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

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.

• 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