TW200835463A - Method and apparatus for measuring fluid properties, including pH - Google Patents

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200835463 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本揭示案係關於電感地量測流體屬性，且更特定言之係

關於一種用於量測人類胃腸道（GI)或其他流體系统中之pH 值的方法及裝置。 【先前技術】 可基於依頻率而定之具有電容分量及電感分量的阻抗來

模擬一線圈（例如，如參看圖2所示）。線圈12之電感L可自 以下計算而得·· 其中， 為自由空間之磁導率（4πχ1(Τ7亨利/公尺）， fJ，r 為核心14之相對磁導率（無量綱）， ^ 為線圈12之區數， A 為線圈12之橫截面面積（以平方公尺為單位）， 1 為線圈12之長度（以公尺為單位）， 應注意’線圈12之電感L與核心14之相對磁導率成比例。 實務上，每個線圈亦具有〇(：電阻R及經組合、分配之電 容C。電力組件之電容c視其物體組態而定且通常與線圈 12之核心14的介電常數成比例，該核心14分離線圈^之鄰 近繞組。線圈12之複合阻抗么此係由頻率決定的，且作為 一次近似可由以下給出： 1 1

7；— = ——；— + jcoC

Zlrc R 七 j ①L 其中’ ω==2π/，f為所施加之信號的頻率。 120092.doc 200835463 線圈1 2之阻抗可在宜一 ，、一頻率（諧振頻率）下達到最大值。 右將此線圈浸入具有依艇〜 从送丄、 頻率而疋之介電常數及/或磁導率 的樣本流體2 2中，則可| 到夕個諧振頻率。在此等狀況 下，L及C變成由頻率來決 ^ 丁个伏疋，其由以下給出： 其中： 1

£0 G 為自由空間之電容率’其為8 845xi〇-12[f/叫 為樣本机體之依頻率而定的相對電容率（無量綱） 為獨立於頻率之幾何表達式，其描述電感器之等 效電容[m] 咖為樣本流體之依頻率而定的相對磁導率（無量綱） 因此’線圈之依頻率而定的阻抗‘㈣可進一步展現介 電常數與磁導率兩者的依頻率而定之變化，其視樣本流體 中之離子的類型及濃度而定。 胃腸流體含有許多物質，該等物質之濃度係用於診斷消 化活動及解剖位置的重要生物醫學指示。此等物質包含離 子濃度、酶、葡萄糖等等。在化學與生物系統中之一=要 之量測量係pH值。PH值係”P〇ndus hydr〇genH”的縮寫，且 由丹麥科學家8·Ρ丄· “代旧⑶在19〇9年提議以便表示氫離 子（Η+)之非常小的濃度。用於計算ρΗ值之精確公式係至 pH = - l〇gw aJf 其中aH表示Η+離子之活動且係無單位一 裡用於量測 pH值之技術係利用兩個玻璃電極··一指示電極及一 “ 参考電 120092.doc 200835463 極。在—典型之現代PH值探針中，將破 組合於'體。最好將阳值計量器看作極與參考電極 針之-陰極端子位於内管内部。陽極心广參考探 内管外部，且以與内管内部上之:自身纏繞在 借助於—充合昨夕,，含 各有 > 考洛液’但僅外管 接觸。皿橋之夕孔塞而在_探針之外部上與溶液 :加以組裝時’該設備基本上係一電化學電池。參考端 土上係PH值計量器之内管，其無法將離子擺脫至周圍環 境。外管含有允許與外部環境混合之介質。藉由在膨服膜 之兩個表面處進行玻璃之離子與溶液之矿之間的交換而產 生回應，该父換係由兩種溶液中之H+濃度控制的離子交 換。 在具有臨床意義之許多參數當中，胃腸（GI)道之pH值係 重要的，因為其可用於診斷疾病及/或在Gi道内部定位一 位置。對基於玻璃電極來小型化{)11值感測技術所作的努力 具有有限的成功。迄今，此項技術中已知之最小pH值感測 口又備係海德堡pH膠囊’其大小為7· 1 mm X 1 5.4 mm。此設 備量測活體内pH值且遙測地報告資料。 另一應注意的pH值感測技術係基於離子敏感性場效電晶 體（ISFET)。在ISFET中，將H+敏感性緩衝塗層施加至一閘 電極。汲電極與源電極之間的電壓降落變成由該閘極曝露 至之H+濃度來決定。可將基於isFET之pH值感測器建置成 相對較小之體積（在mm3級）。儘管ISFET pH值感測器可被 120092.doc 200835463 製成非常小，但其生物適應性係_問題 玻璃pH值感測器與基於ISFET^OH佶戍、a丨如 PH值感測斋兩者的問題 為記憶效應之現象。在瞬時環琦φ，ώ结 兄甲自弟一位置行進至第 二位置(尤其是缺乏流動流體之第二位置），基於先前技術 中之任一者的pH值感測器可能仍讀取第—位置之ρΗ值。 由於兩種pH值感測器皆依賴於離子擴散，所以若被捕獲之 離 果 子並不具有擴散離開的機會，則盆將展 乂曰 〜兴肘展不記憶效應。結 ’玻璃電極pH值計量器需要頻繁”調節，，。 需要一可裝配入一電子藥丸或其他可比單元之體積中、 具有生物適應性且無記憶效應的{)11值感測器。藉由本文中 所描述之方法及裝置來達成此等及其他優勢。實際上，基 於本文中所揭示之有利設計及設計原理，亦可設計、建置 及實施可在無物質交換的情況下感測流體之其他屬性的感 測器。 【發明内容】 本揭示案係關於一種用於量測人胃腸（GI)道或其他流體 系統（例如，自來水系統）内之流體屬性（尤其是pH值）的系 統及方法。在一例示性實施例中，一種pH值感測方法涉 及：提供一具有一離子選擇性聚合物塗層之感測線圈，該 感測線圈可浸入於胃腸道（或其他流體系統）之流體中；提 供一與感測線圈通信之信號產生器，以用於將一電流脈衝 施加至感測線圈；提供一與感測線圈通信之信號接收器， 以用於量測相對於該電流脈衝之電反射；及提供一資料處 理Is ’以用於接收該電反射且用於基於該電反射來計算表 120092.doc 200835463 示樣本流體之PH值的資料。 性實施例的pH值感測器及相 流體進行物質交換且不顯示 示記憶效應。

