MEMS實現(xiàn)醫(yī)療創(chuàng)新

想法簡介

本文首先介紹了MEMS運(yùn)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(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)會和方法也將得到突出。

利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）檢測，捕獲和分析運(yùn)動的能力已成為消費(fèi)者和移動設(shè)備的常見特征。在技術(shù)進(jìn)步提供高精度動作捕捉的地方，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(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(yùn)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(yùn)動，并且?guī)缀踹m用于涉及運(yùn)動的任何應(yīng)用，甚至那些缺乏運(yùn)動的應(yīng)用也很重要。表1概述了一些基于運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動范圍有限，或者運(yùn)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(bǔ)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(yùn)動需要精密傳感器和嵌入式傳感器處理

雖然簡單的運(yùn)動檢測，例如沿一個軸的線性運(yùn)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(yùn)動軸。能夠捕獲這種復(fù)雜的多維運(yùn)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(yùn)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\(yùn)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(yùn)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(yùn)動軸的數(shù)量，類型和運(yùn)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(bǔ)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(bǔ)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(yùn)動（運(yùn)動或靜止）的性能的應(yīng)用，需要多個自由度運(yùn)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(yùn)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(yùn)動，加上旋轉(zhuǎn)滾動，俯仰和偏航構(gòu)成全運(yùn)動評估所需的六度運(yùn)動測量; 通常由磁力計和氣壓計增強(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訪問不可靠時，慣性導(dǎo)航填補(bǔ)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(bǔ)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(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(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)更精確對齊。這里的目標(biāo)是通過使用純機(jī)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(jī)械對準(zhǔn)完成的。使用光學(xué)對準(zhǔn)的計算機(jī)輔助方法僅緩慢地開始替換一些機(jī)械過程，可能是由于所需的設(shè)備開銷。無論使用機(jī)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(yùn)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(fèi)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動校準(zhǔn)相結(jié)合，運(yùn)動校準(zhǔn)基于對運(yùn)動動力學(xué)的深入了解。第二個障礙需要將對運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(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(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)航問題的成熟方法，包括傳感器融合和處理技術(shù)。

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