MEMS實現(xiàn)醫(yī)療創(chuàng)新

想法簡介

本文首先介紹了MEMS運動傳感的一些基本原理，包括元件選擇所需的關(guān)鍵理解。它還著眼于醫(yī)療導(dǎo)航應(yīng)用的獨特挑戰(zhàn)，并探索可能的解決方案，從各種傳感器機制到必要的傳感器處理，以及提供解決方案所需的獨特系統(tǒng)特性和數(shù)據(jù)處理。將審查并解釋關(guān)鍵傳感器規(guī)范的個別貢獻，更重要的是，將討論潛在的誤差和漂移機制以幫助傳感器選擇。通過集成，傳感器融合和傳感器處理（如卡爾曼濾波）增強傳感器的機會和方法也將得到突出。

利用微機電系統(tǒng)（MEMS）檢測，捕獲和分析運動的能力已成為消費者和移動設(shè)備的常見特征。在技術(shù)進步提供高精度動作捕捉的地方，應(yīng)用已擴展到工業(yè)領(lǐng)域。許多潛在的醫(yī)療診斷和儀器應(yīng)用可以從將工業(yè)設(shè)備的精度與消費設(shè)備的移動性和經(jīng)濟性相結(jié)合中受益。

在某些情況下，醫(yī)療運動捕獲的復(fù)雜性可與高端軍事系統(tǒng)的復(fù)雜性相媲美。例如，通常與為陸地，空中和海上車輛開發(fā)的應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的精確導(dǎo)航越來越多地用于從外科手術(shù)儀器到機器人的醫(yī)療應(yīng)用中。此外，雖然手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的相似性，但環(huán)境和所需性能水平存在明顯的新挑戰(zhàn)。

運動捕捉實現(xiàn)醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新和價值

基于硅的加速度計和陀螺儀傳感器稱為MEMS（圖1），如今在各種設(shè)備中都很常見。這些慣性傳感器以最小的功率和尺寸檢測和測量運動，并且?guī)缀踹m用于涉及運動的任何應(yīng)用，甚至那些缺乏運動的應(yīng)用也很重要。表1概述了一些基于運動類型的基本相關(guān)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。稍后，將討論更復(fù)雜的場景中存在運動組合的更高級應(yīng)用，這些場景會帶來更多挑戰(zhàn)。

圖1：MEMS硅結(jié)構(gòu)感應(yīng)加速和旋轉(zhuǎn)，并借助信號處理將其轉(zhuǎn)換為電信號

捕獲動作以啟用新的儀器和診斷工具

許多醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如準(zhǔn)確地確定CPR中的位置和重復(fù)率，或者掃描設(shè)備相對于患者身體的精確定位，可以受益于相對基本但仍然精確的運動信息。在這些情況下，單個傳感器類型可能是足夠的，特別是如果存在其他傳感器輸入，或者至少是移動和使用情況的固定/已知邊界。

即使運動范圍有限，或者運動動力學(xué)更簡單，各個傳感器必須具有良好的理解和控制的漂移因子，并且通常希望在傳感器內(nèi)部具有嵌入式補償，以及通過嵌入式將其調(diào)整到應(yīng)用的能力。過濾。

復(fù)雜運動需要精密傳感器和嵌入式傳感器處理

雖然簡單的運動檢測，例如沿一個軸的線性運動對于許多應(yīng)用是有價值的，例如檢測老年人是否已經(jīng)摔倒，但是大多數(shù)應(yīng)用涉及多種類型和多個運動軸。能夠捕獲這種復(fù)雜的多維運動可以帶來新的好處，同時在最關(guān)鍵的環(huán)境中保持準(zhǔn)確性。在許多情況下，有必要組合多種傳感器類型 - 例如線性和旋轉(zhuǎn) - 以便精確地確定物體經(jīng)歷的運動。例如，加速度計對地球的引力很敏感，因此它們可用于確定傾角。當(dāng)MEMS加速度計旋轉(zhuǎn)±1-g場（±90°）時，它能夠?qū)⒃撨\動轉(zhuǎn)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）和動態(tài)加速度。在后一種情況下，加速度計可以與陀螺儀組合，并且基于已知的運動動力學(xué)模型，兩個設(shè)備的后處理可以從傾斜中辨別出線性加速度。隨著系統(tǒng)動力學(xué)（運動軸的數(shù)量，類型和運動自由度）的增加，傳感器融合的這一過程顯然變得更加復(fù)雜。了解環(huán)境對傳感器精度的影響也很重要。溫度顯然是一個關(guān)鍵問題，通�？梢约m正; 實際上，更高精度的預(yù)校準(zhǔn)傳感器將自動動態(tài)補償。一個不太明顯的因素是即使輕微的振動也可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)速傳感器的精度變化。這些影響，被稱為線性加速和振動整流，取決于陀螺儀的質(zhì)量可能很重要。傳感器融合通過使用加速度計檢測線性加速度并補償陀螺儀的線性加速度靈敏度來提高性能。

對于許多應(yīng)用，特別是那些要求超出基本指向（上，下，左，右）或簡單運動（運動或靜止）的性能的應(yīng)用，需要多個自由度運動檢測。例如，六自由度慣性傳感器能夠檢測三個（x，y，z）軸中的每一個上的線性加速度和同一三個軸上的旋轉(zhuǎn)運動，也稱為滾動，俯仰和偏航，如圖2所示。

