內(nèi)容提要

       利用慣性傳感器滿足醫(yī)療保健領(lǐng)域的新興需求將有助于大幅提升生活品質(zhì)。

       運動是生命中不可或缺的重要組成部分。能夠移動的人似乎在一刻不停地運動著，而不能移動的人則可能需要借助某種形式的機(jī)械助力來幫助實現(xiàn)運動。因此，不難想象，能夠測量這種運動的慣性傳感器在提供有關(guān)我們自身的有用信息方面具有重大價值。如今的音頻（麥克風(fēng)）或光學(xué)（相機(jī)）傳感器就是這樣。

       討論MEMS與生活品質(zhì)的關(guān)系時，定義如下的不同程度或階段可能會有用：從測量、提升到保障。慣性傳感器能夠測量、捕捉或估計人體的輸出/健康狀況，因而與音頻和光學(xué)檢測一樣，很容易確定其應(yīng)用。例如，計步器使用加速度計來檢測步伐，提供健身活動的測量結(jié)果。另外，假肢中為改善平衡和控制而嵌入的運動檢測器可以增強(qiáng)殘障人士的移動能力，而檢測坐姿與臥姿的加速度計則可以用于監(jiān)護(hù)病人以拯救生命，這些都是顯而易見的。本文從測量、提升、保障生活品質(zhì)三方面，探討運動傳感器的技術(shù)挑戰(zhàn)和復(fù)雜程度。

傳感器性能

       慣性MEMS傳感器在汽車和消費電子市場的成功，使傳感器的多方面性能有了迅速提高，但現(xiàn)有應(yīng)用與新興醫(yī)療生活品質(zhì)應(yīng)用的性能要求仍然存在很大差異。為了研究不同應(yīng)用的電路板級需求，我們可以比較功耗、尺寸、可靠性、環(huán)境魯棒性、性能和性能漂移方面的要求。在這些特性中，功耗和尺寸可能是唯一已經(jīng)被消費電子應(yīng)用推到極致水平的特性。面向汽車應(yīng)用而開發(fā)的傳感器通常要求高水平的可靠性和環(huán)境穩(wěn)健性。

單傳感器應(yīng)用

       低功耗、小尺寸傳感器對運動監(jiān)護(hù)儀等生活品質(zhì)測量應(yīng)用有利，但這些應(yīng)用還要求高水平的環(huán)境魯棒性，以便將希望測量的實際運動與其它隨機(jī)影響區(qū)分開來。生活品質(zhì)增強(qiáng)工具可以分為兩類：一是穿戴式設(shè)備，如假肢等；一是手術(shù)或診斷設(shè)備，如機(jī)器人手術(shù)工具或便攜式超聲設(shè)備等。無論何種情況，由于測量設(shè)備主動控制相對于被動監(jiān)控的水平提高，性能和可靠性要求越來越高。在生活品質(zhì)保障方面，包括微型遠(yuǎn)程手術(shù)和其它生命攸關(guān)的監(jiān)護(hù)儀，不僅要求高性能，而且要求非常低的時間漂移，對環(huán)境影響的靈敏度也應(yīng)保持最小。

表1.不同生活品質(zhì)應(yīng)用的相對特性要求比較

       表1通過一些相對品質(zhì)因數(shù)來比較不同類型生活品質(zhì)應(yīng)用的各種特性的復(fù)雜度。即便是要求相對較低的測量設(shè)備，超低功耗、小尺寸和溫度/沖擊/振動影響抑制能力的組合，也使得這些應(yīng)用的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于消費電子驅(qū)動的簡單傳感器需求。

多傳感器應(yīng)用

       到目前為止，討論集中于單個傳感器的特性，應(yīng)用也許是測量線性運動（單軸加速度計）或角向運動（單軸陀螺儀）。但在現(xiàn)實生活中，運動僅限于單傳感器類型或單軸（或可通過其辨識）的情形相對較少。為了捕捉最精確的運動特征，或者為了能在不受限條件（安裝位置或運動范圍）下使用，通常要求將多個傳感器巧妙地合為一體，并將這些傳感器與應(yīng)用參考系精密對齊。因此，除了基本的傳感器元件以外，機(jī)械和傳感器/信號處理要求也大不相同。當(dāng)我們從測量轉(zhuǎn)向提升乃至保障時，復(fù)雜度隨之提高。

       一個有意思的例子是在手術(shù)室使用慣性傳感器，使人工關(guān)節(jié)（膝或髖關(guān)節(jié)）能夠與病人獨特的骨骼結(jié)構(gòu)更精確地對準(zhǔn)。該生活品質(zhì)增強(qiáng)應(yīng)用的目標(biāo)是讓植入體與患者自然軸的對準(zhǔn)誤差小于1o，而當(dāng)今使用純機(jī)械對準(zhǔn)方法的誤差為3o或更大。其可能的好處包括：減少對病人身體的介入，縮短手術(shù)時間，大幅提升病人術(shù)后舒適感，以及使關(guān)節(jié)置換效果更持久。