多軸慣性傳感器已日益受到醫療應用市場青睞。融合多軸感測功能的慣性MEMS元件，不論尺寸、功耗、精準度與可靠性均有優異表現，可符合醫療應用領域的嚴苛要求，如手術導航工具等精密醫療儀器，皆已開始大量導入。

　　導航與汽車、卡車、飛機、輪船及人相關。然而，它也開始在醫療技術領域發揮重要作用，精密手術儀器和機器人即須使用導航。手術導航工具的設計要求與傳統的車輛導航具有廣泛的共同點，但前者也提出一些獨特的挑戰，如在室內使用，無法獲得全球衛星定位系統（GPS）支援，因而需要更高性能。

　　本文將研究醫療導航應用的獨特挑戰，并探討從感測器機制到系統特性可能的解決方案，并介紹增強感測性能的方法，如采用卡爾曼濾波等。

　　多軸MEMS傳感器轉化醫療資訊

　　微機電系統（MEMS）已成為大多數人每天都會碰到的成熟技術，它使汽車更安全、增強手機可用性，并能優化工具及運動設備的性能，從而提高對病人的醫療護理水準。

　　用于線性運動檢測的MEMS元件通常是基于一個微加工的多晶矽表面結構，該結構形成于矽晶圓之上，通過多晶矽彈簧懸掛在晶圓的表面上，提供對加速度力的阻力。在加速度下，MEMS軸的偏轉由一個差分電容測量，該差分電容由獨立固定板和活動品質連接板組成。如此一來，運動使差分電容失衡，導致感測器輸出的幅度與加速度成正比。

　　例如汽車因碰撞而突然急劇減速時，安全氣囊感測器中的MEMS軸會產生同樣的運動，使得電容失衡，最終產生訊號觸發安全氣囊打開。此一基本加速度計結構，根據不同的應用性能參數進行調整，并增加資料處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。另有一種技術上相關的結構是陀螺儀，它能檢測旋轉速率，輸出形式為度/秒。

　　透過一個耗電量極低的微型元件，以精確檢測和測量運動的能力，幾乎對任何涉及運動的應用都具價值，表1即按運動類型列出基本醫療應用。

　　盡管簡單的運動檢測有價值，如一個軸上的線性運動，但多數應用皆涉及到多個軸上的多種類型運動。捕捉這種多維運動狀態不僅能帶來新的好處，且能在軸外擾動可能影響單主軸運動測量的情況下，保持精度。

　　為精確測量物件所經歷的運動，必須將多種類型（如線性和旋轉）的感測器結合起來，如加速度計對地球的重力敏感，可用來確定傾角。換言之，讓一個MEMS加速度計在一個±1g重力場中旋轉時（±90度），它能夠將該運動轉換為角度表示。

　　然而，加速度計無法區分靜態加速度（重力）與動態加速度。因此，加速度計可與陀螺儀結合，利用組合元件的附加資料處理能力，可分辨線性加速度與傾斜（即當陀螺儀的輸出顯示旋轉與加速度計記錄的明顯傾斜重合時）。隨著系統的動態程度（運動的軸數和運動自由度）增加，感測器融合過程會變得更加復雜。

　　了解環境對感測器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度，可對其進行校準。事實上，高精度感測器可以重新校準，并自身進行動態補償。另一個不那么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度發生偏移，這種效應稱為線性加速度效應和振動校正，其影響可能很嚴重，具體取決于陀螺儀的品質。在此種情況下，感測器融合同樣能夠提高性能，即利用加速度計來檢測線性加速度，然后利用此資訊和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準資訊進行校正。

　　慣性感測器助陣醫療導航嶄露頭角

　　許多應用要求多自由度的運動檢測，如六軸自由度慣性感測器能夠同時檢測x、y、z軸上的線性加速度和旋轉運動（也稱為滾動、俯仰和偏航）。

　　慣性感測器在工業中用作輔助導航元件已經相當廣泛，通常慣性感測器與GPS等其他導航設備一起使用。當GPS連結不可靠時，慣性導航可利用航位推算技術強化。

　　除最簡單的導航之外，多數解決方案都會依賴多種類型的感測器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學和磁性檢測技術已廣為認知，相關產品也很豐富，然而，每種技術都有其不足之處，即使一起使用，互相之間也不能完全補償彼此的不精確性。MEMS慣性感測器則有可能完全補償感測器的不精確性，因為它不存在上述干擾，且不需要外部基礎結構：無需衛星、磁場或相機，只需慣性。表2列出主要的導航感測器技術及其優缺點。

　　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，慣性感測器可以執行航位推算，從而通過冗余檢測增強系統的可靠性。

　　符合表2所列原則的一個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。本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1度。95%以上的全膝關節置換（TKA）手術，采用機械對準方法，它所產生的典型誤差為3度或更大。

　　使用光學對準的電腦輔助方法已開始取代一些機械程式，但可能由于設備開銷較大，推廣過程緩慢。無論使用機械對準還是光學對準，這些手術中約30%都會有未對準的情況（定義為3度以上的誤差），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，包括縮短手術時間、增強病人舒適感及使關節置換效果更持久。

　　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手術的精度。基于MEMS的慣性感測單元包含所需的全部檢測功能，包括三個線性感測器和三個旋轉感測器，可取代基于機械和光學的對準技術。該元件利用多種類型的感測器和嵌入式處理來動態校正感測器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉檢測的溫度漂移等。通過標準四線串列周邊介面（SPI），可以與這個相對復雜的精密感測器套件輕松連接。

　　MEMS慣性感測器可靠度高（汽車行業20年的應用歷史證明此點），它在手機和視頻游戲中的成功應用，說明它極具吸引力。然而，不同應用對性能的要求大不相同，適合游戲的元件并不能解決本文所述的高性能導航問題。對于導航，重要的MEMS性能指標是偏置漂移、振動影響、靈敏度和雜訊。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數量級。表3列出有助于挑選感測器的一般系統考慮。

　　大多數系統都會整合某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的感測器。卡爾曼濾波器將系統動力學模型、感測器相對精度和其他特定應用的控制輸入納入考慮，有效確定最切合實際的運動情況。高精度慣性感測器（低雜訊、低漂移、相對溫度/時間/振動/電源變化保持穩定）可降低卡爾曼濾波器的復雜度，減少所需冗余感測器的數量，以及減少對容許系統工作方案的限制條件數量。

　　醫療應用復雜度高MEMS技術持續演進

　　雖然感測器已實現各種各樣的醫療應用，從相對簡單的運動捕捉到復雜的運動分析，但醫用感測器的高性能要求提出復雜且涉及到大量計算的設計挑戰。所幸，解決這些新一代醫療挑戰所需的許多原理均基于經工業導航應用驗證的方法，包括感測器融合和處理技術。在醫療導航領域，運動的復雜性以及精度和可靠性要求，將推動多處理器、附加感測器后處理、復雜演算法、復雜測試和補償方案的發展。

　　在消費應用強烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性感測器的同時，某些開發人員同樣重視能夠在各種環境條件下，穩定可靠的高精度、低功耗、高性能感測器。與現有測量和檢測技術相比，這些慣性MEMS元件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性能均有優勢。
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