基于MEMS的系統可以顯著提高髖關節和膝關節植入體與病人骨骼結構的對準精度，減輕不舒適感，從而避免進行修正手術。

　　本文將研究醫療導航應用的獨特挑戰，并且探討可能的解決方案--從傳感器機制到系統特性。首先將回顧傳感器的一些重要性能指標，以及在傳感器選型中應當考慮的潛在誤差和漂移機制。本文還會重點介紹通過集成、融合和處理來增強傳感器的方法，例如通過采用卡爾曼濾波。然而，在展開詳細論述之前，回顧慣性微機電系統(MEMS)傳感器技術的一些基本原理可能會有幫助。

　　1 MEMS基本原理

　　一度被認為是奇思異想的MEMS技術，現已成為我們大多數人每天都會碰到的成熟技術。它使我們的汽車更加安全，增強了手機的可用性，能夠測量和優化工具及運動設備的性能，并且不斷提高對住院病人和門診病人的醫療護理水平。

　　表1 按運動類型劃分的醫療應用

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　　用于線性運動檢測的MEMS器件通常是基于一個微加工的多晶硅表面結構，該結構形成于硅晶圓之上，通過多晶硅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質量連接板組成。這樣，運動使差分電容失衡，導致傳感器輸出的幅度與加速度成正比。舉一個大家熟悉的例子，

　　當汽車由于碰撞而突然急劇減速時，安全氣囊傳感器中的MEMS軸會產生同樣的運動，使得電容失衡，最終產生信號觸發安全氣囊打開。這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數據處理功能后，可以精確地指示傾斜度、速度甚至位置。還有一種與此不同但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;加速度計則是檢測重力。

　　2 將運動檢測轉化為對醫療保健有用的信息

　　通過一個功耗極低的緊湊器件來精確檢測和測量運動的能力，幾乎對任何涉及到運動的應用都是有價值的，甚至對那些運動要求不是很關鍵的應用也是有價值的。表1按運動類型列出了一些基本醫療應用。需要解決更多挑戰的更高級應用將在稍后討論。

　　2.1　超越簡單的運動檢測

　　雖然簡單的運動檢測，例如一個軸上的線性運動，可能很有價值，但多數應用都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，而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。

　　許多情況下，為了精確測定對象所經歷的運動，必須將多種類型(例如線性和旋轉)的傳感器結合起來。例如，加速度計對地球的重力敏感，可以用來確定傾角。換言之，讓一個MEMS加速度計在一個+/-1g重力場中旋轉時(+/-90°)，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。這種情況下，加速度計可以與陀螺儀結合，利用組合器件的附加數據處理能力可以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視在傾斜重合時)。隨著系統的動態程度(運動的軸數和運動自由度)增加，傳感器融合過程會變得更加復雜。

　　了解環境對傳感器精度的影響也很重要。顯而易見的一個因素是溫度，可以對其進行校準;事實上，高精度傳感器可以重新校準，并且自身進行動態補償。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傳感器的精度發生偏移，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質量。在這種情況下，傳感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，然后利用此信息和陀螺儀線性加速度靈敏度的校準信息進行校正。

　　許多應用要求多自由度的運動檢測。例如，6自由度慣性傳感器能夠同時檢測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)，參見圖1。

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　　圖1 全運動評估所需的6自由度運動測量：x、y、z軸線性運動和滾動、俯仰、偏航角速率轉動