基于MEMS技術(shù)的手術(shù)導航應用

基于MEMS的系統可以顯著(zhù)提高髖關(guān)節和膝關(guān)節植入體與病人骨骼結構的對準精度，減輕不舒適感，從而避免進(jìn)行修正手術(shù)。

導航通常與汽車(chē)、卡車(chē)、飛機、輪船，當然還有人相關(guān)。但是，它也開(kāi)始在醫療技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，精密手術(shù)儀器和機器人就需要使用導航。手術(shù)導航工具的設計要求與傳統的車(chē)輛導航具有廣泛的共同點(diǎn)，但前者也提出了一些獨特的挑戰(例如，由于是在室內使用，無(wú)法獲得GPS支持)，需要更高的性能。

本文將研究醫療導航應用的獨特挑戰，并且探討可能的解決方案——從傳感器機制到系統特性。首先將回顧傳感器的一些重要性能指標，以及在傳感器選型中應當考慮的潛在誤差和漂移機制。本文還會(huì )重點(diǎn)介紹通過(guò)集成、融合和處理來(lái)增強傳感器的方法，例如通過(guò)采用卡爾曼濾波。然而，在展開(kāi)詳細論述之前，回顧慣性微機電系統(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

一度被認為是奇思異想的MEMS技術(shù)，現已成為我們大多數人每天都會(huì )碰到的成熟技術(shù)。它使我們的汽車(chē)更加安全，增強了手機的可用性，能夠測量和優(yōu)化工具及運動(dòng)設備的性能，并且不斷提高對住院病人和門(mén)診病人的醫療護理水平。

用于線(xiàn)性運動(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構，該結構形成于硅晶圓之上，通過(guò)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軸的偏轉由一個(gè)差分電容測量，該差分電容由獨立固定板和活動(dòng)質(zhì)量連接板組成。這樣，運動(dòng)使差分電容失衡，導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，當汽車(chē)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)生同樣的運動(dòng)，使得電容失衡，最終產(chǎn)生信號觸發(fā)安全氣囊打開(kāi)。這一基本加速度計結構，根據不同的應用性能參數進(jìn)行調整并增加數據處理功能后，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)的結構是陀螺儀，它能檢測旋轉速率，輸出形式為度/秒;加速度計則是檢測重力。

將運動(dòng)檢測轉化為對醫療保健有用的信息

通過(guò)一個(gè)功耗極低的緊湊器件來(lái)精確檢測和測量運動(dòng)的能力，幾乎對任何涉及到運動(dòng)的應用都是有價(jià)值的，甚至對那些運動(dòng)要求不是很關(guān)鍵的應用也是有價(jià)值的。表I按運動(dòng)類(lèi)型列出了一些基本醫療應用。需要解決更多挑戰的更高級應用將在稍后討論。

超越簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測

雖然簡(jiǎn)單的運動(dòng)檢測，例如一個(gè)軸上的線(xiàn)性運動(dòng)，可能很有價(jià)值，但多數應用都涉及到多個(gè)軸上的多種類(lèi)型運動(dòng)。捕捉這種多維運動(dòng)狀態(tài)不僅能帶來(lái)新的好處，而且能在軸外擾動(dòng)可能影響單主軸運動(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)歷的運動(dòng)，必須將多種類(lèi)型(例如線(xiàn)性和旋轉)的傳感器結合起來(lái)。例如，加速度計對地球的重力敏感，可以用來(lái)確定傾角。換言之，讓一個(gè)MEMS加速度計在一個(gè)+/-1g重力場(chǎng)中旋轉時(shí)(+/-90°)，它能夠將該運動(dòng)轉換為角度表示。然而，加速度計無(wú)法區分靜態(tài)加速度 (重力)與動(dòng)態(tài)加速度。這種情況下，加速度計可以與陀螺儀結合，利用組合器件的附加數據處理能力可以分辨線(xiàn)性加速度與傾斜(即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的視在傾斜重合時(shí))。隨著(zhù)系統的動(dòng)態(tài)程度(運動(dòng)的軸數和運動(dòng)自由度)增加，傳感器融合過(guò)程會(huì )變得更加復雜。

