Ứng dụng của cảm biến MEMS trong y tế – Phần 2: Cảm biến chuyển động

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

Các công cụ đo đạc và chẩn đoán y tế mới hoạt động nhờ cảm biến chuyển động

Có rất nhiều ứng dụng y tế như xác định vị trí và tốc độ lặp lại khi hô hấp nhân tạo (CPR), hay như xác định vị trí tương đối của máy quét so với cơ thể bệnh nhân, có thể được cải thiện chỉ cần dựa vào thông tin vị trí đơn giản nhưng chính xác. Trong những trường hợp như thế này, sử dụng một cảm biến có lẽ là đủ, nhất là khi đã có những thông tin cảm biến khác, hay thậm chí chỉ biết các giới hạn của chuyển động và hoàn cảnh sử dụng.

Ngay cả với các chuyển động trong phạm vi hẹp, hay chuyển động đơn giản, thì các cảm biến cũng vẫn phải có các hệ số sai lệch đã được tìm hiểu kỹ càng và có thể điều chỉnh được. Thêm vào đó, những hệ thống cảm biến kiểu này còn cần kèm theo tính năng bù cùng với khả năng tinh chỉnh các tham số cho phù hợp với từng ứng dụng bằng các giải thuật được tích hợp sẵn.

Chuyển động phức tạp cần tới cảm biến chính xác

Cho dù khả năng phát hiện chuyển động đơn giản như chuyển động tịnh tiến trên một trục cố định có thể có một số ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như phát hiện liệu cụ già có bị ngã, thì phần lớn các ứng dụng lại cần sự kết hợp của nhiều kiểu cảm biến, trên nhiều trục chuyển động. Khả năng nhận biết chuyển động phức tạp, đa chiều này sẽ đem lại nhiều lợi ích mới mà vẫn duy trì được độ chính xác trong cả những môi trường khắc nghiệt nhất.

Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp nhiều loại cảm biến, chẳng hạn như cảm biến tuyến tính với cảm biến xoay, nhằm xác định một cách chính xác chuyển động của đối tượng, là rất cần thiết. Lấy ví dụ, các gia tốc kế rất nhạy với sức hấp dẫn của trái đất, do vậy có thể sử dụng chúng để xác định góc nghiêng. Khi một gia tốc kế MEMS đi qua một trường hấp dẫn ±1-g (g là hằng số hấp dẫn), tương đương với góc ±90º, nó có thể dùng thông tin về chuyển động thu được để tính toán góc nghiêng. Tuy nhiên, gia tốc kế không thể phân biệt được gia tốc tĩnh (lực hấp dẫn) với gia tốc động. Đối với gia tốc động, ta có thể dùng kết hợp gia tốc kế và cảm biến con quay hồi chuyển, sau đó xử lý thông tin thu được từ chúng dựa trên các mô hình động học có sẵn để nhận ra gia tốc tuyến tính trong chuyển động nghiêng. Hiển nhiên là việc sử dụng phối hợp các cảm biến này sẽ trở nên phức tạp hơn khi quy mô động học của hệ thống (số lượng trục chuyển động và số bậc tự do của chuyển động,) tăng lên.

Hiểu rõ ảnh hưởng của môi trường tới độ chính xác của cảm biến cũng là điều rất quan trọng. Nhiệt độ luôn là mối lo ngại chính, nhưng ảnh hưởng của nhiệt độ cũng thường có thể hiệu chỉnh lại được. Thực tế thì các cảm biến có độ chính xác cao thường được tinh chỉnh trước và có khả năng tự động bù trong khi vận hành. Một yếu tố khác, tuy không dễ nhận thấy bằng, nhưng vẫn cần lưu ý tới là khả năng một rung động dù nhỏ cũng có thể làm thay đổi độ chính xác của các cảm biến tốc độ quay. Những tác động dạng này, được biết đến dưới cái tên gia tốc tuyến tính (linear acceleration) và chỉnh lưu rung* (vibration rectification), có thể gây sai số lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào chất lượng của con quay hồi chuyển. Đối với sai số do gia tốc tuyến tính gây ra ở con quay hồi chuyển thì có thể sử dụng một cảm biến để phát hiện gia tốc này rồi loại bỏ nó ra khỏi đáp ứng của con quay hồi chuyển thông qua quá trình xử lý tín hiệu.

