图1:全运动评估所需的6自由度运动测量:x、y、z轴线性运动和滚动、俯仰、偏航角速率转动
导航——从车辆到手术仪器
惯性传感器在工业中用作辅助导航器件已经相当广泛。通常,惯性传感器与GPS等其他导航设备一起使用。当GPS访问不可靠时,惯性导航可以利用所谓航位推算技术来弥补空隙。除了最简单的导航之外,多数解决方案都会依赖多种类型的传感器,在所有条件下提供所需的精度和性能。GPS、光学和磁性检测技术已广为认知,相关产品也很丰富。然而,每种技术都有其不足之处,即使一起使用,互相之间也不能完全补偿彼此的不精确性。MEMS惯性传感器则有可能完全补偿传感器的不精确性,因为它不存在上述干扰,并且不需要外部基础结构:无需卫星、磁场或相机,只需惯性。表II列出了主要的导航传感器技术及其优缺点。
表II:广泛应用的导航传感器及其对医疗导航的适用性
就像车辆导航设备会发生GPS遮挡问题一样,医疗系统所用的光学导航技术也会遇到视线遮挡问题。发生光学遮挡时,惯性传感器可以执行航位推算,从而通过冗余检测增强系统的可靠性。
医疗导航
符合表II所列原则的一个医疗应用是在手术室使用惯性传感器,使人工膝关节或髋关节能够与病人独特的骨骼结构更精确地对准。本例的目标是让植入体与患者自然轴的对准误差小于1°。95%以上的全膝关节置换(TKA)手术采用机械对准方法,它所产生的典型误差为3°或更大。使用光学对准的计算机辅助方法已经开始取代一些机械程序,但可能由于设备开销较大,推广过程缓慢。无论使用机械对准还是光学对准,这些手术中大约30%都会有未对准的情况(定义为3°以上的误差),使病人感觉不舒服,常常需要进行额外的手术。降低对准误差的可能好处包括:缩短手术时间、增强病人舒适感以及使关节置换效果更持久。
图2:基于MEMS的惯性测量单元提供6自由度运动测量, 结构紧凑,适合用于手术仪器
完整多轴惯性测量单元(IMU)形式的惯性传感器已证明能够显著提高TKA手术的精度。ADIS16334(图2)等器件包含所需的全部检测功能——三个线性传感器和三个旋转传感器,可取代基于机械和光学的对准技术。该器件利用多种类型的传感器和嵌入式处理来动态校正传感器漂移,如陀螺仪的线性加速度偏移、线性和旋转检测的温度漂移等。通过标准4线串行外设接口(SPI),可以与这个相对复杂的精密传感器套件轻松接口。
MEMS惯性传感器可靠度高(汽车行业20年的应用历史证明了这一点),它在手机和视频游戏中的成功应用说明它在商业上极具吸引力。然而,不同应用对性能的要求大不相同,适合游戏的器件并不能解决本文所述的高性能导航问题。对于导航,重要的MEMS性能指标是偏置漂移、振动影响、灵敏度和噪声。精密工业和医疗导航所需的性能水平通常比消费电子设备所用MEMS传感器的性能水平高出一个数量级。表III列出了有助于传感器选型的一般系统考虑。
表III:系统目标/约束条件有助于传感器选型