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    医疗MEMS:运动检测使新一代医疗设备设计发生变革
    2016-02-20 11:34
    基于MEMS的体系可以明显进步着关节和膝关节植入体与病人骨骼构造的对准精度,减轻不舒适感,大年夜而避免进行修改手术。

    导航平日与汽车、卡车、飞机、轮船,当然还有人相干。然则,它也开端在医疗技巧范畴发挥重要感化,周胪陈术仪器和机械人就须要应用导航。手术导航对象的设计请求与传统的车辆导航具有广泛的合营点,但前者也提出了一些独特的挑衅(例如,因为是在室内应用,无法获得GPS支撑),须要更高的机能。



    MEMS基来源基本理
    一度被认为是奇思异想的MEMS技巧,现已成为我们大年夜多半人天天都邑碰着的成熟技巧。它使我们的汽车加倍安然,加强了手机的可用性,可以或许测量和优化对象及活动设备的机能,并且赓续进步对住院病人和门诊病人的医疗护理程度。

    表I:按活动类型划分的医疗应用
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    用于线性活动检测的MEMS器件平日是基于一个微加工的多晶硅外面构造,该构造形成于硅晶圆之上,经由过程多晶硅弹簧吊挂在晶圆的外面上,供给对加快度力的阻力。在加快度下,MEMS轴的偏转由一个差分电容测量,该差分电容由自力固定板和晃荡质量连接板构成。如许,活动使差分电容掉衡,导致传感器输出的幅度与加快度成正比。举一个大年夜家熟悉的例子,当汽车因为碰撞而忽然急剧减速时,安然气囊传感器中的MEMS轴会产生同样的活动,使得电容掉衡,最终产生旌旗灯号触发安然气囊打开。章一本加快度计构造,根据不合的应用机能参数进行调剂并增长数据处理功能后,可以精确地指导倾斜度、速度甚至地位。还有一种与此不合但技巧上相干的构造是陀螺仪沃森仪表,它能检测扭转速度,输出情势为度/秒;加快度计则是检测重力。

    将活动检测转化为对医疗保健有效的信息


    经由过程一个功耗极低的紧凑器件来精确检测和测量活动的才能,几乎对任何涉及到活动的应用都是有价值的,甚至对那些活动请求不是很关键的应用也是有价值的。表I按活动类型列出了一些根本医疗应用。须要解决更多挑衅的更高等应用将在稍后评论辩论。

    超削发单的活动检测

    医疗MEMS的复杂性
    本文将研究医疗导航应用的独特挑衅,并且商量可能的解决筹划——大年夜传感器机制到体系特点。起首将回想传感器的一些重要机能指标,以及在传感器选型中应当推敲的潜在误差和漂移机制。本文还会重点介绍经由过程集成、融合和处理来加强传感器的办法,例如经由过程采取卡尔曼滤波。然而,在展开具体阐述之前,回想惯性微机电体系(MEMS)传感器技巧的一些基来源基本理可能会有赞助。
    固然简单的活动检测,例如一个轴上的线性活动,可能很有价值,但多半应用都涉及到多个轴上的多种类型活动。捕获这种多维活动状况不仅能带来新的好处,并且能在轴外扰动可能影响单主轴活动测量的情况下保持精度。

    很多情况下,为了精确测定对象所经历的活动,必须将多种类型(例如线性和扭转)的传感器结合起来。例如,加快度计对地球的重力敏感,可以用来肯定倾角。换言之,让一个MEMS加快度计在一个+/-1g重力场中扭转时(+/-90°),它可以或许将该活动转换为角度表示。然而,加快度计无法区分静态加快度(重力)与动态加快度。这种情况下,加快度计可以与陀螺仪结合,应用组合器件的附加数据处理才能可以分辨线性加快度与倾斜(即当陀螺仪的输出显示扭转与加快度计记录的视在倾斜重应时)。跟着体系的动态程度(活动的轴数和活动自由度)增长,传感器融合过程会变得加倍复杂。
    懂得情况对传感器精度的影响也很重要。显而易见的一个身分是温度,可以对其进行校准;事实上,高精度传感器可以从新校准,并且自身进行动态补偿。另一个不那么明显的┞峰酌身分是潜在的┞否动,即使很稍微的┞否动也会使扭转速度传感器的精度产生偏移,这种效应称为线性加快度效应和振动校订,其影响可能很严重,具体取决于陀螺仪的质量。在这种情况下,传感器融合同样可以或许进步机能,即应用加快度计来检测线性加快度,然后应用此信息和陀螺仪线性加快度灵敏度的校准信息进行校订。

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    很多应用请求多自由度的活动检测。例如,6自由度惯性传感器可以或许同时检测x、y、z轴上的线性加快度和扭转活动(也称为滚动、俯仰和偏航),拜见图1。
    图1:全活动评估所需的6自由度活动测量:
    x、y、z轴线性活动和滚动、俯仰、偏航角速度迁移转变

