微電子機(jī)械系統(tǒng)加速傳感器瞄準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

通過(guò)基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM, MEMS)的加速傳感器和陀螺儀的設(shè)計(jì)，MEMS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航和游戲軟件領(lǐng)域;但是，微型電磁式感應(yīng)器技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

MEMS 普遍應(yīng)用于患者診斷器械中。這種診斷器械用于檢測(cè)患者心臟的功能。醫(yī)務(wù)人員通常采用的方法是通過(guò)心電圖來(lái)檢查患者心臟功能情況。在心電圖檢查過(guò)程中，醫(yī)務(wù)人員會(huì)將一套電極連接在人體上，使其與皮膚表面接觸。通過(guò)這種方法，我們可以測(cè)量復(fù)雜的向量心電圖(VCG)。向量心電圖是一種傳統(tǒng)的方法，它可以記錄患者心電P-QRS-T波的振幅和時(shí)間或者僅僅記錄R波峰值的時(shí)間。這種向量心電圖跟圖一所示的心率監(jiān)測(cè)或者運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)中顯示的圖像一樣。

心電圖可以為我們提供大量相關(guān)信息，這些信息包括心臟功能障礙、心臟疾病、以及心臟功能恢復(fù)情況、患者的軀體和心理壓力情況。但是，心電圖不能很好的檢查患者心臟的機(jī)械泵血功能或者心臟的機(jī)能。此外，這些電極可能會(huì)干擾患者的日常生活，尤其是干擾患者的娛樂(lè)活動(dòng)和夜間的心電監(jiān)測(cè)。幸運(yùn)的是，在醫(yī)療領(lǐng)域，我們可以通過(guò)其他手段來(lái)檢查心臟的功能情況，如心臟超聲監(jiān)護(hù)和心臟沖擊掃描圖(Ballistocardiology, BCG)。機(jī)械式心沖擊掃描圖記錄著心臟的電信號(hào)，但是其信號(hào)延遲30到40微秒。

利用心臟沖擊掃描圖，我們可以通過(guò)檢測(cè)胸部的動(dòng)力和加速情況記錄心臟的機(jī)械活動(dòng)。此外，還有一種方法，通過(guò)遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以檢測(cè)心臟的泵血機(jī)能。。運(yùn)用遙控心臟沖擊掃描圖，我們可以不需要將電極或者器械接觸到患者的皮膚表面。這種方法對(duì)于檢測(cè)患者日常生活過(guò)程中的心電活動(dòng)是一種很大的優(yōu)勢(shì)。由于血流通常朝一個(gè)方向流動(dòng)，因此我們可以只需要記錄在一個(gè)軸的血流方向即可，例如人從頭到腳的長(zhǎng)度軸向。

心臟沖擊掃描圖可以很好地用于預(yù)防性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如用于檢測(cè)身體和心理壓力情況或者用于檢測(cè)早期冠心病。圖二中顯示的波幅測(cè)量的是心臟的每搏輸出量：從時(shí)間上看，我們可以推斷出心臟的功能情況、心率、以及心率的變異情況。心率的變異情況很好地記錄了

該患者的恢復(fù)情況和在檢測(cè)過(guò)程中承受的壓力情況。圖二中的振幅I和IJ可以有效地應(yīng)用于評(píng)估某些疾病的嚴(yán)重程度， 如動(dòng)脈瓣膜病、冠心病、甚至可以評(píng)估患者的壽命

圖一：心電圖中的 P-QRS-T波

圖二：心臟沖擊掃描圖波形

通過(guò)加速傳感器記錄心臟的沖擊信號(hào)有很大的難度，心臟活動(dòng)的加速信號(hào)十分低弱，而感應(yīng)器自身的噪音、環(huán)境噪音比較大，同時(shí)還可能存在醫(yī)療檢查過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)械頻率響應(yīng)和振動(dòng)干擾(如測(cè)體重的電子稱和患者的病床)。在病床上監(jiān)測(cè)心臟沖擊掃描圖尤其重要，因?yàn)檫@種心臟沖擊掃描圖可以在不干擾患者睡眠的情況下，對(duì)患者的身體健康和功能恢復(fù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。心臟沖擊掃描圖不需要電極接觸，因此不會(huì)影響患者的日?；顒?dòng)，也不會(huì)干擾患者的睡眠?；谶@種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，心臟沖擊掃描圖在某些領(lǐng)域的作用十分顯著，這些領(lǐng)域包括監(jiān)測(cè)患有由于身體或者心理疾病而產(chǎn)生睡眠障礙的患者的心臟功能，以及監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員最佳訓(xùn)練效果從而避免訓(xùn)練過(guò)度。

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圖三：日本村田制作所的加速傳感器SCA121T從醫(yī)院病床上測(cè)量患者的心臟沖擊掃描圖波形