文中所“述之pH值感測技術的較佳解剖實施例巾，將感測 器線圈及參考線圈囊封於一可吞下之藥殼中。 應注意，根據本揭示案之例示 關聯之感測線圈不需要與樣本 在另一實施例中，值感測器可包含一裝備有一微處理 器、收發器及一線圈狀天線的藥殼。線圈狀天線充當1)]^值 感測線圈及將信號自收發器傳輸至遠端位置並將信號自遠 端位置接收至收發器的構件。線圈狀天線塗佈有一 ρΗ值敏 感性聚合物。感測線圈、收發器及微處理器共同充當頻率 回應性分析器。 所揭示之pH值感測技術之額外特徵、功能及益處將自以 下之描述顯而易見（尤其是當結合附圖來閱讀時）。 【實施方式】 參看圖1 ’描繪根據本發明之例示性流體感測器1 〇的方 塊圖。流體感測器1 〇包含一具有空心14之感測線圈12。該 流體感測器與一信號產生器16、一信號接收器18及一資料 處理器20通信。當將量測介質之屬性時，以樣本流體22填 充空心14。感測線圈12之線可塗佈有一非導電物質以用於 120092.doc -11 - 200835463 使感測線圈12對樣本流體22的反應性較小，藉此增強感測 器回應之可靠性及可重複性。線圈12之塗層物質較佳為 (但不限於）不受可能存在於樣本流體22中之鹽離子的干擾 影響的物質。此等塗層物質包含離子選擇性聚合物（諸如 聚（乙烯基苄基氯_共_丙烯酸2,4,5_三氯苯酯）（"VBc_ TCPA”））或η離子可滲透聚合物（諸如獲自Dup〇nt之ναπ〇ν 全氟磺酸/PTFE共聚物）。感測線圈12不必為圓形（如圖i中 不意性地描繪），而是可呈其他較佳形狀。另外，只要線 圈12之核心14大體上填充有樣本流體22(例如，當將填充 有流體之管固持於線圈核心内部時），便無需將感測線圈 12浸入樣本流體22中。 在操作中，信號產生器16將一具有某一頻寬之AC脈衝 發送至感測線圈12 M言號接收器18接收並記錄感測線圈12 對AC脈衝之回應。使用感測線圈12(其核心^填充有樣本 流體22)對所施加AC信號的特徵性回應來獲得樣本流體22 之pH值。由資料處理器2〇來分析線圈_介質組合之回應。 信號產生器16、信號接收器18及資料處理器2〇可充當頻率 回應分析器。較佳地，在以433 MHz為中心之35〇_45〇 MHz的範圍中量測頻率回應。由於感測線_之回應視其 構&及組悲而疋且通常不會改變，所以可將線圈之依屬 I·生而疋之回應儲存於與資料處理器2〇相關聯的記憶體（未 圖示)中以簡化資料處理。在量測期Μ，可有利地將線圈 12之所里測回應與所儲存之依屬性而定之回應資料(例 如’呈查找表的形式）相比較以敎樣本流體22之屬性 120092.doc -12- 200835463 值。如上文所指出，可基於電容分量及電感分量來模擬線 圈，如圖2中示意性地描繪。 參看圖3 ’描繪根據本揭示案之一第二實施例之具有感 測線圈及參考線圈的例示性pH值感測器的方塊圖。圖3中 所說明之對應於上文結合圖1之流體感測器丨〇所描述之元 件的元件已由對應之參考數字增加100來識別。 在圖3之例示性實施例中，pH值感測器丨丨〇包含一具有空 心114之感測線圈112及一具有空心126之參考線圈124，該 等線圈112、124與一信號產生器116、一信號接收器11 8及 一資料處理器120通信。在圖3之實施例中，使用一對相同 線圈112、124來建置感測器110。使用感測線圈U2來感測 樣本流體122。將參考線圈124用作用以消除環境電磁干擾 之參考且其並未曝露至樣本流體122。參考線圈124具有一 由空氣、液體或其他物質製成之固定核心。 在操作中，信號產生器116將一具有預定頻寬之aC脈衝 發送至感測線圈112及參考線圈124兩者。信號接收器n8 接收並§己錄感測線圈112及參考線圈124兩者對AC脈衝之 回應。資料處理器120使用參考線圈124之電回應來校正感 測線圈U2之背景電環境，其用於自感測線圈112之回應消 除（排除）環境電磁干擾。資料處理器12〇分析感測線圈ιΐ2 之經权正回應以獲得介入樣本流體122之pH值。 由於線圈112、124之回應視其構造及組態而定且通常不 ^文隻所以線圈112、124之依pH值而定的回應可預先藉 由將其儲存於一與資料處理器12〇相關聯之記憶體（未圖示 120092.doc 13 200835463

