MEMS加速傳感器和陀螺儀設(shè)計瞄準(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，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波的振幅和時間或者僅僅記錄R波峰值的時間。這種向量心電圖跟圖一所示的心率監(jiān)測或者運(yùn)動計算機(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，這些電極可能會干擾患者的日常生活，尤其是干擾患者的娛樂活動和夜間的心電監(jiān)測。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，但是其信號延遲30到40微秒。利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過檢測胸部的動力和加速情況記錄心臟的機(jī)械活動。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。這種方法對于檢測患者日常生活過程中的心電活動是一種很大的優(yōu)勢。由于血流通常朝一個方向流動，因此我們可以只需要記錄在一個軸的血流方向即可，例如人從頭到腳的長度軸向。

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)用于評估某些疾病的嚴(yán)重程度， 如動脈瓣膜病、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。

通過加速傳感器記錄心臟的沖擊信號有很大的難度，心臟活動的加速信號十分低弱，而感應(yīng)器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時還可能存在醫(yī)療檢查過程中出現(xiàn)的機(jī)械頻率響應(yīng)和振動干擾(如測體重的電子稱和患者的病床)。在病床上監(jiān)測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，對患者的身體健康和功能恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會影響患者的日?；顒?，也不會干擾患者的睡眠。基于這種獨(dú)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，這些領(lǐng)域包括監(jiān)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(jiān)測運(yùn)動員最佳訓(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進(jìn)行了研究，并將患者的病床活動從心臟沖擊掃描圖信號中分離出來。經(jīng)過如此處理后的心臟沖擊掃描圖信號如圖三所示。該圖顯示隨著時間的推移，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(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(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。由于心臟搏動到加速度記錄的轉(zhuǎn)換過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(zhǔn)確性以及記錄中的濾波算法和計算公式的準(zhǔn)確性。

圖四：估算的每搏輸出量。