感測融合技術加持　MEMS元件提升醫療導航精度

本文將先介紹MEMS動作擷取的基本知識，包括元件選擇須了解的重要特性，然後說明醫療導航應用的獨特挑戰，並討論可能的解決方案，包括不同的感測器機制、必要的感測器處理、獨特的系統特性及實現最佳解決方案所需的資料處理。同時亦將解釋感測器的重要特性及其影響，更重要的是討論潛在的誤差和漂移機制以幫助選擇感測器。

另外，本文還會重點介紹經由整合、感測器融合和處理(例如卡爾曼濾波)增強感測器的機會及方法。

滿足高階醫療應用　高性能感測器小露身手

事實上，醫療動作擷取的複雜性不亞於高階軍用系統。例如，精密導航通常與陸地、航空和海運交通工具應用相關，但此一技術也逐漸盛行於醫療領域，如精密手術儀器和機器人就須要使用導航。此外，雖然手術導航系統的設計要求與傳統的車輛導航具有廣泛的共同點，但前者應用的環境具有一些獨特的挑戰，且要求更高的性能。

圖1　MEMS晶片感測到加速度和旋轉動作後，會由訊號處理電路將其轉換為電訊號。

如圖1所示，MEMS包括加速度計、陀螺儀、磁力計與壓力計等各種感測器，當今各式各樣的設備中都可以輕易找到它的身影。此類慣性感測器能夠精準檢測和測量動作，功耗極低，尺寸極小，且不僅可以用於任何涉及到動作的應用，甚至對那些要求不動作的應用也是有價值的。表1按動作類型列出一些相關的基本醫療應用。

嵌入式補償機制助陣
高階診斷儀器性能升級

許多醫療應用，例如心肺復甦術(CPR)，須精確測定位置和重複率，或者掃描設備相對於患者身體的精確定位等，都可以獲益於相對基本，但仍很精確的動作資訊。這種情況下，一種類型的感測器可能就足夠，特別是如果存在其他感測器元件，或者動作和使用情形至少存在固定/已知的範圍。

即便是有限範圍的動作或較簡單的動態移動，也必須詳細了解並控制各感測器的漂移係數。感測器內部最好具備嵌入式補償機制，並能經由嵌入式濾波針對應用進行調整。

雖然簡單的線性動作感測，對於如檢測老年人是否跌倒的應用很有價值，但多數應用都涉及到多個軸上的多種類型動作。擷取這種複雜的多維動作狀態不僅能帶來新的好處，而且能在環境最不利的情況下仍保持精確度。

為了精確測定物件所經歷的動作，必須將多種類型感測器結合起來。例如，加速度計對地球的重力感度，可以用來確定傾角。當一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉時(±90^o)，它能夠將該動作轉換為角度表示。然而，加速度計無法區分靜態加速度(重力)與動態加速度，這種情況下，加速度計可與陀螺儀結合，經由兩個元件的處理，可根據已知的動作動態模型分辨線性加速度與傾斜，增強其精度。隨著系統的動作軸數、類型和動作自由度增加，感測器融合過程的同時，也會讓感測處理變得更加複雜。

整合加速度/旋轉量測　六軸自由度感測器威力猛

了解環境對感測器精確度的影響並可對其進行校準，如溫度即一個顯而易見的重要因素。事實上，高精確度預校準感測器即可以對自身進行動態補償。另一個不那麼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速率感測器的精確度發生偏移，這就是所謂線性加速度和振動校正效應，其影響則較為嚴重，整體精度仍取決於陀螺儀本身的品質。透過感測器融合可提高性能，即利用加速度計檢測線性加速度，然後又可補償陀螺儀的線性加速度靈敏度。

圖2　線性x、y、z動作加上旋轉相關的滾動、俯仰、偏航，構成全動作評估所需的六軸動作檢測；通常還會增加磁力計和壓力計等元件。

目前許多裝置對於多自由度的動作檢測要求日益嚴苛，特別是那些性能要求超過基本指向(上、下、左、右)或簡單行動(動作或靜止)的應用。如圖2所示，六軸自由度慣性感測器能夠同時檢測x、y、z三軸上的線性加速度和旋轉動作(也稱為滾動、俯仰和偏航)。

