Ứng dụng của cảm biến MEMS trong y tế – Phần 1: Giới thiệu

Ghi chú: Bài dịch này là một phần trong loạt 3 bài giới thiệu về ứng dụng của cảm biến MEMS trong y tế.

• Phần 1: Giới thiệu
• Phần 2: Cảm biến chuyển động
• Phần 3: Lựa chọn cảm biến

Cảm biến chuyển động trong y tế cũng chẳng kém gì các hệ thống quân sự cao cấp

Tính năng nhận biết và phân tích chuyển động dựa trên các hệ thống vi cơ điện (Microelectromechanical system hay MEMS) đã trở nên phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng cũng như các thiết bị di động. Các tiến bộ trong lĩnh vực nhận biết chuyển động với độ chính xác cao đã đưa công nghệ này vào trong cả các ứng dụng công nghiệp. Có rất nhiều ứng dụng về chẩn đoán và đo đạc y tế có thể khai thác các lợi thế từ việc kết hợp độ chính xác của các thiết bị công nghiệp với tính cơ động và kinh tế của các thiết bị tiêu dùng.

Đôi khi, khả năng nhận biết chuyển động của các hệ thống sử dụng trong lĩnh vực y tế cũng chẳng thua kém gì các hệ thống quân sự cao cấp. Ví dụ như hoạt động định hướng chính xác, thường xuất hiện trong các ứng dụng cho phương tiện đường bộ, đường không và đường biển, đang dần được sử dụng nhiều hơn trong các ứng dụng y tế trải rộng từ dụng cụ phẫu thuật tới sử dụng rôbốt. Thêm vào đó, cho dù các yêu cầu về thiết kế cho hệ thống định hướng trong phẫu thuật và cho các hệ thống định hướng truyền thống trong các khí tài quân sự có nhiều điểm tương đồng, thì vẫn có những yêu cầu đặc biệt khác phát sinh từ điều kiện hoạt động và khả năng vận hành.

Hình 1: Các cấu trúc MEMS làm từ silicon phát hiện gia tốc và chuyển động quay rồi chuyển đổi thông tin này sang dạng điện có độ chính xác cao nhờ quá trình xử lý tín hiệu. Nguồn EE Times.

Trước tiên, bài viết này sẽ trình bày một số kiến thức cơ bản về cảm biến chuyển động dùng công nghệ MEMS, bao gồm cả những điều cần biết khi lựa chọn cảm biến. Sau đó, bài viết bàn về các thách thức đặc thù trong các ứng dụng định hướng trong y tế, và khảo sát các giải pháp khả thi theo nhiều hướng, từ các cơ chế hoạt động của cảm biến, đến việc xử lý tín hiệu từ các cảm biến này, đến các đặc tính hệ thống và phương pháp xử lý dữ liệu cần thiết nhằm đạt được những giải pháp tối ưu. Các chi tiết kỹ thuật quan trọng của phần tử cảm biến sẽ được giải thích. Quan trọng hơn nữa, các cơ chế gây ra sai lệch và lỗi trong cảm biến cũng sẽ được thảo luận để làm cơ sở cho việc lựa chọn cảm biến. Các cơ hội và giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng của cảm biến bằng việc tích hợp, hay sử dụng cảm biến liên hợp, và xử lý tín hiệu cảm biến (như sử dụng giải thuật lọc Kalman) cũng sẽ được trình bày.

Cảm biến chuyển động cải tiến và tăng cường chất lượng dịch vụ y tế

Ngày nay, các cảm biến gia tốc (gia tốc kế – đo gia tốc) và con quay hồi chuyển (thiết bị để nhận biết góc quay) được chế tạo bằng silicon, được gọi ngắn gọn là MEMS (Hình 1), có mặt trong rất nhiều loại thiết bị điện, điện tử. Những cảm biến dựa trên cơ chế quán tính, tiêu thụ ít điện năng, và có kích cỡ nhỏ như thế này rất có ích đối với bất kỳ ứng dụng nào có liên quan tới chuyển động, và thậm chí với những ứng dụng mà sự bất động là điều tối quan trọng. Bảng 1 liệt kê một số ứng dụng y tế cụ thể sử dụng tới cảm biến chuyển động. Các ứng dụng ở cấp cao hơn yêu cầu kết hợp nhiều loại cảm biến chuyển động, mà trong trường hợp phức tạp sẽ làm nảy sinh thêm nhiều vấn đề khác, sẽ được bàn tới trong phần sau của bài.

Bảng 1: Các cảm biến sử dụng quán tính nhận biết một cách chính xác các chuyển động phức tạp đã trở nên phổ biến trong y tế.