中以簡化資料處理而特徵化。在pH值量測期間，將線圈 112之所量測回應與所儲存之依pH值而定的回應資料（例 如，呈一查找表之形式）相比較以判定樣本流體122之pH 值。 參看圖4，描繪根據本揭示案之一第三實施例之另一例 示性pH值感測器210的方塊圖，該pH值感測器210具有整 合於電子藥殼230中之感測線圈212及參考線圈224。圖4中 所說明之對應於上文結合圖3之pH值感測器110所描述之元 件的元件已由對應之參考數字增加100來識別。除非另外 指示，否則pH值感測器110與pH值感測器210具有相同之 構造及操作。藥殼23 0具有藥殼主體232，該主體232具有 一矩形缺口 234，該矩形缺口 234在一側上由一膜235封閉 以便在藥殼232内的藥殼主體232之一末端238處形成一空 隙236。感測線圈212及參考線圈224被整合於一電子藥殼 中（如所示），其中感測線圈212將空隙236用作其核心且參 考線圈224被包含於藥殼主體232内但並未曝露至任何液 體。由於膜235係半透性的，所以固體粒子不會進入空隙 236，但樣本流體介質可進入空隙236。pH值感測器210之 所揭示實施例有利地足夠小而能夠呑下，藉此進入患者之 GI道。根據pH值感測器210之設計/操作，不存在電極至gi 環i兄之曝露’藉此消除任何生物適應性或毒性問題。亦不 存在具有線或引線之藥殼230至位於内部之線圈212、224 的物理刺穿。 在本揭示案之又一實施例中，一類似於藥殼之藥殼 120092.doc -14· 200835463 可裝備有微處理器、收發器及線圈狀天線。線圈狀天線充 當pH值感測線圈及將信號自收發器傳輸至遠端位置並將信 號自遠端位置接收至收發器之構件。根據本揭示案之例示 性實施例，線圈狀天線有利地塗佈有一{)11值敏感性聚合物 (例如，參看圖1、圖3及圖4之實施例所揭示之聚合物中的 一者）。微處理器連同收發器及天線/線圈充當一頻率回應 分析器。 參看圖5，描繪根據本揭示案之用於量測pH值感測線圈 之頻率回應的例示性測試配置240。該測試配置24〇包含一 銅線圈242 ,該銅線圈242具有圍繞一含有受測試之樣本流 體246之圓形塑膠試管244的空心。銅線圈242通常由適當 之線規（例如，30號線）製造而成且經受一所要之捲繞（例 如，30阻）以形成在低頻率下具有約〇〇1 mH之電感及一空 心的電感器。在一例示性實施例中，圓形塑膠試管244具 有約8 mm之外徑及約6 mm之内徑。使用由Hewlett-Packard製造之HP 8753C型網路測試器246來模擬信號產生 器及信號收發器。經由BNC連接器248將銅線圈242電搞接 至網路測試器246。由一裝備有用於顯示資料之[讣“㈣資 料獲取介面的個人電腦（PC)250來模擬資料處理器。 可使用所揭示之測試配置來對多種流體進行取樣。舉例 而吕，已使用經改質以具有若干pH值之自來水、經改質以 具有若干pH值之鹽水、模擬胃液（SGF)及模擬腸液（SIF)來 執行測試。藉由與HC1混合而將自來水卩{1值調整至值7.3、 6.1、5.1、4.1、3.2、2.1 及 1·〇，且藉由由 c〇rning 製造之 120092.doc -15- 200835463 CHEKMITE pH_15玻璃電極pH值計量器來校正該自來水pH 值。鹽水溶液包含調整至pH值為7_0、5.1、4.0、3.1、2.0 及1.1的0.2%鹽。無蛋白質之模擬胃液（Sgf)係獲自Ricca

