多轴传感器受追捧 MEMS加速挺进医疗设计

　　多轴惯性传感器已日益受到医疗应用市场青睐。融合多轴感测功能的惯性MEMS元件，不论尺寸、功耗、精准度与可靠性均有优异表现，可符合医疗应用领域的严苛要求，如手术导航工具等精密医疗仪器，皆已开始大量导入。

　　导航与汽车、卡车、飞机、轮船及人相关。然而，它也开始在医疗技术领域发挥重要作用，精密手术仪器和机器人即须使用导航。手术导航工具的设计要求与传统的车辆导航具有广泛的共同点，但前者也提出一些独特的挑战，如在室内使用，无法获得全球卫星定位系统（GPS）支援，因而需要更高性能。

　　本文将研究医疗导航应用的独特挑战，并探讨从感测器机制到系统特性可能的解决方案，并介绍增强感测性能的方法，如采用卡尔曼滤波等。

　　多轴MEMS传感器转化医疗资讯

　　微机电系统（MEMS）已成为大多数人每天都会碰到的成熟技术，它使汽车更安全、增强手机可用性，并能优化工具及运动设备的性能，从而提高对病人的医疗护理水准。

　　用于线性运动检测的MEMS元件通常是基于一个微加工的多晶矽表面结构，该结构形成于矽晶圆之上，通过多晶矽弹簧悬挂在晶圆的表面上，提供对加速度力的阻力。在加速度下，MEMS轴的偏转由一个差分电容测量，该差分电容由独立固定板和活动品质连接板组成。如此一来，运动使差分电容失衡，导致感测器输出的幅度与加速度成正比。

　　例如汽车因碰撞而突然急剧减速时，安全气囊感测器中的MEMS轴会产生同样的运动，使得电容失衡，最终产生讯号触发安全气囊打开。此一基本加速度计结构，根据不同的应用性能参数进行调整，并增加资料处理功能后，可以精确地指示倾斜度、速度甚至位置。另有一种技术上相关的结构是陀螺仪，它能检测旋转速率，输出形式为度/秒。

　　透过一个耗电量极低的微型元件，以精确检测和测量运动的能力，几乎对任何涉及运动的应用都具价值，表1即按运动类型列出基本医疗应用。

　　尽管简单的运动检测有价值，如一个轴上的线性运动，但多数应用皆涉及到多个轴上的多种类型运动。捕捉这种多维运动状态不仅能带来新的好处，且能在轴外扰动可能影响单主轴运动测量的情况下，保持精度。

　　为精确测量物件所经历的运动，必须将多种类型（如线性和旋转）的感测器结合起来，如加速度计对地球的重力敏感，可用来确定倾角。换言之，让一个MEMS加速度计在一个±1g重力场中旋转时（±90度），它能够将该运动转换为角度表示。

　　然而，加速度计无法区分静态加速度（重力）与动态加速度。因此，加速度计可与陀螺仪结合，利用组合元件的附加资料处理能力，可分辨线性加速度与倾斜（即当陀螺仪的输出显示旋转与加速度计记录的明显倾斜重合时）。随着系统的动态程度（运动的轴数和运动自由度）增加，感测器融合过程会变得更加复杂。

　　了解环境对感测器精度的影响也很重要。显而易见的一个因素是温度，可对其进行校准。事实上，高精度感测器可以重新校准，并自身进行动态补偿。另一个不那么明显的考虑因素是潜在的振动，即使很轻微的振动也会使旋转速率感测器的精度发生偏移，这种效应称为线性加速度效应和振动校正，其影响可能很严重，具体取决于陀螺仪的品质。在此种情况下，感测器融合同样能够提高性能，即利用加速度计来检测线性加速度，然后利用此资讯和陀螺仪线性加速度灵敏度的校准资讯进行校正。

　　惯性感测器助阵医疗导航崭露头角

　　许多应用要求多自由度的运动检测，如六轴自由度惯性感测器能够同时检测x、y、z轴上的线性加速度和旋转运动（也称为滚动、俯仰和偏航）。

　　惯性感测器在工业中用作辅助导航元件已经相当广泛，通常惯性感测器与GPS等其他导航设备一起使用。当GPS连结不可靠时，惯性导航可利用航位推算技术强化。

　　除最简单的导航之外，多数解决方案都会依赖多种类型的感测器，在所有条件下提供所需的精度和性能。GPS、光学和磁性检测技术已广为认知，相关产品也很丰富，然而，每种技术都有其不足之处，即使一起使用，互相之间也不能完全补偿彼此的不精确性。MEMS惯性感测器则有可能完全补偿感测器的不精确性，因为它不存在上述干扰，且不需要外部基础结构：无需卫星、磁场或相机，只需惯性。表2列出主要的导航感测器技术及其优缺点。

　　就像车辆导航设备会发生GPS遮挡问题一样，医疗系统所用的光学导航技术也会遇到视线遮挡问题。发生光学遮挡时，惯性感测器可以执行航位推算，从而通过冗余检测增强系统的可靠性。

符合表2所列原则的一个医疗应用是在手术室使用惯性感测器，使人工