MEMS慣性傳感器為醫(yī)療導(dǎo)航設(shè)計(jì)帶來新變革

　　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(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、卡車、飛機(jī)、輪船，當(dāng)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(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)介紹通過集成、融合和處理來增強(qiáng)傳感器的方法，例如通過采用卡爾曼濾波。然而，在展開詳細(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)。它使我們的汽車更加安全，增強(qiáng)了手機(jī)的可用性，能夠測量和優(yōu)化工具及運(yùn)動(dòng)設(shè)備的性能，并且不斷提高對住院病人和門診病人的醫(yī)療護(hù)理水平。

　　用于線性運(yùn)動(dòng)檢測的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(gè)差分電容測量，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。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，它能檢測旋轉(zhuǎn)速率，輸出形式為度/秒；加速度計(jì)則是檢測重力。

　　將運(yùn)動(dòng)檢測轉(zhuǎn)化為對醫(yī)療保健有用的信息

　　通過一個(gè)功耗極低的緊湊器件來精確檢測和測量運(yùn)動(dòng)的能力，幾乎對任何涉及到運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用都是有價(jià)值的，甚至對那些運(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。

　　超越簡單的運(yùn)動(dòng)檢測

　　雖然簡單的運(yùn)動(dòng)檢測，例如一個(gè)軸上的線性運(yùn)動(dòng)，可能很有價(jià)值，但多數(shù)應(yīng)用都涉及到多個(gè)軸上的多種類型運(yùn)動(dòng)。捕捉這種多維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來新的好處，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(yùn)動(dòng)，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(jì)對地球的重力敏感，可以用來確定傾角。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，傳感器融合過程會(huì)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(gè)因素是溫度，可以對其進(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)稱為線性加速度效應(yīng)和振動(dòng)校正，其影響可能很嚴(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(zhǔn)信息進(jìn)行校正。

　　許多應(yīng)用要求多自由度的運(yùn)動(dòng)檢測。例如，6自由度慣性傳感器能夠同時(shí)檢測x、y、z軸上的線性加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（也稱為滾動(dòng)、俯仰和偏航），參見圖1。