MEMS加速傳感器和陀螺儀設計瞄準醫療領(lǐng)域的應用

通過(guò)基于微電子機械系統(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM,MEMS)的加速傳感器和陀螺儀的設計，MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于導航和游戲軟件領(lǐng)域;但是，微型電磁式感應器技術(shù)正越來(lái)越多地應用于醫療領(lǐng)域。

MEMS普遍應用于患者診斷器械中。這種診斷器械用于檢測患者心臟的功能。醫務(wù)人員通常采用的方法是通過(guò)心電圖來(lái)檢查患者心臟功能情況。在心電圖檢查過(guò)程中，醫務(wù)人員會(huì )將一套電極連接在人體上，使其與皮膚表面接觸。通過(guò)這種方法，我們可以測量復雜的向量心電圖(VCG)。向量心電圖是一種傳統的方法，它可以記錄患者心電P-QRS-T波的振幅和時(shí)間或者僅僅記錄R波峰值的時(shí)間。這種向量心電圖跟圖一所示的心率監測或者運動(dòng)計算機中顯示的圖像一樣。

圖一：心電圖中的P-QRS-T波。

心電圖可以為我們提供大量相關(guān)信息，這些信息包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復情況、患者的軀體和心理壓力情況。但是，心電圖不能很好地檢查患者心臟的機械泵血功能或者心臟的機能。此外，這些電極可能會(huì )干擾患者的日常生活，尤其是干擾患者的娛樂(lè )活動(dòng)和夜間的心電監測。幸運的是，在醫療領(lǐng)域，我們可以通過(guò)其他手段來(lái)檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監護和心臟沖擊掃描圖(Ballistocardiology, BCG)。機械式心沖擊掃描圖記錄著(zhù)心臟的電信號，但是其信號延遲30到40微秒。利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過(guò)檢測胸部的動(dòng)力和加速情況記錄心臟的機械活動(dòng)。此外，還有一種方法，通過(guò)遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以檢測心臟的泵血機能。運用遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以不需要將電極或者器械接觸到患者的皮膚表面。這種方法對于檢測患者日常生活過(guò)程中的心電活動(dòng)是一種很大的優(yōu)勢。由于血流通常朝一個(gè)方向流動(dòng)，因此我們可以只需要記錄在一個(gè)軸的血流方向即可，例如人從頭到腳的長(cháng)度軸向。

心臟沖擊掃描圖可以很好地用于預防性醫療領(lǐng)域，如用于檢測身體和心理壓力情況或者用于檢測早期冠心病。圖二中顯示的波幅測量的是心臟的每搏輸出量：從時(shí)間上看，我們可以推斷出心臟的功能情況、心率、以及心率的變異情況。心率的變異情況很好地記錄了該患者的恢復情況和在檢測過(guò)程中承受的壓力情況。圖二中的振幅I和IJ可以有效地應用于評估某些疾病的嚴重程度， 如動(dòng)脈瓣膜病、冠心病、甚至可以評估患者的壽命。

圖二：心臟沖擊掃描圖波形。

通過(guò)加速傳感器記錄心臟的沖擊信號有很大的難度，心臟活動(dòng)的加速信號十分低弱，而感應器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時(shí)還可能存在醫療檢查過(guò)程中出現的機械頻率響應和振動(dòng)干擾(如測體重的電子稱(chēng)和患者的病床)。在病床上監測心臟沖擊掃描圖尤其重要，因為這種心臟沖擊掃描圖可以在不干擾患者睡眠的情況下，對患者的身體健康和功能恢復進(jìn)行監測。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會(huì )影響患者的日?；顒?dòng)，也不會(huì )干擾患者的睡眠?；谶@種獨特的優(yōu)勢，心臟沖擊掃描圖在某些領(lǐng)域的作用十分顯著(zhù)，這些領(lǐng)域包括監測患有由于身體或者心理疾病而產(chǎn)生睡眠障礙的患者的心臟功能，以及監測運動(dòng)員最佳訓練效果從而避免訓練過(guò)度。

在一項最新的電子產(chǎn)品設計研究中，日本村田制作所(Murata)的電子工程師對住院病人在病床上的活動(dòng)進(jìn)行了研究，并將患者的病床活動(dòng)從心臟沖擊掃描圖信號中分離出來(lái)。經(jīng)過(guò)如此處理后的心臟沖擊掃描圖信號如圖三所示。該圖顯示隨著(zhù)時(shí)間的推移，病床的共振對心臟沖擊掃描圖信號及其延遲有一定的影響?？煽康男盘枩y量結果是在10-3g(cm/s2)范圍以?xún)?，這要求具有優(yōu)異分辨率的傳感器。日本村田制作所生產(chǎn)的SCA121T加速傳感器能滿(mǎn)足這個(gè)要求。SCA121T加速傳感器的噪音密度大概為14μg/√Hz。

圖三：日本村田制作所的加速傳感器SCA121T從醫院病床上測量患者的心臟沖擊掃描圖波形。采用先進(jìn)的濾波算法可以把心臟沖擊掃描圖信號從病床共振效應和噪聲中分離出來(lái)。過(guò)濾后的心臟沖擊掃描圖所預估的心率和心臟每搏輸出量如圖四所示。由于心臟搏動(dòng)到加速度記錄的轉換過(guò)程需要校正到絕對值，心臟每搏輸出量在此圖以任一單位表示，如立方分(dm3)。圖四中的心臟每搏輸出量的差異只要不是太大就可以較好的用于評估心臟沖擊掃描圖記錄的準確性以及記錄中的濾波算法和計算公式的準確性。

圖四：估算的每搏輸出量。