多軸傳感器受追捧 MEMS加速挺進醫療設計

　　慣性感測器在工業中用作輔助導航元件已經相當廣泛，通常慣性感測器與GPS等其他導航設備一起使用。當GPS連結不可靠時，慣性導航可利用航位推算技術強化。

　　除最簡單的導航之外，多數解決方案都會依賴多種類型的感測器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學和磁性檢測技術已廣為認知，相關產品也很豐富，然而，每種技術都有其不足之處，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慣性感測器則有可能完全補償感測器的不精確性，因為它不存在上述干擾，且不需要外部基礎結構：無需衛星、磁場或相機，只需慣性。表2列出主要的導航感測器技術及其優缺點。

　　就像車輛導航設備會發生GPS遮擋問題一樣，醫療系統所用的光學導航技術也會遇到視線遮擋問題。發生光學遮擋時，慣性感測器可以執行航位推算，從而通過冗余檢測增強系統的可靠性。

　　符合表2所列原則的一個醫療應用是在手術室使用慣性感測器，使人工膝關節或髖關節能夠與病人獨特的骨骼結構更精確地對準。本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1度。95%以上的全膝關節置換（TKA）手術，采用機械對準方法，它所產生的典型誤差為3度或更大。

　　使用光學對準的電腦輔助方法已開始取代一些機械程式，但可能由于設備開銷較大，推廣過程緩慢。無論使用機械對準還是光學對準，這些手術中約30%都會有未對準的情況（定義為3度以上的誤差），使病人感覺不舒服，常常須要進行額外的手術。降低對準誤差的可能好處，包括縮短手術時間、增強病人舒適感及使關節置換效果更持久。

　　完整多軸慣性測量單元（IMU）形式的慣性感測器，已證明能夠顯著提高TKA手術的精度。基于MEMS的慣性感測單元包含所需的全部檢測功能，包括三個線性感測器和三個旋轉感測器，可取代基于機械和光學的對準技術。該元件利用多種類型的感測器和嵌入式處理來動態校正感測器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉檢測的溫度漂移等。通過標準四線串列周邊介面（SPI），可以與這個相對復雜的精密感測器套件輕松連接。

　　MEMS慣性感測器可靠度高（汽車行業20年的應用歷史證明此點），它在手機和視頻游戲中的成功應用，說明它極具吸引力。然而，不同應用對性能的要求大不相同，適合游戲的元件并不能解決本文所述的高性能導航問題。對于導航，重要的MEMS性能指標是偏置漂移、振動影響、靈敏度和雜訊。精密工業和醫療導航所需的性能水準，通常比消費電子設備所用MEMS感測器的性能水準高出一個數量級。表3列出有助于挑選感測器的一般系統考慮。

　　大多數系統都會整合某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的感測器?？柭鼮V波器將系統動力學模型、感測器相對精度和其他特定應用的控制輸入納入考慮，有效確定最切合實際的運動情況。高精度慣性感測器（低雜訊、低漂移、相對溫度/時間/振動/電源變化保持穩定）可降低卡爾曼濾波器的復雜度，減少所需冗余感測器的數量，以及減少對容許系統工作方案的限制條件數量。

　　醫療應用復雜度高MEMS技術持續演進

　　雖然感測器已實現各種各樣的醫療應用，從相對簡單的運動捕捉到復雜的運動分析，但醫用感測器的高性能要求提出復雜且涉及到大量計算的設計挑戰。所幸，解決這些新一代醫療挑戰所需的許多原理均基于經工業導航應用驗證的方法，包括感測器融合和處理技術。在醫療導航領域，運動的復雜性以及精度和可靠性要求，將推動多處理器、附加感測器后處理、復雜演算法、復雜測試和補償方案的發展。

　　在消費應用強烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性感測器的同時，某些開發人員同樣重視能夠在各種環境條件下，穩定可靠的高精度、低功耗、高性能感測器。與現有測量和檢測技術相比，這些慣性MEMS元件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性能均有優勢。