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(dú)立固定板和活動質(zhì)量連接板組成。這樣，運(yùn)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(dāng)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(yùn)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(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(yùn)動的能力，幾乎對任何涉及到運(yùn)動的應(yīng)用都是有價值的，甚至對那些運(yùn)動要求不是很關(guān)鍵的應(yīng)用也是有價值的。表1按運(yùn)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(yùn)動檢測
雖然簡單的運(yùn)動檢測，例如一個軸上的線性運(yùn)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(yùn)動。捕捉這種多維運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)在一個±1g重力場中旋轉(zhuǎn)時(±90°)，它能夠?qū)⒃撨\(yùn)動轉(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)。隨著系統(tǒng)的動態(tài)程度(運(yùn)動的軸數(shù)和運(yùn)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(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)行動態(tài)補(bǔ)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(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(yùn)動(也稱為滾動、俯仰和偏航)，參見圖1。