了解環(huán)境對傳感器精度的影響也很重要。顯而易見(jiàn)的一個(gè)因素是溫度，可以對其進(jìn)行校準;事實(shí)上，高精度傳感器可以重新校準，并且自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償。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 )使旋轉速率傳感器的精度發(fā)生偏移，這種效應稱(chēng)為線(xiàn)性加速度效應和振動(dòng)校正，其影響可能很?chē)乐?，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，即利用加速度計來(lái)檢測線(xiàn)性加速度，然后利用此信息和陀螺儀線(xiàn)性加速度靈敏度的校準信息進(jìn)行校正。

許多應用要求多自由度的運動(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(xiàn)性加速度和旋轉運動(dòng)(也稱(chēng)為滾動(dòng)、俯仰和偏航)，參見(jiàn)圖。

全運動(dòng)評估所需的6自由度運動(dòng)測量：x、y、z軸線(xiàn)性運動(dòng)和滾動(dòng)、俯仰、偏航角速率轉動(dòng)

導航——從車(chē)輛到手術(shù)儀器

慣性傳感器在工業(yè)中用作輔助導航器件已經(jīng)相當廣泛。通常，慣性傳感器與GPS等其他導航設備一起使用。當GPS訪(fǎng)問(wèn)不可靠時(shí)，慣性導航可以利用所謂航位推算技術(shù)來(lái)彌補空隙。除了最簡(jiǎn)單的導航之外，多數解決方案都會(huì )依賴(lài)多種類(lèi)型的傳感器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學(xué)和磁性檢測技術(shù)已廣為認知，相關(guān)產(chǎn)品也很豐富。然而，每種技術(shù)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慣性傳感器則有可能完全補償傳感器的不精確性，因為它不存在上述干擾，并且不需要外部基礎結構：無(wú)需衛星、磁場(chǎng)或相機，只需慣性。

就像車(chē)輛導航設備會(huì )發(fā)生GPS遮擋問(wèn)題一樣，醫療系統所用的光學(xué)導航技術(shù)也會(huì )遇到視線(xiàn)遮擋問(wèn)題。發(fā)生光學(xué)遮擋時(shí)，慣性傳感器可以執行航位推算，從而通過(guò)冗余檢測增強系統的可靠性。

醫療導航

本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1°。95%以上的全膝關(guān)節置換(TKA)手術(shù)采用機械對準方法，它所產(chǎn)生的典型誤差為3°或更大。使用光學(xué)對準的計算機輔助方法已經(jīng)開(kāi)始取代一些機械程序，但可能由于設備開(kāi)銷(xiāo)較大，推廣過(guò)程緩慢。無(wú)論使用機械對準還是光學(xué)對準，這些手術(shù)中大約 30%都會(huì )有未對準的情況(定義為3°以上的誤差)，使病人感覺(jué)不舒服，常常需要進(jìn)行額外的手術(shù)。降低對準誤差的可能好處包括：縮短手術(shù)時(shí)間、增強病人舒適感以及使關(guān)節置換效果更持久。

完整多軸慣性測量單元(IMU)形式的慣性傳感器已證明能夠顯著(zhù)提高TKA手術(shù)的精度。ADIS16334(圖2)等器件包含所需的全部檢測功能 ——三個(gè)線(xiàn)性傳感器和三個(gè)旋轉傳感器，可取代基于機械和光學(xué)的對準技術(shù)。該器件利用多種類(lèi)型的傳感器和嵌入式處理來(lái)動(dòng)態(tài)校正傳感器漂移，如陀螺儀的線(xiàn)性加速度偏移、線(xiàn)性和旋轉檢測的溫度漂移等。通過(guò)標準4線(xiàn)串行外設接口(SPI)，可以與這個(gè)相對復雜的精密傳感器套件輕松接口。