MEMS實(shí)現(xiàn)醫(yī)療創(chuàng)新

想法簡(jiǎn)介

本文首先介紹了MEMS運(yùn)動(dòng)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(dú)特挑戰(zhàn)，并探索可能的解決方案，從各種傳感器機(jī)制到必要的傳感器處理，以及提供解決方案所需的獨(dú)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(gè)別貢獻(xiàn)，更重要的是，將討論潛在的誤差和漂移機(jī)制以幫助傳感器選擇。通過(guò)集成，傳感器融合和傳感器處理（如卡爾曼濾波）增強(qiáng)傳感器的機(jī)會(huì)和方法也將得到突出。

利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）檢測(cè)，捕獲和分析運(yùn)動(dòng)的能力已成為消費(fèi)者和移動(dòng)設(shè)備的常見(jiàn)特征。在技術(shù)進(jìn)步提供高精度動(dòng)作捕捉的地方，應(yīng)用已擴(kuò)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(fèi)設(shè)備的移動(dòng)性和經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合中受益。

在某些情況下，醫(yī)療運(yùn)動(dòng)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(chē)輛開(kāi)發(fā)的應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的精確導(dǎo)航越來(lái)越多地用于從外科手術(shù)儀器到機(jī)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(jì)要求與傳統(tǒng)的車(chē)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(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)現(xiàn)醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新和價(jià)值

基于硅的加速度計(jì)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(jiàn)。這些慣性傳感器以最小的功率和尺寸檢測(cè)和測(cè)量運(yùn)動(dòng)，并且?guī)缀踹m用于涉及運(yùn)動(dòng)的任何應(yīng)用，甚至那些缺乏運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用也很重要。表1概述了一些基于運(yùn)動(dòng)類(lèi)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(chǎng)景中存在運(yùn)動(dòng)組合的更高級(jí)應(yīng)用，這些場(chǎng)景會(huì)帶來(lái)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(hào)處理將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

捕獲動(dòng)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(duì)于患者身體的精確定位，可以受益于相對(duì)基本但仍然精確的運(yùn)動(dòng)信息。在這些情況下，單個(gè)傳感器類(lèi)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(dòng)和使用情況的固定/已知邊界。

即使運(yùn)動(dòng)范圍有限，或者運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)更簡(jiǎn)單，各個(gè)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(bǔ)償，以及通過(guò)嵌入式將其調(diào)整到應(yīng)用的能力。過(guò)濾。

復(fù)雜運(yùn)動(dòng)需要精密傳感器和嵌入式傳感器處理

雖然簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，例如沿一個(gè)軸的線性運(yùn)動(dòng)對(duì)于許多應(yīng)用是有價(jià)值的，例如檢測(cè)老年人是否已經(jīng)摔倒，但是大多數(shù)應(yīng)用涉及多種類(lèi)型和多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。能夠捕獲這種復(fù)雜的多維運(yùn)動(dòng)可以帶來(lái)新的好處，同時(shí)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(lèi)型 - 例如線性和旋轉(zhuǎn) - 以便精確地確定物體經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)。例如，加速度計(jì)對(duì)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(jì)旋轉(zhuǎn)±1-g場(chǎng)（±90°）時(shí)，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）和動(dòng)態(tài)加速度。在后一種情況下，加速度計(jì)可以與陀螺儀組合，并且基于已知的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，兩個(gè)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(dòng)力學(xué)（運(yùn)動(dòng)軸的數(shù)量，類(lèi)型和運(yùn)動(dòng)自由度）的增加，傳感器融合的這一過(guò)程顯然變得更加復(fù)雜。了解環(huán)境對(duì)傳感器精度的影響也很重要。溫度顯然是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，通�？梢约m正; 實(shí)際上，更高精度的預(yù)校準(zhǔn)傳感器將自動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。一個(gè)不太明顯的因素是即使輕微的振動(dòng)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(dòng)整流，取決于陀螺儀的質(zhì)量可能很重要。傳感器融合通過(guò)使用加速度計(jì)檢測(cè)線性加速度并補(bǔ)償陀螺儀的線性加速度靈敏度來(lái)提高性能。