內建高整合度MEMS元件
醫療光學導航精度大增

慣性感測器在工業中用做輔助導航元件已相當普遍。通常慣性感測器與全球衛星定位系統(GPS)等其他導航設備一起使用。當GPS不可靠時，慣性導航可利用所謂航位推算技術(Dead Reckoning)來補強感測效能。根據環境和性能目標，可能還會增加包括光學和磁性等感測器。每種感測器都有其不足之處。MEMS慣性感測器則有可能完全補償其他感測器的不精確性，因為它不受上述干擾影響，並且不需要衛星、磁場或相機等外部基礎設施。表1列出主要的導航感測器方法及其優缺點。

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，慣性感測器可執行航位推算，並能經由冗餘檢測增強系統的可靠性。

表2所列的其中一項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，其目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小於1^o，而當今使用純機械對準方法的誤差為3^o或更大。95%以上的全膝關節置換(TKA)手術採用機械對準方法。

使用光學對準的電腦輔助方法已開始取代一些機械程式，但可能由於設備開銷較大，進展非常緩慢。無論使用機械對準還是光學對準，這些手術中大約30%會有未對準的情況(定義為3^o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減少對病人身體的介入、縮短手術時間、增強病人術後舒適感及使關節置換效果更持久。如圖3所示，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手術的精確度。

圖3　基於MEMS的慣性測量單元提供六軸自由度精密動作測量，適合用於手術儀器。

慣性感測器的性能水準落差很大，因此要選擇符合需求的元件。適合遊戲的元件並不能解決醫療用導航問題。對於導航，重要的MEMS性能指標是偏置漂移、振動影響、靈敏度和雜訊。

事實上，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等級，表3列出了感測器類型選擇的考慮因素。

大多數系統都會採用某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合併多種類型的感測器。卡爾曼濾波器將系統動力學模型、感測器相對精確度和其他特定應用的控制輸入納入考慮，從而確定最切合實際的動作情況。高精確度慣性感測器可降低卡爾曼濾波器的複雜度，減少所需冗餘感測器的數量，以及減少對容許系統工作方案的限制條件數量。

任何高性能擷取方案都會面臨兩個主要挑戰。首先是將原始感測器資料轉換為校準且穩定的感測器資料；其次是將精密感測器資料轉換為實際的位置/跟蹤資訊。如圖4所示，解決第一個挑戰涉及到整合最佳化的感測器處理電子模組和動作校準功能，這需要對動作動力學有透徹的了解；解決第二個挑戰需要將動作動力學的知識與具體應用的獨特知識結合起來。

圖4　精密動作檢測既需要高性能感測器，也需要最佳化的感測器處理和嵌入式應用智慧。

採用MEMS慣性檢測　提升醫療設備可靠性

就商業可行性和可靠性而言，MEMS慣性檢測是一項非常成熟的技術。除廣為人知的行動設備和遊戲應用以外，醫療和工業領域也存在廣泛的需求，但是挑戰也更大。這些應用需要高性能，高整合的感測器處理。例如，醫療導航涉及複雜的動作，要求以高度穩定的慣性感測器為基礎，然後提供優化的整合、感測器處理和融合。

高精確度、環境適應能力極強的感測器的出現和發展，正在醫療領域掀起一股MEMS慣性感測器應用浪潮，與現有的測量和檢測方法相比，這些慣性MEMS元件無論是在精確度、尺寸、功耗、冗餘度和可及性上均有優勢。幸運的是，解決這些新一代醫療技術挑戰所需的感測器融合和處理技術，均已經過傳統工業導航應用的驗證，相信未來MEMS醫療應用將更加普及，為醫療發展帶來正面的新能量。

(本文作者為ADI MEMS慣性感測器部業務開發經理)