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微電子機械系統加速度傳感器瞄準醫療領域的應用
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作者:研發部
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發布時間: 2018-08-24
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通過基于微電子機械系統（Micro electro mechanical system,MEMS）的加速傳感器和陀螺儀的設計，MEMS技術已經廣泛應用于導航和游戲軟件領域，但是，微型電磁式感應器技術正越來越多地應用于醫療領域。
MEMS普遍應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。醫務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，醫務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，我們可以測量復雜的向量心電圖（VCG）。向量心電圖是一種傳統的方法，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測或者運動計算機中顯示的圖像一樣。
心電圖可以為我們提供大量相關信息，這些信息包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復情況、患者的軀體和心理壓力情況。但是，心電圖不能很好的檢查患者心臟的機械泵血功能或者心臟的機能。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測。幸運的是，在醫療領域，我們可以通過其他手段來檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監護和心臟沖擊掃描圖（Ballistocardiology, BCG）。機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能。運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防性醫學領域，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可以有效地應用于評估某些疾病的嚴重程度， 如動脈、瓣膜病、冠心病、甚至可以評估患者的壽命。
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，而感應器自身的噪音、環境噪音比較大，同時還可能存在醫療檢查過程中出現的機械頻率響應和振動干擾（如測體重的電子稱和患者的病床）。在病床上監測心臟沖擊掃描圖尤其重要，因為這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進行監測。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會影響患者的日常活動，也不會干擾患者的睡眠。基于這種獨特的優勢，心臟沖擊掃描圖在某些領域內的作用十分顯著，這些領域包括監測患有由于身體或者心理疾病而產生睡眠障礙的患者的心臟功能，以及監測運動員最佳訓練效果從而避免訓練過度。
在一項最新的電子產品設計研究中，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。可靠的信號測量結果是在0.001g（cm/s2）范圍以內，這要求具有優異分辨率的傳感器。日本村田所生產的的SCA121T加速度傳感器能滿足這個條件。SCA121T加速度傳感器的噪聲密度大概為14μg/√Hz。
采用先進的濾波算法可以把心臟沖擊掃描圖信號從病床共振效應和噪聲中分理出來。過濾后的心臟沖擊掃描圖所預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，如立方分米（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確性以及記錄中的濾波算法和計算公式的準確性。
圖四中心臟每搏的時間間隔是心臟每次起搏的時間。心率的差異（HRV）可以通過這種時間間隔及心率變動均數計算得出（參看圖五）。除了把傳感器安裝在病床上之外，SCA121T傳感器也可以安裝在浴室中的電子稱上進行類似的測量。心率結果如圖六所示。
微電子機械系統的硅片傳感器技術集中了各種優勢，包括體積最小，運用刻蝕技術（干和濕）和先進的封蓋（硅片鍵合和玻璃絕緣），接觸（電極可焊接或線接）設計。本文前面所提到的SCA121T傳感器使用了整個硅片作為動量，它可以承受70000克左右的高沖擊。此外，因采用單晶硅結構，它還具有其他主要特點，包括超范圍容量，無機械遲滯現象，無塑性變形。穩定的電容檢測原理可以通過大的平行板電容結合高電容動力學來實現。因此，這種微電機械系統的傳感器就具備優質的信噪比。
當我們根據心臟沖擊掃描圖原理設計心臟監護儀時，設計工程師需要將傳感器的噪聲密度設定為 14 μg/√Hz，從而使心臟監護儀的測量分辨率優于1毫米每平方秒（1mm/s2）。噪聲過濾也是非常關鍵的因素，如建筑物中的機械振動的濾除。對于共振，傳感器需要具備可控的頻率效應，這種效應通常通過機械阻尼來實現。最后，傳感器集成版可以通過先進的信號濾波算法將真實的信號和在現實的檢測環境中出現的任何雜散的干擾信號相互分離。如果出現嚴重的噪聲干擾，這種噪聲的波形與心臟沖擊掃描信號的波形類似，如波幅，頻率和序列，這時我們就需要采用一個額外的加速度傳感器來測量監測環境中出現的加速現象，從而對心臟沖擊描記信號進行補償。此時，匹配兩個加速感應器信號的相位就變得十分重要。