對(duì)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(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)或靜止）的性能的應(yīng)用，需要多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。例如，六自由度慣性傳感器能夠檢測(cè)三個(gè)（x，y，z）軸中的每一個(gè)上的線性加速度和同一三個(gè)軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也稱為滾動(dòng)，俯仰和偏航，如圖2所示。

圖2：線性X，Y和Z運(yùn)動(dòng)，加上旋轉(zhuǎn)滾動(dòng)，俯仰和偏航構(gòu)成全運(yùn)動(dòng)評(píng)估所需的六度運(yùn)動(dòng)測(cè)量; 通常由磁力計(jì)和氣壓計(jì)增強(qiáng)

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(wèn)不可靠時(shí)，慣性導(dǎo)航填補(bǔ)了所謂的航位推算的覆蓋范圍�？梢愿鶕�(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(lèi)型都有其自身的局限性 MEMS慣性傳感器提供了完全補(bǔ)償這些其他傳感器不準(zhǔn)確性的潛力，因?yàn)樗鼈儾皇芟嗤�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(chǎng)或攝像機(jī)- 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(shì)和潛在的局限性。

與車(chē)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。基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(guò)提供冗余感測(cè)來(lái)增強(qiáng)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(dú)特的解剖結(jié)構(gòu)更精確對(duì)齊。這里的目標(biāo)是通過(guò)使用純機(jī)械對(duì)準(zhǔn)方法改善關(guān)節(jié)對(duì)準(zhǔn)，使患者的自然對(duì)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(guò)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)完成的。使用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)輔助方法僅緩慢地開(kāi)始替換一些機(jī)械過(guò)程，可能是由于所需的設(shè)備開(kāi)銷(xiāo)。無(wú)論使用機(jī)械對(duì)準(zhǔn)還是光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，這些程序中約有30％導(dǎo)致未對(duì)準(zhǔn)（定義為> 3°誤差），這通常會(huì)導(dǎo)致不適和額外的手術(shù)。減少不對(duì)中有可能提供更少侵入性和更短的手術(shù)時(shí)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(cè)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(cè)量單元以緊湊的形式提供精確的六度運(yùn)動(dòng)測(cè)量因子適用于外科手術(shù)儀器

傳感器選擇和系統(tǒng)級(jí)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(wú)法解決此處概述的高性能導(dǎo)航問(wèn)題。關(guān)鍵的MEMS規(guī)范是偏置漂移，振動(dòng)影響，靈敏度和噪聲。精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航通常要求的性能水平比目標(biāo)用于消費(fèi)設(shè)備的MEMS傳感器高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。表3概述了一般系統(tǒng)注意事項(xiàng)，通過(guò)分析可以幫助集中傳感器選擇。

大多數(shù)系統(tǒng)將實(shí)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(lèi)型�？�爾曼濾波器考慮了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，相對(duì)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(shí)際運(yùn)動(dòng)。更高精度的慣性傳感器（低噪聲，低漂移，以及溫度/時(shí)間/振動(dòng)/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(duì)允許的系統(tǒng)運(yùn)行情況的限制數(shù)量。

在任何高性能動(dòng)作捕捉實(shí)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)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(shí)際位置/跟蹤信息�？朔�第一個(gè)障礙涉及優(yōu)化的傳感器處理電子器件與運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)相結(jié)合，運(yùn)動(dòng)校準(zhǔn)基于對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的深入了解。第二個(gè)障礙需要將對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的理解與對(duì)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(kāi)始的精密運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，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(shí)現(xiàn)高價(jià)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(xiàng)非常成熟的技術(shù)。除了移動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)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(kāi)發(fā)的可用性推動(dòng)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(cè)量/感測(cè)方法上提供精度，尺寸，功率，冗余和可訪問(wèn)性方面的優(yōu)勢(shì)。幸運(yùn)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(wèn)題的成熟方法，包括傳感器融合和處理技術(shù)。

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