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)的對準精度,，減輕不舒適感,，從而避免進行修正手術(shù)。

導(dǎo)航通常與汽車,、卡車,、飛機、輪船,，當然還有人相關(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)儀器和機器人就需要使用導(dǎo)航,。手術(shù)導(dǎo)航工具的設(shè)計要求與傳統(tǒng)的車輛導(dǎo)航具有廣泛的共同點,，但前者也提出了一些獨特的挑戰(zhàn)(例如，由于是在室內(nèi)使用,，無法獲得GPS支持),，需要更高的性能。

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

MEMS基本原理

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

用于線性運動檢測的MEMS器件通常是基于一個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,，提供對加速度力的阻力,。在加速度下，MEMS軸的偏轉(zhuǎn)由一個差分電容測量,，該差分電容由獨立固定板和活動質(zhì)量連接板組成,。這樣，運動使差分電容失衡,，導(dǎo)致傳感器輸出的幅度與加速度成正比,。舉一個大家熟悉的例子，當汽車由于碰撞而突然急劇減速時,，安全氣囊傳感器中的MEMS軸會產(chǎn)生同樣的運動,，使得電容失衡，最終產(chǎn)生信號觸發(fā)安全氣囊打開,。這一基本加速度計結(jié)構(gòu),，根據(jù)不同的應(yīng)用性能參數(shù)進行調(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,，它能檢測旋轉(zhuǎn)速率，輸出形式為度/秒;加速度計則是檢測重力,。

將運動檢測轉(zhuǎn)化為對醫(yī)療保健有用的信息

通過一個功耗極低的緊湊器件來精確檢測和測量運動的能力,，幾乎對任何涉及到運動的應(yīng)用都是有價值的，甚至對那些運動要求不是很關(guān)鍵的應(yīng)用也是有價值的,。表I按運動類型列出了一些基本醫(yī)療應(yīng)用,。需要解決更多挑戰(zhàn)的更高級應(yīng)用將在稍后討論。

超越簡單的運動檢測

雖然簡單的運動檢測,，例如一個軸上的線性運動,，可能很有價值，但多數(shù)應(yīng)用都涉及到多個軸上的多種類型運動,。捕捉這種多維運動狀態(tài)不僅能帶來新的好處,，而且能在軸外擾動可能影響單主軸運動測量的情況下保持精度。

許多情況下,，為了精確測定對象所經(jīng)歷的運動,，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,，加速度計對地球的重力敏感,，可以用來確定傾角。換言之,，讓一個MEMS加速度計在一個+/-1g重力場中旋轉(zhuǎn)時(+/-90°),，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)與動態(tài)加速度,。這種情況下，加速度計可以與陀螺儀結(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(即當陀螺儀的輸出顯示旋轉(zhuǎn)與加速度計記錄的視在傾斜重合時),。隨著系統(tǒng)的動態(tài)程度(運動的軸數(shù)和運動自由度)增加，傳感器融合過程會變得更加復(fù)雜,。

了解環(huán)境對傳感器精度的影響也很重要,。顯而易見的一個因素是溫度，可以對其進行校準;事實上,，高精度傳感器可以重新校準，并且自身進行動態(tài)補償,。另一個不那么明顯的考慮因素是潛在的振動,，即使很輕微的振動也會使旋轉(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)和振動校正,，其影響可能很嚴重,，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,，即利用加速度計來檢測線性加速度,，然后利用此信息和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準信息進行校正。

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

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GPS訪問不可靠時，慣性導(dǎo)航可以利用所謂航位推算技術(shù)來彌補空隙,。除了最簡單的導(dǎo)航之外,，多數(shù)解決方案都會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)和磁性檢測技術(shù)已廣為認知，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償彼此的不精確性,。MEMS慣性傳感器則有可能完全補償傳感器的不精確性，因為它不存在上述干擾,，并且不需要外部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：無需衛(wèi)星,、磁場或相機，只需慣性,。

就像車輛導(dǎo)航設(shè)備會發(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)也會遇到視線遮擋問題。發(fā)生光學(xué)遮擋時，慣性傳感器可以執(zhí)行航位推算,，從而通過冗余檢測增強系統(tǒng)的可靠性,。

醫(yī)療導(dǎo)航

本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1°。95%以上的全膝關(guān)節(jié)置換(TKA)手術(shù)采用機械對準方法,，它所產(chǎn)生的典型誤差為3°或更大,。使用光學(xué)對準的計算機輔助方法已經(jīng)開始取代一些機械程序，但可能由于設(shè)備開銷較大,，推廣過程緩慢,。無論使用機械對準還是光學(xué)對準，這些手術(shù)中大約 30%都會有未對準的情況(定義為3°以上的誤差),，使病人感覺不舒服,，常常需要進行額外的手術(shù)。降低對準誤差的可能好處包括：縮短手術(shù)時間,、增強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功能 ——三個線性傳感器和三個旋轉(zhuǎn)傳感器,，可取代基于機械和光學(xué)的對準技術(shù),。該器件利用多種類型的傳感器和嵌入式處理來動態(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)檢測的溫度漂移等,。通過標準4線串行外設(shè)接口(SPI)，可以與這個相對復(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),，它在手機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。對于導(dǎo)航,，重要的MEMS性能指標是偏置漂移,、振動影響、靈敏度和噪聲,。精密工業(yè)和醫(yī)療導(dǎo)航所需的性能水平通常比消費電子設(shè)備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個數(shù)量級,。

大多數(shù)系統(tǒng)都會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)動力學(xué)模型、傳感器相對精度和其他特定應(yīng)用的控制輸入納入考慮,，有效確定最切合實際的運動情況,。高精度慣性傳感器(低噪聲,、低漂移,、相對溫度/時間/振動/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，以及減少對容許系統(tǒng)工作方案的限制條件數(shù)量,。

醫(yī)療MEMS的復(fù)雜性

雖然傳感器已實現(xiàn)各種各樣的醫(yī)療應(yīng)用,，從相對簡單的運動捕捉到復(fù)雜的運動分析，但醫(yī)用傳感器的高性能要求提出了復(fù)雜且涉及到大量計算的設(shè)計挑戰(zhàn),。幸運的是,，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,，運動的復(fù)雜性以及精度和可靠性要求將推動多處理器、附加傳感器后處理,、復(fù)雜算法,、復(fù)雜測試和補償方案的發(fā)展。

在消費應(yīng)用強烈追求小尺寸,、低功耗,、多軸慣性傳感器的同時，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)有測量和檢測技術(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,。