MEMS加速傳感器和陀螺儀設(shè)計(jì)瞄準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

通過基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM,MEMS)的加速傳感器和陀螺儀的設(shè)計(jì)，MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和游戲軟件領(lǐng)域;但是，微型電磁式感應(yīng)器技術(shù)正越來越多地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

MEMS普遍應(yīng)用于患者診斷器械中。這種診斷器械用于檢測(cè)患者心臟的功能。醫(yī)務(wù)人員通常采用的方法是通過心電圖來檢查患者心臟功能情況。在心電圖檢查過程中，醫(yī)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。通過這種方法，我們可以測(cè)量復(fù)雜的向量心電圖(VCG)。向量心電圖是一種傳統(tǒng)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(jiān)測(cè)或者運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)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(fù)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(jī)械泵血功能或者心臟的機(jī)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活動(dòng)和夜間的心電監(jiān)測(cè)。幸運(yùn)的是，在醫(yī)療領(lǐng)域，我們可以通過其他手段來檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監(jiān)護(hù)和心臟沖擊掃描圖(Ballistocardiology, BCG)。機(jī)械式心沖擊掃描圖記錄著心臟的電信號(hào)，但是其信號(hào)延遲30到40微秒。利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過檢測(cè)胸部的動(dòng)力和加速情況記錄心臟的機(jī)械活動(dòng)。此外，還有一種方法，通過遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以檢測(cè)心臟的泵血機(jī)能。運(yùn)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(duì)于檢測(cè)患者日常生活過程中的心電活動(dòng)是一種很大的優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)度軸向。

心臟沖擊掃描圖可以很好地用于預(yù)防性醫(yī)療領(lǐng)域，如用于檢測(cè)身體和心理壓力情況或者用于檢測(cè)早期冠心病。圖二中顯示的波幅測(cè)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(fù)情況和在檢測(cè)過程中承受的壓力情況。圖二中的振幅I和IJ可以有效地應(yīng)用于評(píng)估某些疾病的嚴(yán)重程度， 如動(dòng)脈瓣膜病、冠心病、甚至可以評(píng)估患者的壽命。

圖二：心臟沖擊掃描圖波形。

通過加速傳感器記錄心臟的沖擊信號(hào)有很大的難度，心臟活動(dòng)的加速信號(hào)十分低弱，而感應(yīng)器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時(shí)還可能存在醫(yī)療檢查過程中出現(xiàn)的機(jī)械頻率響應(yīng)和振動(dòng)干擾(如測(cè)體重的電子稱和患者的病床)。在病床上監(jiān)測(cè)心臟沖擊掃描圖尤其重要，因?yàn)檫@種心臟沖擊掃描圖可以在不干擾患者睡眠的情況下，對(duì)患者的身體健康和功能恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，心臟沖擊掃描圖在某些領(lǐng)域的作用十分顯著，這些領(lǐng)域包括監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員最佳訓(xùn)練效果從而避免訓(xùn)練過度。

在一項(xiàng)最新的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究中，日本村田制作所(Murata)的電子工程師對(duì)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(hào)中分離出來。經(jīng)過如此處理后的心臟沖擊掃描圖信號(hào)如圖三所示。該圖顯示隨著時(shí)間的推移，病床的共振對(duì)心臟沖擊掃描圖信號(hào)及其延遲有一定的影響?？煽康男盘?hào)測(cè)量結(jié)果是在10-3g(cm/s2)范圍以內(nèi)，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(yī)院病床上測(cè)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(hào)從病床共振效應(yīng)和噪聲中分離出來。過濾后的心臟沖擊掃描圖所預(yù)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(zhuǎn)換過程需要校正到絕對(duì)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(píng)估心臟沖擊掃描圖記錄的準(zhǔn)確性以及記錄中的濾波算法和計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

圖四：估算的每搏輸出量。