Nhiều ứng dụng, nhất là những ứng dụng yêu cầu thông tin nằm ngoài những thông tin như chỉ hướng cơ bản (trên, dưới, phải, trái) hay trạng thái chuyển động (đang di chuyển hay đứng yên), cần tới khả năng phát hiện chuyển động với nhiều bậc tự do. Ví dụ như một cảm biến quán tính với sáu bậc tự do có khả năng phát hiện gia tốc tịnh tiến trên cả ba trục (x, y, z), và chuyển động quay cũng trên ba trục này, tạm gọi là chuyển động xoay dọc (roll), xoay ngang (pitch), và xoay đứng (yaw), được trình bày trong Hình 2.

Hình 2 Chuyển động tịnh tiến x, y, và z, cùng với xoay dọc, ngang, và đứng tạo nên phép đo chuyển động 6 bậc tự do, đủ để mô tả toàn bộ một chuyển động. Hệ thống thường được bổ trợ bằng từ kế (magnetometer) và khí áp kế (barometer). Nguồn EE Times.

Các nguyên lý cơ bản của định hướng

Việc sử dụng các cảm biến quán tính để bổ trợ cho hoạt động định hướng đã trở nên rất phổ biến trong lĩnh vực công nghiệp. Thông thường chúng được dùng kèm với các thiết bị định hướng khác như GPS (Global Positioning System). Do GPS hoạt động dựa vào kết nối giữa thiết bị GPS và các vệ tinh trên quỹ đạo nên khi kết nối này không ổn định và không còn đáng tin cậy thì các cảm biến quán tính sẽ được sử dụng để tiếp tục chỉ đường. Quá trình này được gọi là định hướng độc lập (dead-reckoning). Các loại cảm biến khác như cảm biến ánh sáng và cảm biến từ trường cũng có thể được dùng kèm, tùy theo mục tiêu về hiệu năng hay điều kiện môi trường. Mỗi loại cảm biến đều có những điểm yếu riêng. Cảm biến quán tính dạng MEMS có khả năng bù đắp cho độ chính xác của các loại cảm biến khác do chúng không bị ảnh hưởng bởi cùng các can nhiễu có khả năng gây sai số cho các loại cảm biến khác. Ngoài ra cảm biến dạng MEMS chỉ dựa vào quán tính mà không cần tới các yếu tố hạ tầng bên ngoài như vệ tinh, từ trường, hay máy ghi hình. Các kiểu cảm biến định hướng chính được liệt kê cùng với điểm mạnh và các hạn chế trong Bảng 2.

Bảng 2: Một số loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và tiềm năng ứng dụng của chúng trong y tế.

Trong khi GPS dùng trong định hướng cho xe cộ có khả năng bị mất liên lạc vệ tinh thì định hướng dùng quang học trong y tế cũng có khả năng bị chắn tầm nhìn. Các cảm biến dùng quán tính có khả năng định hướng độc lập khi tầm nhìn bị chặn, đồng thời cung cấp thêm thông tin giúp cải thiện độ tin cậy của hệ thống.

Một trong những ứng dụng y tế được liệt kê trong Bảng 1 (xem Phần 1) có liên quan đến việc sử dụng các cảm biến quán tính để tăng độ chính xác trong việc lắp khớp gối hay khớp hông nhân tạo vào cơ thể bệnh nhân. Mục tiêu của kỹ thuật này là làm giảm sai lệch của các khớp ghép so với trạng thái tự nhiên của bệnh nhân xuống dưới 1 độ. Hiện nay, có đến hơn 95% các ca thay toàn bộ khớp gối (Total Knee Arthoplasty hay TKA) chỉ dựa vào các kỹ thuật cơ khí thuần tuý để lắp ghép với mức sai lệch đến 3 độ hoặc cao hơn. Phương pháp sử dụng máy tính kết hợp với cảm biến quang học đang dần dần thay thế phương pháp cơ khí. Tuy nhiên tiến trình thay thế có vẻ chậm, có lẽ chủ yếu là do thiếu trang thiết bị.

*Chỉnh lưu rung là ảnh hưởng của rung động tới con quay hồi chuyển gây ra một sai số một chiều ở đầu ra của cảm biến này. Như vậy một đầu vào xoay chiều (rung động) tạo ra một đầu ra một chiều, tương tự với quan hệ đầu vào và đầu ra ở một bộ chỉnh lưu.

• Nguyên bản tiếng Anh: “MEMS enable medical innovation,”  Bob Scannell, EE Times.com, October 2012.
• Người dịch: Phạm Duy Đông
• Hiệu chỉnh: Tạ Minh Chiến