慣性傳感器在工業(yè)中用作輔助導航器件已經相當廣泛。通常，慣性傳感器與GPS等其他導航設備一起使用。當GPS訪問不可靠時，慣性導航可以利用所謂航位推算技術來彌補空隙。除了最簡單的導航之外，多數解決方案都會依賴多種類型的傳感器，在所有條件下提供所需的精度和性能。GPS、光學和磁性檢測技術已廣為認知，相關產品也很豐富。然而，每種技術都有其不足之處，即使一起使用，互相之間也不能完全補償彼此的不精確性。MEMS慣性傳感器則有可能完全補償傳感器的不精確性，因為它不存在上述干擾，并且不需要外部基礎結構：無需衛(wèi)星、磁場或相機，只需慣性。表2列出了主要的導航傳感器技術及其優(yōu)缺點。

　　表2 廣泛應用的導航傳感器及其對醫(yī)療導航的適用性

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　　就像車輛導航設備會發(fā)生GPS遮擋問題一樣，醫(yī)療系統(tǒng)所用的光學導航技術也會遇到視線遮擋問題。發(fā)生光學遮擋時，慣性傳感器可以執(zhí)行航位推算，從而通過冗余檢測增強系統(tǒng)的可靠性。

　　2.3 醫(yī)療導航

　　符合表2所列原則的一個醫(yī)療應用是在手術室使用慣性傳感器，使人工膝關節(jié)或髖關節(jié)能夠與病人獨特的骨骼結構更精確地對準。本例的目標是讓植入體與患者自然軸的對準誤差小于1°。95%以上的全膝關節(jié)置換(TKA)手術采用機械對準方法，它所產生的典型誤差為3°或更大。使用光學對準的計算機輔助方法已經開始取代一些機械程序，但可能由于設備開銷較大，推廣過程緩慢。無論使用機械對準還是光學對準，這些手術中大約30%都會有未對準的情況(定義為3°以上的誤差)，使病人感覺不舒服，常常需要進行額外的手術。降低對準誤差的可能好處包括：縮短手術時間、增強病人舒適感以及使關節(jié)置換效果更持久。

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　　圖2 基于MEMS的慣性測量單元提供6自由度運動測量， 結構緊湊，適合用于手術儀器

　　完整多軸慣性測量單元(IMU)形式的慣性傳感器已證明能夠顯著提高TKA手術的精度。ADIS16334(圖2)等器件包含所需的全部檢測功能--三個線性傳感器和三個旋轉傳感器，可取代基于機械和光學的對準技術。該器件利用多種類型的傳感器和嵌入式處理來動態(tài)校正傳感器漂移，如陀螺儀的線性加速度偏移、線性和旋轉檢測的溫度漂移等。通過標準4線串行外設接口(SPI)，可以與這個相對復雜的精密傳感器套件輕松接口。

　　MEMS慣性傳感器可靠度高(汽車行業(yè)20年的應用歷史證明了這一點)，它在手機和視頻游戲中的成功應用說明它在商業(yè)上極具吸引力。然而，不同應用對性能的要求大不相同，適合游戲的器件并不能解決本文所述的高性能導航問題。對于導航，重要的MEMS性能指標是偏置漂移、振動影響、靈敏度和噪聲。精密工業(yè)和醫(yī)療導航所需的性能水平通常比消費電子設備所用MEMS傳感器的性能水平高出一個數量級。表3列出了有助于傳感器選型的一般系統(tǒng)考慮。

　　表3 系統(tǒng)目標/約束條件有助于傳感器選型

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　　大多數系統(tǒng)都會集成某種形式的卡爾曼濾波器，以便有效合并多種類型的傳感器?？柭鼮V波器將系統(tǒng)動力學模型、傳感器相對精度和其他特定應用的控制輸入納入考慮，有效確定最切合實際的運動情況。高精度慣性傳感器(低噪聲、低漂移、相對溫度/時間/振動/電源變化保持穩(wěn)定)可以降低卡爾曼濾波器的復雜度，減少所需冗余傳感器的數量，以及減少對容許系統(tǒng)工作方案的限制條件數量。

　　3 醫(yī)療MEMS的復雜性

　　雖然傳感器已實現各種各樣的醫(yī)療應用，從相對簡單的運動捕捉到復雜的運動分析，但醫(yī)用傳感器的高性能要求提出了復雜且涉及到大量計算的設計挑戰(zhàn)。幸運的是，解決這些新一代醫(yī)療挑戰(zhàn)所需的許多原理均基于經工業(yè)導航應用驗證的方法，包括傳感器融合和處理技術。在醫(yī)療導航領域，運動的復雜性以及精度和可靠性要求將推動多處理器、附加傳感器后處理、復雜算法、復雜測試和補償方案的發(fā)展。