Ứng dụng của cảm biến MEMS trong y tế – Phần 3: Lựa chọn cảm biến

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


Cơ khí hay quang học

Dù cho dùng phương pháp cơ khí hay quang học để căn chỉnh thì vẫn có xấp xỉ 30% số ca TKA bị lệch trục, nghĩa là có độ lệch lớn hơn 3º. Những ca này thường gây khó chịu cho bệnh nhân và rồi sau cũng phải phẫu thuật lại. Do vậy, giảm thiểu khả năng lệch trục sẽ giúp cho việc phẫu thuật trở nên nhẹ nhàng hơn, thời gian phẫu thuật ngắn hơn, bệnh nhân dễ chịu hơn trong thời gian hậu phẫu, đồng thời tăng tuổi thọ của khớp thay thế. Các cảm biến quán tính, ở dạng thiết bị đo quán tính đa trục toàn phần như trong Hình 3, đã được chứng minh là có thể cải thiện được độ chính xác của TKA.

Hình 3: Biểu đồ khối của MEMS quán tính ADIS16488 của hãng Analog Devices, có kích thước nhỏ gọn và cung cấp thông tin chuyển động trên cả 6 trục, phù hợp cho mục đích đo lường trong phẫu thuật. Nguồn EETimes.

Lựa chọn cảm biến và kỹ thuật xử lý ở mức hệ thống

Các cảm biến khác nhau có khả năng hoạt động cũng rất khác nhau. Cảm biến dùng trong máy trò chơi điện tử thì không thể đáp ứng được các yêu cầu cao và phức tạp của các ứng dụng đã nêu trong bài viết này. Các đặc tính quan trọng nhất của cảm biến MEMS kể trên là trượt sai số cố định (mức thay đổi của sai số cố định theo thời gian), ảnh hưởng từ rung động, độ nhạy và nhiễu. Các ứng dụng định hướng trong công nghiệp và y tế thường đòi hỏi mức hiệu năng cao hơn hẳn so với cảm biến MEMS dùng cho các thiết bị tiêu dùng. Bảng 3 dưới đây liệt kê một số điều cần xem xét ở mức độ hệ thống để có thể lựa chọn cảm biến thích hợp.

Tham số hệ thống

Các yếu tố cần cân nhắc

Môi trường hoạt động

Trong nhà hay ngoài trời

Giải nhiệt độ hoạt động

Khả năng bị ảnh hưởng từ chấn động hay giao động

Các nguồn can nhiễu

Mục tiêu chất lượng

Độ chính xác

Mức độ đồng nhất giữa các hệ thống cùng loại

Tốc độ

Độ bền

Vận hành

Hoạt động có trợ giúp hay tự hành

Cần huấn luyện hay không

An toàn

Có liên quan trực tiếp đến tính mạng con người hay không

Khả năng không tiếp cận được cảm biến để sửa chữa, thay thế

Mức độ dự phòng cần thiết

Chi phí

Giá thành và thời gian thực hiện

Mức độ rủi ro

Phần lớn các hệ thống đều áp dụng một dạng giải thuật lọc Kalman để kết hợp dữ liệu từ các loại cảm biến khác nhau. Giải thuật Kalman tổng hợp các yếu tố như mô hình động lực học của hệ thống, độ chính xác của các cảm biến, và các yếu tố đầu vào đặc thù cho từng ứng dụng cụ thể để xác định chuyển động thực tế. Các cảm biến có độ chính xác cao (nhiễu thấp, độ trượt thấp, và ổn định trong giải biến đổi của nhiệt độ, thời gian, giao động và điện thế nguồn) giúp giảm thiểu độ phức tạp của giải thuật lọc Kalman, giảm số lượng cảm biến dự phòng và cho phép hệ thống vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau hơn.

Hai thách thức chính trong việc xây dựng các hệ thống cảm biến chuyển động với độ chính xác cao là loại bỏ các sai số ra khỏi dữ liệu cảm biến thô, và xử lý các dữ liệu này để thu được thông tin về vị trí hay đường di chuyển cụ thể. Để vượt qua trở ngại đầu tiên cần phải kết hợp cả giải thuật tối ưu để xử lý tín hiệu lẫn việc thực nghiệm và tinh chỉnh hoạt động của cảm biến, việc này đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về động học. Trở ngại thứ hai thì đòi hỏi phải kết hợp được những hiểu biết về động học với những điểm đặc thù của ứng dụng hiện tại. Các quá trình trên được trình bày cụ thể trong Hình 4.

Hình 4: Hệ thống cảm ứng chuyển động với độ chính xác cao được xây dựng từ các cảm biến có hiệu năng cao, cộng với giải thuật tối ưu hóa cảm biến, và các phương pháp xử lý tùy theo đặc tính của ứng dụng cụ thể.

Cảm ứng dùng MEMS quán tính là công nghệ đã chín muồi về cả khả năng thương mại hóa cũng như tính ổn định. Ngoài những lĩnh vực phổ biến như thiết bị di động hay trò chơi điện tử thì những lĩnh vực nhiều thách thức hơn như y tế và công nghiệp cũng có nhu cầu sử dụng thiết bị này. Các ứng dụng như vậy cần sử dụng những cảm biến với đặc tính hoạt động cao hơn và được tích hợp hoàn chỉnh hơn với hệ thống xử lý tín hiệu từ cảm biến.

Ví dụ, các chuyển động phức tạp trong các ứng dụng định hướng trong y tế đòi hỏi trước tiên phải có các cảm biến quán tính có độ ổn định cao rồi mới đến các giải pháp tích hợp và xử lý tín hiệu cảm biến tối ưu.

Sự xuất hiện của các hệ thống cảm biến có độ chính xác cao và ổn định trong các môi trường hoạt động khác nhau làm cho cảm biến MEMS quán tính đang ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong lĩnh vực y tế. Những thiết bị này có lợi thế hơn so với các phương pháp cảm biến và đo đạc hiện thời về các mặt như độ chính xác, kích cỡ, mức tiêu thụ năng lượng, khả năng dự phòng, và dễ triển khai (do MEMS quán tính có thể hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng như GPS).

May mắn là hầu hết các biện pháp cần thiết để giải quyết các thách thức trong những công cụ y tế thế hệ mới này đều dựa trên các phương pháp đã được kiểm chứng trong các ứng dụng định hướng kinh điển trong công nghiệp, kể cả việc sử dụng kết hợp nhiều đa cảm biến và các kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến.


Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: