導航——從車輛到手術(shù)儀器

慣性傳感器在工業(yè)中用作輔助導航器件已經(jīng)相當廣泛。通常，慣性傳感器與GPS等其他導航設(shè)備一起使用。當GPS訪問不可靠時，慣性導航可以利用所謂航位推算技術(shù)來彌補空隙。除了最簡單的導航之外，多數(shù)解決方案都會依賴多種類型的傳感器，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(shù)已廣為認知，相關(guān)產(chǎn)品也很豐富。然而，每種技術(shù)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慣性傳感器則有可能完全補償傳感器的不精確性，因為它不存在上述干擾，并且不需要外部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：無需衛(wèi)星、磁場或相機，只需慣性。

就像車輛導航設(shè)備會發(fā)生GPS遮擋問題一樣，醫(yī)療系統(tǒng)所用的光學導航技術(shù)也會遇到視線遮擋問題。發(fā)生光學遮擋時，慣性傳感器可以執(zhí)行航位推算，從而通過冗余檢測增強系統(tǒng)的可靠性。

醫(yī)療導航

本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1°。95%以上的全膝關(guān)節(jié)置換(TKA)手術(shù)采用機械對準方法，它所產(chǎn)生的典型誤差為3°或更大。使用光學對準的計算機輔助方法已經(jīng)開始取代一些機械程序，但可能由于設(shè)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(shù)中大約30%都會有未對準的情況(定義為3°以上的誤差)，使病人感覺不舒服，常常需要進行額外的手術(shù)。降低對準誤差的可能好處包括：縮短手術(shù)時間、增強病人舒適感以及使關(guān)節(jié)置換效果更持久。

完整多軸慣性測量單元(IMU)形式的慣性傳感器已證明能夠顯著提高TKA手術(shù)的精度。ADIS16334(圖2)等器件包含所需的全部檢測功能——三個線性傳感器和三個旋轉(zhuǎn)傳感器，可取代基于機械和光學的對準技術(shù)。該器件利用多種類型的傳感器和嵌入式處理來動態(tài)校正傳感器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉(zhuǎn)檢測的溫度漂移等。通過標準4線串行外設(shè)接口(SPI)，可以與這個相對復雜的精密傳感器套件輕松接口。

MEMS慣性傳感器可靠度高(汽車行業(yè)20年的應用歷史證明了這一點)，它在手機和視頻游戲中的成功應用說明它在商業(yè)上極具吸引力。然而，不同應用對性能的要求大不相同，適合游戲的器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、靈敏度和噪聲。精密工業(yè)和醫(yī)療導航所需的性能水平通常比消費電子設(shè)備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個數(shù)量級。

大多數(shù)系統(tǒng)都會集成某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的傳感器?？柭鼮V波器將系統(tǒng)動力學模型、傳感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。高精度慣性傳感器(低噪聲、低漂移、相對溫度/時間/振動/電源變化保持穩(wěn)定)可以降低卡爾曼濾波器的復雜度，減少所需冗余傳感器的數(shù)量，以及減少對容許系統(tǒng)工作方案的限制條件數(shù)量。

醫(yī)療MEMS的復雜性

雖然傳感器已實現(xiàn)各種各樣的醫(yī)療應用，從相對簡單的運動捕捉到復雜的運動分析，但醫(yī)用傳感器的高性能要求提出了復雜且涉及到大量計算的設(shè)計挑戰(zhàn)。幸運的是，解決這些新一代醫(yī)療挑戰(zhàn)所需的許多原理均基于經(jīng)工業(yè)導航應用驗證的方法，包括傳感器融合和處理技術(shù)。在醫(yī)療導航領(lǐng)域，運動的復雜性以及精度和可靠性要求將推動多處理器、附加傳感器后處理、復雜算法、復雜測試和補償方案的發(fā)展。

在消費應用強烈追求小尺寸、低功耗、多軸慣性傳感器的同時，某些開發(fā)人員同樣重視能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定可靠的高精度、低功耗、高性能傳感器。與現(xiàn)有測量和檢測技術(shù)相比，這些慣性MEMS器件在精度、尺寸、功耗、冗余度和可及性上均有優(yōu)勢。