    导航——大年夜车辆到手术仪器

    惯性传感器在工业顶用作帮助导航器件已经相当广泛。平日,惯性传感器与GPS等其他导航设备一路应用。当GPS拜访弗成靠时,惯性导航可以应用所谓航位推算技巧来弥补闲暇。除了最简单的导航之外,多半解决筹划都邑依附多种类型的传感器,在所有前提下供给所需的精度和机能。GPS、光学和磁性检陈技巧已广为认知,相干产品也很丰富。然而,每种技巧都有其不足之处,即使一路应用,互相之间也不克不及完全补偿彼此的不精确性。MEMS惯性传感器则有可能完全补偿传感器的不精确性,因为它不存在上述干扰,并且不须要外部基本构造:无需卫星、磁场或相机,只需惯性。表II列出了重要的导航传感器技巧及其优缺点。

    表II:广泛应用的导航传感器及其对医疗导航的实用性
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    就像车辆导航设备会产生GPS遮挡问题一样,医疗体系所用的光学导航技巧也会碰到视线遮挡问题。产生光学遮挡时,惯性传感器可以履行航位推算,大年夜而经由过程冗余检测加强体系的靠得住性。

    医疗导航

    相符表II所列原则的一个医疗应用是在手术室应用惯性传感器,使人工膝关节或髋关节可以或许与病人独特的骨骼构造更精确地对准。本例的目标是让植入体与患者天然轴的对准误差小于1°。95%以上的全膝关节置换(TKA)手术采取机械对准办法,它所产生的典范误差为3°或更大年夜。应用光学对准的计算机帮助办法已经开端代替一些机械法度榜样,但可能因为设备开销较大年夜,推广过程迟缓。无论应用机械对准照样光学对准,这些手术中大年夜约30%都邑有未对准的情况(定义为3°以汕9依υ差),使病人感到不舒畅,经常须要进行额外的手术。降低对准误差的可能好处包含:缩短手术时光、加强病人舒适感以及使关节置换效不雅更持久。
    图2:基于MEMS的惯性测量单位供给6自由度活动测量, 构造紧凑,合实用于手术仪器

    完全多轴惯性测量单位(IMU)情势的惯性传感器已证实可以或许明显进步TKA手术的精度。ADIS16334(图2)等器件包含所需的全部检测功能——三个线性传感器和三个扭转传感器,可代替基于机械和光学的对准技巧。该器件应用多种类型的传感器和嵌入式处理来动态校订传感器漂移,如陀螺仪的线性加快度偏移、线性和扭转检测的温度漂移等。经由过程标准4线串行外设接口(SPI),可以与这个相对复杂的周详传感器套件轻松接口。

    MEMS惯性传感器靠得住度高(汽车行业20年的应用汗青证清楚明了这一点),它在手机和视频游戏中的成功应用解释它在贸易上极具吸引力。然而,不合应用对机能的请求大年夜不雷同,合适游戏的器件并不克不及解决本文所述的高机能导航问题。对于导航,重要的MEMS机能指标是偏置漂移、振动影响、灵敏度和噪声。周详工业和医疗导航所需的机能程度平日比花费电子设备所用MEMS传感器的机能程度赶过一个数量级。表III列出了有助于传感器选型的一般体系推敲。

    表III:体系目标/束缚前提有助于传感器选型
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    大年夜多半体系都邑集成某种情势的卡尔曼滤波器,以便有效归并多种类型的传感器。卡尔曼滤波器将体系动力学模型、传感器相对精度和其他特定应用的┞菲握输入纳入推敲,有效肯定最符合实际的活动情况。高精度惯性传感器(低噪声、低漂移、相对温度/时光/振动/电源变更保持稳定)可以降低卡尔曼滤波器的复杂度,削减所需冗余传感器的数量,以及削减对许可体系工作筹划的限制前提数量。


    固然传感器已实现各类各样的医疗应用,大年夜相对简单的活动捕获到复杂的活动分析,但医用传感器的高机能请求提出了复杂且涉及到大年夜量计算的设计挑衅。荣幸的是,解决这些新一代医疗挑衅所需典范多道理均基于经工业导航应悠揭捉证的办法,包含传感器融合和处理技巧。在医疗导航范畴,活动的复杂性以及精度和靠得住性请求将推动多处理器、附加传感器后处理、复杂算法、复杂测试鹤芄播筹划的成长。

    在花费应用强烈寻求小尺寸、低功耗、多轴惯性传感器的同时,某些开辟人员同样看重可以或许在各类情况前提下稳定靠得住的高精度、低功耗、高机能传感器。与现有测量和检陈技巧比拟,这些惯性MEMS器件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性上均有优势。

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    作者:Bob Scannell是ADI公司惯性MEMS产品营业开辟经理

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