无线通信、小型化传感器和低功耗电子技术的进步使得实现集成式无线体域网络（WBANs）成为可能。 这些发展使得无线可穿戴系统在诊断、健康监测、康复和依赖性护理方面的应用成为可能。在目前的一系列商用可穿戴设备中，产品并没有牢牢固定在人体上。  为了最大限度地减少人体移动造成的数据误差，实现精确测量，必须使可穿戴设备贴近皮肤。 本文介绍了一种采用无线通信技术的贴片式六轴惯性测量装置（IMU）的实现。该装置由可拉伸弹性基片上的硬电子元件组成，应用于表皮电子器件，以采集人体的精确数据。不采用常用的在可拉伸基底上实现器件的洁净室工艺，而是采用简单而廉价的 "切割-焊接-粘贴 "的方法来制造复杂的卷曲互连。因此，所提出的装置在用于步态分析时，可以将各种身体活动和皮肤变形的信号失真降到最低。

 相关论文以题为“     Wireless Epidermal Six-Axis Inertial Measurement Units for Real-Time Joint Angle Estimation    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 近年来，人类在日常环境中的运动建模和监测受到了相当大的关注，包括临床和健康科学、机器人和人机界面（HCI）。 分析关节运动范围和各种步态参数等运动学参数，可以跟踪疾病的进展或评估许多神经肌肉和肌肉骨骼疾病的康复效果。目前，这些研究是为了促进老年人的健康，以及运动医学中运动训练的监测和损伤预防。关节角度估计是人体运动分析的关键组成部分，许多研究小组已经开发出可穿戴式传感器，通过使用光电系统、惯性测量单元(IMU)或超声波传感器来进行连续的人体运动实时分析。光电系统是已知的估计关节角最精确的系统。这些系统使用红外相机分析预定义的解剖位置，以计算三维骨骼模型的关节角。然而，光电系统需要在受控的实验室环境中进行实验，并需要经过培训的人员来分析数据。  因此，尽管光电系统很准确，但并不适合在非卧床环境中对关节运动进行连续监测。

 本文介绍了一种表皮式、贴片式、六轴IMU，用于实时关节角度估计，可用于步态分析，缓解肌肉骨骼疾病的影响，或用于日常工作的监测。 惯性传感器被固定在受试者的头部、躯干、骨盆和上/下肢。利用可穿戴惯性传感器测量人体受试者全身关节的关节力和力矩，报告显示其适合正常运动。所提出的系统采用硅基IC焊接在键合焊盘上实现，IC之间的金属互连具有蛇形结构。通常情况下，据报道，人体皮肤可以承受约27%的极限失效应变。对于商业化的可穿戴式IMU，建议佩戴肩带，目的是防止设备因关节运动和呼吸而移动。为了解决这个问题，整个设备被定位在一个软胶基底上，基底上有可拉伸的蛇形结构的互连件，该基底要附着在人体任何部位的皮肤上，具有很高的一致性。所提出的系统由商品化的六轴加速度计、蓝牙低能(BLE)片上系统(SoC)、若干无源元件和芯片天线配置而成，可以连续、方便地获取生物识别信息。  结果表明，该系统可以推广到高性能、多参数传感器模块平台的开发中。

 表皮六轴IMU设计

表皮六轴IMU的示意图如图1所示。用于构建拟议系统的惯性传感器和信号处理部分包括六轴惯性传感器和若干无源元件。所有电子元件都安装在键合焊盘上，所有元件通过蛇形结构的互连线连接，使器件在各种机械应变下伸长。实施装置的上层和下层覆盖有可拉伸的胶膜，以保护电子部件在附着于人体的过程中不受潮湿或灰尘的影响。该装置基于模块化概念设计，允许内部组件重新配置，从而实现功能优化的小型化系统，以满足各种应用。因此，它可以作为一个多参数表皮传感器系统，同时也保持信号处理构件，并增加一个传感器，可以测量电生理信号，应变或体温。如图1所示，IMU可以通过附着在人体各部位，对人体运动进行运动学分析，并可应用于神经系统退行性疾病的诊断和康复。

 图1.贴片式无线惯性测量单元（IMU）及其应用示意图。贴片式无线惯性测量单元（IMU）及其应用示意图。BLE：蓝牙低能耗；SoC：片上系统。

图2为无线表皮六轴IMU的框图。六轴惯性传感器和BLE SoC采用双线串行接口(TWI)读取和发送数据，双线串行接口使用两个总线信号(串行clack(SCL)和串行数据(SDA))交换信号。从六轴惯性传感器中，通过内嵌的16位模数转换器(ADC)转换出三个轴各自的加速度和角速度。数字化后的数据通过I2C通信传递给BLE SoC的总线接口单元。由于每条数据都有一个特定的地址，所以有一个地址匹配单元，根据地址对数据进行处理。在控制单元中，对总线接口单元中积累的数据进行处理，并对命令进行解码。数据处理完毕后，由信号调理单元中的通用异步接收/发送器(UART)结构进行传播，通过蓝牙通信，可将惯性数据显示在移动设备上。以MPU-6050为例，加速度计使用的满量程为±16g，灵敏度刻度系数为16384LSB/g，其中g为重力加速度。对于陀螺仪，研究人员使用的满量程为±2000°/s的灵敏度刻度因子为131 LSB/°/s。