Chemical Part# 7108-32(具有於 〇·7〇/0 v/v HC1 中之 0.2% w/v NaCl (pH值為1.1))。板擬腸液（siF)係與0.68%之一價構酸 卸及氫氧化鈉混合之獲自Ricca Chemical Part#7109.75-16 的USPXXII，最終溶液之pH值被設定為約7.4。 圖ό至圖9展示來自使用所揭示之用以量測上文所論述之 各種樣本流體之pH值之測試配置的實驗資料的相對反射對 照頻率的曲線。圖6展示針對具有各種pH值之自來水溶 液' pH值為1.1之SGF及pH值為7.4及4.9之SIF的整體相對 反射與頻率之關係。圖7係圖6在1〇〇 MHz至180 MHz之頻 f中的展開圖。圖8係圖6在420 MHz至520 MHz之頻帶中 的展開圖。圖9展示在250 MHz至300 MHz之頻率範圍中針 對具有各種pH值之鹽水溶液、pH值為1;[之SGF&pH值為 7.4之SIF ' PH值為4.5之去離子水及pH值為7·4之自來水的 相對反射與頻率之關係。 在圖9中所反映之結果中，在鹽水中Na+離子之存在改變 線圈之回應，但PH值為1·1、2·0、3·1及4.0-7.0的鹽水仍可 使用所揭不之裝置/方法而彼此區分。樣本流體之電導率 隨ΡΗ值降低而增加。圖6至圖9之曲線亦指$線圈之反射 回應可~因於介電常數（或電導率）之較大程度的改變，而 非磁導率之改變。 本揭不案之方法及裝置提供優於先前技術pH值感測設備 120092.doc •16- 200835463 之若干優勢。舉例而言，所揭示之方法及裝置提供一種可 以非常小之形狀因素製造的快速及回應性pH值感測機構。 實際上’可針對人類攝取來組悲及定尺寸所揭示之p Η值减 測設備之幾何結構及其他物理屬性，藉此提供對多種GI道 位置之PH值感測。本揭示案之pH值感測器亦無物質（離子） 交換、通常無記憶效應且可以具成本效益之方式來製造並 利用。 本揭示案之方法及裝置可經受眾多應用。所揭示之 感測方法及裝置可應用於藉由已知之基本組合物來判定樣 本流體之近似pH值（例如，量測胃腸液之活體内pH值）。此 外，可將本發明用作一線内pH值感測器以監視管中之流體 的pH值或用於監視住宅中之自來水的pH值。此外，可將 本發明之方法及裝置與一無線射頻識別設備（RFID)整合以 監視瓶裝飲料或其他產品/系統之pH值。 將理解’本文中所揭示之實施例僅為例示性實施例，且 y 熟習此項技術者可在不背離本發明之精神及範疇的情況下 作出許多變化及修改。所有此等變化及修改皆意欲包含於 本發明之範疇内。 【圖式簡單說明】 - 圖1係根據本揭示案之一例示性實施例之具有一感測線 圈的流體感測器之方塊圖； 圖2係模擬圖1之感测線圈之電行為的電示意圖； 圖3係根據本揭示案之另一實施例之具有一感測線圈及 一參考線圈的pH值感測器的方塊圖； 120092.doc -17- 200835463 圖4係根據本揭示案之一第三實施例建構而成的例示性 電子藥丸之示意圖，該電子藥丸併有圖3之pH值感測器； 圖5係根據本發明之用於量測pH值感測線圈之頻率回應 的測試配置的方塊圖； 圖6係根據本揭示案之相對反射對照用於使信號自例示 性感測線圈反射之頻率的曲線，其中線圈之核心填充有具 有不同pH值之自來水；