圖2：線性X，Y和Z運動，加上旋轉(zhuǎn)滾動，俯仰和偏航構(gòu)成全運動評估所需的六度運動測量; 通常由磁力計和氣壓計增強

基本導(dǎo)航原理

慣性傳感器作為導(dǎo)航輔助設(shè)備的使用已在該行業(yè)中普及。通常，它們與諸如GPS的其他導(dǎo)航設(shè)備一起使用。當(dāng)GPS訪問不可靠時，慣性導(dǎo)航填補了所謂的航位推算的覆蓋范圍。可以根據(jù)環(huán)境和性能目標(biāo)添加其他傳感器，包括光學(xué)和磁性。每種傳感器類型都有其自身的局限性 MEMS慣性傳感器提供了完全補償這些其他傳感器不準(zhǔn)確性的潛力，因為它們不受相同干擾的影響，并且不需要外部基礎(chǔ)設(shè)施：不需要衛(wèi)星，磁場或攝像機- 只需要慣性。表2概述了主要的導(dǎo)航傳感器方法，以及它們的優(yōu)勢和潛在的局限性。

與車輛導(dǎo)航中GPS阻塞的可能性一樣，醫(yī)學(xué)推論是光學(xué)引導(dǎo)和視線阻塞的可能性�；�于慣性的傳感器在光學(xué)阻塞期間執(zhí)行航位推算，并通過提供冗余感測來增強系統(tǒng)可靠性。

醫(yī)療導(dǎo)航

表1中早先概述的一種醫(yī)療應(yīng)用涉及在手術(shù)室中使用慣性傳感器，以使人工膝關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)與患者獨特的解剖結(jié)構(gòu)更精確對齊。這里的目標(biāo)是通過使用純機械對準(zhǔn)方法改善關(guān)節(jié)對準(zhǔn)，使患者的自然對準(zhǔn)軸誤差小于1°，而今天的誤差為3°或更大。今天膝關(guān)節(jié)全部成形術(shù)（TKA）的95％以上是通過機械對準(zhǔn)完成的。使用光學(xué)對準(zhǔn)的計算機輔助方法僅緩慢地開始替換一些機械過程，可能是由于所需的設(shè)備開銷。無論使用機械對準(zhǔn)還是光學(xué)對準(zhǔn)，這些程序中約有30％導(dǎo)致未對準(zhǔn)（定義為> 3°誤差），這通常會導(dǎo)致不適和額外的手術(shù)。減少不對中有可能提供更少侵入性和更短的手術(shù)時間，增加術(shù)后患者的舒適度，并產(chǎn)生更持久的關(guān)節(jié)置換。如圖3所示，全多軸慣性測量單元（IMU）形式的慣性傳感器已經(jīng)證明TKA的精度得到了顯著提高。

圖3：基于MEMS的慣性測量單元以緊湊的形式提供精確的六度運動測量因子適用于外科手術(shù)儀器

傳感器選擇和系統(tǒng)級處理

慣性傳感器的性能水平存在很大差異。適合游戲的設(shè)備無法解決此處概述的高性能導(dǎo)航問題。關(guān)鍵的MEMS規(guī)范是偏置漂移，振動影響，靈敏度和噪聲。精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航通常要求的性能水平比目標(biāo)用于消費設(shè)備的MEMS傳感器高出一個數(shù)量級。表3概述了一般系統(tǒng)注意事項，通過分析可以幫助集中傳感器選擇。

大多數(shù)系統(tǒng)將實現(xiàn)某種形式的卡爾曼濾波器，以有效地合并多種傳感器類型�？�爾曼濾波器考慮了系統(tǒng)動力學(xué)模型，相對傳感器精度以及其他特定應(yīng)用控制輸入，以便最佳地確定實際運動。更高精度的慣性傳感器（低噪聲，低漂移，以及溫度/時間/振動/電源變化的穩(wěn)定性）降低了卡爾曼濾波器的復(fù)雜性，所需的冗余傳感器數(shù)量以及對允許的系統(tǒng)運行情況的限制數(shù)量。

在任何高性能動作捕捉實現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的兩個主要挑戰(zhàn)是將原始傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為校準(zhǔn)和穩(wěn)定的傳感器數(shù)據(jù)，以及將精確傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際位置/跟蹤信息。克服第一個障礙涉及優(yōu)化的傳感器處理電子器件與運動校準(zhǔn)相結(jié)合，運動校準(zhǔn)基于對運動動力學(xué)的深入了解。第二個障礙需要將對運動動力學(xué)的理解與對手頭應(yīng)用的特性的深入了解相結(jié)合，如圖4所示。

圖4：高性能核心傳感器開始的精密運動檢測，再加上優(yōu)化的傳感器處理和嵌入式應(yīng)用智能

使用精密MEM傳感器實現(xiàn)高價值醫(yī)療應(yīng)用

MEMS慣性傳感在商業(yè)可行性和可靠性方面是一項非常成熟的技術(shù)。除了移動設(shè)備和游戲中眾所周知的用例之外，醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域中存在更具挑戰(zhàn)性的需求。在這些情況下，需要更高的性能，以及更完整的集成和傳感器處理。例如，醫(yī)療導(dǎo)航中涉及的運動的復(fù)雜性決定了需要以高度穩(wěn)定的慣性傳感器為基礎(chǔ)，然后在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化集成，傳感器處理和融合。高精度和環(huán)保型傳感器開發(fā)的可用性推動了醫(yī)療領(lǐng)域中MEMS慣性傳感器的新應(yīng)用。這些慣性MEMS器件能夠在現(xiàn)有測量/感測方法上提供精度，尺寸，功率，冗余和可訪問性方面的優(yōu)勢。幸運的是，解決這些下一代醫(yī)療挑戰(zhàn)所需的許多原則都是基于經(jīng)典工業(yè)導(dǎo)航問題的成熟方法，包括傳感器融合和處理技術(shù)。

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