利用MEMS对患者活动进行研究 - 微电子机械系统加速传感器瞄准医疗领域的应用

　　在一项最新的电子产品设计研究中，日本村田制作所（Murata）的电子工程师对住院病人在病床上的活动进行了研究，并将患者的病床活动从心脏冲击扫描图信号中分离出来。经过如此处理后的心脏冲击扫描图信号如图三所示。该图显示随着时间的推移，病床的共振对心脏冲击扫描图信号及其延迟有一定的影响。可靠的信号测量结果是在 10-3g （cm/s2）范围以内，这要求具有优异分辨率的传感器。日本村田制作所生产的SCA121T加速传感器能满足这个要求。SCA121T加速传感器的噪音密度大概为14µg/√Hz。

　　采用先进的滤波算法可以把心脏冲击扫描图信号从病床共振效应和噪声中分离出来。过滤后的心脏冲击扫描图所预估的心率和心脏每搏输出量如图四所示。由于心脏搏动到加速度记录的转换过程需要校正到绝对值，心脏每搏输出量在此图以任一单位表示，如立方分米（dm3）。图四中的心脏每搏输出量的差异只要不是太大就可以较好的用于评估心脏冲击扫描图记录的准确性以及记录中的滤波算法和计算公式的准确性。

　　

　　图四：估算的每搏输出量。

　　图四中心脏每搏的时间间隔是心脏每次起搏的时间。心率的差异（HRV）可以通过这种时间间隔及心率变动均数计算得出（参看图五）。除了把传感器安装在病床上测试之外，SCA121T传感器也可以安装在浴室中的电子称上进行类似的测量。心率结果如图六所示。

　　

　　图五：通过心率变动均数计算心脏搏动的间隔时间和心率变异度（HRV）。

　　

　　图六：SCA121T加速感传感测量浴室电子称的心脏冲击扫描图波形。

　　微电子机械系统的硅片传感器技术集中了各种优势，包括体积最小，运用刻蚀技术（干和湿）和先进的封盖（硅片键合和玻璃绝缘）、接触（电极可焊接或线接）设计。本文前面所提到的SCA121T传感器使用了整个硅片作为动量，它可以承受70000克左右的高冲击。此外，因采用单晶硅结构，它还具有其他主要特点，包括超范围容量、无机械迟滞现象，无塑性变形。稳定的电容检测原理可以通过大的平行板电容结合高电容动力学来实现。因此，这种微电机械系统的传感器就具备优质的信噪比。

　　当我们根据心脏冲击扫描图原理设计心脏监护仪时，设计工程师需要将传感器的噪声密度设定为 14 µg/√Hz，从而使心脏监护仪的测量分辨率优于一毫米每平方秒（1mm/S2）。噪音过滤也是非常关键的因素，如建筑物中的机械振动的滤除。对于共振，传感器需要具备可控的频率效应，这种效应通常通过机械阻尼来实现。最后，传感器集成版可以通过先进的信号滤波算法将真实的信号和在现实的检测环境中出现的任何杂散的干扰信号相互分离。如果出现严重的噪音干扰，这种噪音的波形与心脏冲击描计信号的波形类似，如波幅、频率和序列，这时我们就需要采用一个额外的加速传感器来测量监测环境中出现的加速现象，从而对心脏冲击描记信号进行补偿。此时，匹配两个加速感应器信号的相位就变得十分重要。

　　

　　图七：高度精确的电容加速感应元件的简化图。