MEMS普遍應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。醫務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，醫務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，我們可以測量復雜的向量心電圖（VCG）。向量心電圖是一種傳統的方法，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測或者運動計算機中顯示的圖像一樣。
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、以及心臟功能恢復情況、患者的軀體和心理壓力情況。但是，心電圖不能很好的檢查患者心臟的機械泵血功能或者心臟的機能。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測。幸運的是，在醫療領域，我們可以通過其他手段來檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監護和心臟沖擊掃描圖（Ballistocardiology, BCG）。機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能。運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防性醫學領域，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可以有效地應用于評估某些疾病的嚴重程度， 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，而感應器自身的噪音、環境噪音比較大，同時還可能存在醫療檢查過程中出現的機械頻率響應和振動干擾（如測體重的電子稱和患者的病床）。在病床上監測心臟沖擊掃描圖尤其重要，因為這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進行監測。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會影響患者的日常活動，也不會干擾患者的睡眠。基于這種獨特的優勢，心臟沖擊掃描圖在某些領域內的作用十分顯著，這些領域包括監測患有由于身體或者心理疾病而產生睡眠障礙的患者的心臟功能，以及監測運動員最佳訓練效果從而避免訓練過度。
在一項最新的電子產品設計研究中，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。可靠的信號測量結果是在0.001g（cm/s2）范圍以內，這要求具有優異分辨率的傳感器。日本村田所生產的的SCA121T加速度傳感器能滿足這個條件。SCA121T加速度傳感器的噪聲密度大概為14μg/√Hz。
圖三：日本村田制作所得加速度傳感器SCA121T從醫院病床上測量患者的心臟沖擊掃描圖波形
采用先進的濾波算法可以把心臟沖擊掃描圖信號從病床共振效應和噪聲中分理出來。過濾后的心臟沖擊掃描圖所預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，如立方分米（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確性以及記錄中的濾波算法和計算公式的準確性。
圖四：估算的每博輸出量
圖四中心臟每搏的時間間隔是心臟每次起搏的時間。心率的差異（HRV）可以通過這種時間間隔及心率變動均數計算得出（參看圖五）。除了把傳感器安裝在病床上之外，SCA121T傳感器也可以安裝在浴室中的電子稱上進行類似的測量。心率結果如圖六所示。
圖五：通過心率變動均數計算心臟搏動的間隔時間和心率變異度（HRV）
圖六：SCA121T加速度傳感器測量浴室電子稱的心臟沖擊掃描圖波形
微電子機械系統的硅片傳感器技術集中了各種優勢，包括體積最小，運用刻蝕技術（干和濕）和先進的封蓋（硅片鍵合和玻璃絕緣），接觸（電極可焊接或線接）設計。本文前面所提到的SCA121T傳感器使用了整個硅片作為動量，它可以承受70000克左右的高沖擊。此外，因采用單晶硅結構，它還具有其他主要特點，包括超范圍容量，無機械遲滯現象，無塑性變形。穩定的電容檢測原理可以通過大的平行板電容結合高電容動力學來實現。因此，這種微電機械系統的傳感器就具備優質的信噪比。
當我們根據心臟沖擊掃描圖原理設計心臟監護儀時，設計工程師需要將傳感器的噪聲密度設定為 14 μg/√Hz，從而使心臟監護儀的測量分辨率優于1毫米每平方秒（1mm/s2）。噪聲過濾也是非常關鍵的因素，如建筑物中的機械振動的濾除。對于共振，傳感器需要具備可控的頻率效應，這種效應通常通過機械阻尼來實現。最后，傳感器集成版可以通過先進的信號濾波算法將真實的信號和在現實的檢測環境中出現的任何雜散的干擾信號相互分離。如果出現嚴重的噪聲干擾，這種噪聲的波形與心臟沖擊掃描信號的波形類似，如波幅，頻率和序列，這時我們就需要采用一個額外的加速度傳感器來測量監測環境中出現的加速現象，從而對心臟沖擊描記信號進行補償。此時，匹配兩個加速感應器信號的相位就變得十分重要。
圖七：高度精確的電容加速度感應元件的簡化圖
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