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MEMS加快传感器瞄准医疗范畴使用

通过基于微电子机械系统(MICROELECTROMECHANICALSYSTEM,MEMS)的加速传感器和陀螺仪的设计,MEMS技术已经广泛应用于导航和游戏软件

经过依据微电子机械体系(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM, MEMS)的加快传感器和陀螺仪的规划,MEMS技能现已广泛应用于导航和游戏软件范畴;可是,微型电磁式感应器技能正越来越多地应用于医疗范畴。

MEMS遍及应用于患者确诊器械中。这种确诊器械用于检测患者心脏的功用。医务人员一般选用的办法是经过心电图来查看患者心脏功用状况。在心电图查看进程中,医务人员会将一套电极连接在人体上,使其与皮肤外表触摸。经过这种办法,咱们能够丈量杂乱的向量心电图(VCG)。向量心电图是一种传统的办法,它能够记载患者心电P-QRS-T波的振幅和时刻或许只是记载R波峰值的时刻。这种向量心电图跟图一所示的心率监测或许运动核算机中显现的图画相同。

图一:心电图中的P-QRS-T波。

心电图能够为咱们供给很多相关信息,这些信息包含心脏功用妨碍、心脏疾病、以及心脏功用康复状况、患者的躯体和心理压力状况。可是,心电图不能很好地查看患者心脏的机械泵血功用或许心脏的机能。此外,这些电极或许会搅扰患者的日常日子,特别是搅扰患者的娱乐活动和夜间的心电监测。走运的是,在医疗范畴,咱们能够经过其他手法来查看心脏的功用状况,如心脏超声监护和心脏冲击扫描图(Ballistocardiology, BCG)。机械式心冲击扫描图记载着心脏的电信号,可是其信号推迟30到40微秒。

使用心脏冲击扫描图,咱们能够经过检测胸部的动力和加快状况记载心脏的机械活动。此外,还有一种办法,经过遥控心脏冲击扫描图,咱们能够检测心脏的泵血机能。运用遥控心脏冲击扫描图,咱们能够不需求将电极或许器械触摸到患者的皮肤外表。这种办法关于检测患者日常日子进程中的心电活动是一种很大的优势。因为血流一般朝一个方向活动,因而咱们能够只需求记载在一个轴的血流方向即可,例如人从头到脚的长度轴向。

心脏冲击扫描图能够很好地用于防备性医学范畴,如用于检测身体和心理压力状况或许用于检测前期冠心病。图二中显现的波幅丈量的是心脏的每搏输出量:从时刻上看,咱们能够推断出心脏的功用状况、心率、以及心率的变异状况。心率的变异状况很好地记载了该患者的康复状况和在检测进程中接受的压力状况。图二中的振幅I和IJ能够有效地应用于评价某些疾病的严峻程度, 如动脉瓣膜病、冠心病、乃至能够评价患者的寿数。

图二:心脏冲击扫描图波形。

经过加快传感器记载心脏的冲击信号有很大的难度,心脏活动的加快信号十分低弱,而感应器本身的噪音、环境噪音比较大,一起还或许存在医疗查看进程中呈现的机械频率响应和振荡搅扰(如测体重的电子称和患者的病床)。在病床上监测心脏冲击扫描图特别重要,因为这种心脏冲击扫描图能够在不搅扰患者睡觉的状况下,对患者的身体健康和功用康复进行监测。心脏冲击扫描图不需求电极触摸,因而不会影响患者的日常活动,也不会搅扰患者的睡觉。依据这种共同的优势,心脏冲击扫描图在某些范畴的作用十分明显,这些范畴包含监测患有因为身体或许心理疾病而发生睡觉妨碍的患者的心脏功用,以及监测运动员最佳练习作用然后防止练习过度。

在一项最新的电子产品规划研讨中,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讨,并将患者的病床活动从心脏冲击扫描图信号中别离出来。经过如此处理后的心脏冲击扫描图信号如图三所示。该图显现跟着时刻的推移,病床的共振对心脏冲击扫描图信号及其推迟有必定的影响。牢靠的信号丈量成果是在10-3g(cm/s2)规模以内,这要求具有优异分辨率的传感器。日本村田制作所出产的SCA121T加快传感器能满意这个要求。SCA121T加快传感器的噪音密度大约为14μg/√Hz.

图三:日本村田制作所的加快传感器SCA121T从医院病床上丈量患者的心脏冲击扫描图波形。

选用先进的滤波算法能够把心脏冲击扫描图信号从病床共振效应和噪声中别离出来。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。因为心脏搏动到加快度记载的转化进程需求校正到绝对值,心脏每搏输出量在此图以任一单位表明,如立方分米(dm3)。图四中的心脏每搏输出量的差异只需不是太大就能够较好的用于评价心脏冲击扫描图记载的准确性以及记载中的滤波算法和核算公式的准确性。

图四:预算的每搏输出量。

图四中心脏每搏的时刻距离是心脏每次起搏的时刻。心率的差异(HRV)能够经过这种时刻距离及心率变化均数核算得出(参看图五)。除了把传感器安装在病床上测验之外,SCA121T传感器也能够安装在澡堂中的电子称上进行相似的丈量。心率成果如图六所示。

图五:经过心率变化均数核算心脏搏动的距离时刻和心率变异度(HRV)。

图六:SCA121T加快感传感丈量澡堂电子称的心脏冲击扫描图波形。

微电子机械体系的硅片传感器技能集中了各种优势,包含体积最小,运用刻蚀技能(干和湿)和先进的封盖(硅片键合和玻璃绝缘)、触摸(电极可焊接或线接)规划。本文前面所说到的SCA121T传感器使用了整个硅片作为动量,它能够接受70000克左右的高冲击。此外,因选用单晶硅结构,它还具有其他主要特点,包含超规模容量、无机械迟滞现象,无塑性变形。安稳的电容检测原理能够经过大的平行板电容结合高电容动力学来完成。因而,这种微电机械体系的传感器就具有优质的信噪比。

当咱们依据心脏冲击扫描图原理规划心脏监护仪时,规划工程师需求将传感器的噪声密度设定为14μg/√Hz,然后使心脏监护仪的丈量分辨率优于一毫米每平方秒(1mm/S2)。噪音过滤也是十分要害的要素,如建筑物中的机械振荡的滤除。关于共振,传感器需求具有可控的频率效应,这种效应一般经过机械阻尼来完成。最终,传感器集成版能够经过先进的信号滤波算法将实在的信号和在实际的检测环境中呈现的任何杂散的搅扰信号彼此别离。假如呈现严峻的噪音搅扰,这种噪音的波形与心脏冲击描计信号的波形相似,如波幅、频率和序列,这时咱们就需求选用一个额定的加快传感器来丈量监测环境中呈现的加快现象,然后对心脏冲击描记信号进行补偿。此刻,匹配两个加快感应器信号的相位就变得十分重要。

图七:高度准确的%&&&&&%加快感应元件的简化图。

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