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(kāi)。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。

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(guò)一個(gè)功耗極低的緊湊器件來(lái)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(lèi)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。

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(xiàn)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(lèi)型運(yùn)動(dòng)。捕捉這種多維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來(lái)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(lèi)型(例如線(xiàn)性和旋轉(zhuǎn))的傳感器結(jié)合起來(lái)。例如,加速度計(jì)對(duì)地球的重力敏感,可以用來(lái)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(xiàn)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(guò)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(jiàn)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(chēng)為線(xiàn)性加速度效應(yīng)和振動(dòng)校正,其影響可能很?chē)?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(lái)檢測(cè)線(xiàn)性加速度,然后利用此信息和陀螺儀線(xiàn)性加速度靈敏度的校準(zhǔn)信息進(jìn)行校正。

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ADI MEMS 監(jiān)護(hù)設(shè)備 醫(yī)療導(dǎo)航 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

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