nRF52832和MPU-6050采用I2C通信，通信频率为400 kHz。MPU-6050的陀螺仪和加速度计的采样率为100 Hz，在nRF52832中采用I2C通信方式读取寄存器，并通过蓝牙以十六进制形式传输。研究人员之前对该系统的研究表明，利用BLE SoC(nRF51822)具有传输无线惯性信号的能力，并报道了实时人体关节角度估计的可能性。在本文中，研究人员使用nRF52832来扩展该系统的功能。nRF52832在芯片内部包含了一个平衡器，减小了整个系统的体积和布线，方便了阻抗匹配，轻松实现了系统的功能。此外，nRF52832的RAM是nRF51822的两倍，可以配置BLE网状结构。在构建网状物时，需要较大的RAM大小，可以同时采集17个IMU的传感器数据，这些IMU的配备可以分析人体所有关节的运动情况，实现了人体3D模型的可扩展性。此外，采用BLE 5.0后，传输速度可提高一倍，传输距离可增加约2.5倍。

 图2. 采用无线数据通信的表皮、六轴惯性测量单元（IMU）框图。ADC：模数转换器；UART：通用异步接收/发送器；SDA：串行数据；SCL：串行时钟；TWI：双线串行接口。

 制造工艺

图3中示出了利用在可拉伸胶膜上制造表皮六轴IMU的实施过程。这个过程使用计算机辅助设计（CAD）程序，以实现在各种外形尺寸的基板上的小型化设备。在设计这个系统时，最重要的考虑因素是确定伸长的极限，此时金属互连的电阻没有变化，系统中的应力分布不会集中在一个地方。在研究人员之前的论文中，制造了各种蛇形结构的互连，并对这种坚固的金属互连的特性进行了评价。蛇形结构的金属互连设计的线宽为300μm，即使器件承受的拉伸应变达到原尺寸的30%，也能保持机械和电气稳定。在使用CAD程序设计出脚印后，使用可编程切割机来定义蛇形结构的互连线和焊垫。

 图3. 制造过程。(a)铜箔制备；(b)铜箔层压在热脱模带(TRT)上；(c)使用切割工具进行图案化；(d)去除残余铜；(e)粘附在水溶性胶带(WST)上，使用Kapton薄膜固定在玻璃基板上，并去除TRT；(f)器件焊接在铜图案化的互连上；(g)去除Kapton薄膜并将器件从玻璃基板上释放；(h)顶层封装；(i)去除WST；(j)底层封装。

 执行结果

表皮六轴IMU的实现结果和机械特性如图4所示。所提出的系统整体尺寸约为40×37 mm2，厚度小于100 μm（不包括纽扣电池和IC）。此外，测得全功能工作时的电流消耗为46 mA。由于应变和各种变形而施加在Cu互连上的应力可以通过蛇形结构最小化，因此，所实施器件的伸长极限取决于可拉伸基板的刚度。图4b为实施装置的防水实验结果。蓝牙信号连续采集，尽管有水到达装置，但数据仍能传输。由于Tegaderm的半透水特性，内部的电子电路在贴在皮肤上的时候，可以完美地保护内部电子电路在工作过程中不受外界入侵。

 图4. 实施结果。(a)无线表皮六轴IMU;(b)防水实验结果;(c)柔韧性实验结果;(d)0%～30%拉伸应变的拉伸性实验结果。

图4c,d为实施的表皮装置的柔韧性和拉伸性实验结果。即使将装置完全包裹在半径为20mm的圆柱管上或拉伸至30%后，通过蓝牙通信发送的加速度和角速度信号仍能保持在稳定的水平，说明蛇形结构的互连装置对机械变形具有很强的适应性。所实施装置的灵活性和可拉伸性使其可以利用在人体上，包括手腕、脚踝、颈部和腹部等常见的运动监测部位，为临床诊断提供依据。

 结论

 本文介绍了一种应用于可穿戴生物医学设备的无线表皮六轴IMU。在以往的报告中，研究人员主要研究了蛇形金属互连结构的设计和通过蓝牙进行无线信号传输。 在本文中，应用了一种互补滤波器算法作为信号后处理方法来提高性能，涉及到误差补偿和高频分量去除等问题。此外，针对实际使用中的应用进行了机械实验。所提出的装置采用传统的电路元件在软胶基板上实现，通过将其牢固地附着在目标物上，可以准确地采集人体的数据。实现的系统尺寸为40×37mm2，系统的整体厚度（不包括电池和IC）小于100μm。焊接的电子器件之间采用蛇形结构互连，以实现灵活性和伸缩性。将所实现的器件安装在旋转板上，以比较其与市售器件的性能。对与旋转轴有关的角速度信号进行滤波，并在估计旋转角度时去除噪声成分，预计将显示出与市售产品类似的结果。通过将该装置安装到实际人体上，进行了关节角估计的实验。与商品化的Wearnotch装置相比，最大RMS误差为3.31°，最大角度位移为3.79°。

 此外，研究人员正计划通过振动表和速率表分析加速度和角速度与参考加速度和角速度的关系，并计划用光电系统对结果进行比较。 本文介绍的软性、表皮系统被认为价格低廉、使用方便，可以在非卧床环境下提供准确的关节角估计。研究人员也在对该系统的性能进行优化，使其能够提供更多自由度的关节角估计结果，最终提供全身数据。  该设备的初步成果在远程环境下对人的监测方面具有潜力，可应用于移动医疗、人机交互、可穿戴机器人等领域。