圖7係圖6在1〇〇 MHz至180 MHz之頻帶中的展開圖； 圖8係圖6在420 MHz至520 MHz之頻帶中的展開圖；及 圖9係根據本揭示案之相對反射對照在25〇 mHz至300 MHz之頻帶中用於使信號自例示性感測線圈反射之頻率的 曲線，且其中線圈之核心填充有具有不同pH值之鹽水。 【主要元件符號說明】 10 流體感測器 12 感測線圈 14 空心 16 信號產生器 18 信號接收器 20 資料處理器 22 樣本流體 110 pH值感測器 112 感測線圈 114 空心 116 信號產生器 ί/ 120092.doc 200835463 118 信號接收器 120 資料處理器 122 樣本流體 124 參考線圈 126 空心 210 pH值感測器 212 感測線圈 224 參考線圈 230 電子藥殼 232 藥殼主體 234 矩形缺口 235 膜 236 空隙 238 末端 240 測試配置 242 銅線圈 244 圓形塑膠試管 246 網路測試器 248 BNC連接器 250 個人電腦 120092.doc - 19-

Claims (1)

1. 200835463 十、申請專利範圍： 1 · 一種流體感測器系統，其包括： 一感測線圈，該感測線圈具有一隔離塗層，該感測線 圈可浸入一樣本流體中； 一與該感測線圈通信之信號產生器，其用於將一電流 脈衝施加至該感測線圈； •一與該感測線圈通信之信號接收器，其用於量測一相 對於該電流脈衝之電反射；及 ,1 一資料處理器，其用於接收該電反射且用於基於該電 反射來計鼻表示該樣本流體之至少一屬性的資料。 2·如請求項1之感測器系統，其中該感測線圈經定大小及 成形以裝配於一可行進穿過人類之胃腸道的丸狀外殼内。 3·如請求項2之感測器系統，其進一步包括一用於囊封該 感測線圈之藥殼。 4·如請求項2之感測器系統，其中該隔離塗層係一大體上 不受存在於該樣本流體中之非所選離子之干擾影響的離 i 子選擇性聚合物塗層。 5·如請求項4之感測器系統，其中該離子選擇性聚合物塗 層係至少部分自VBC-TCPA製造而成。 6·如請求項4之感測器系統，其中該離子選擇性聚合物塗 層係一 Η離子可滲透聚合物。 7·如請求項4之感測器系統，其中該離子選擇性聚合物塗 層係至少部分自一全氟磺酸/PTFE共聚物製造而成。 8.如請求項1之感測器系統，其中該資料處理器進一步包 120092.doc 200835463 括一微處理器。 月长項1之感測器系統，其中該資料處理器將所儲存 之反射率值與所量測之反射率值相比較以計算一屬性 值。 10·如請求項1之感測器系統，其進一步包括一具有一空心 之多考線圈，該空心用於自一與該感測線圈共用之背景 電環境接收信號以校正該感測線圈。 11·如請求項1〇之感測器系統，其中該資料處理器進一步包 括一微處理器。 如明长項11之感測器糸統’其中該資料處理器將所儲存 之反射率值與所量測之反射率值相比較以計算一樣本流 體之一屬性值。 13.如請求項3之感測器系統，其中該藥殼進一步包括一用 於允許該樣本流體與該感測線圈接觸且用於阻斷固體粒 子與該感測線圈接觸的膜。 14·如請求項10之感測器，其中該參考線圈並未與該樣本流 體接觸。 15. 如前述請求項中任一項之感測器，其中該樣本流體之該 至少一屬性係pH值。 16. —種pH值感測器，其包括： 一感測線圈，該感測線圈具有一離子選擇性聚合物塗 層，該感測線圈可浸入一樣本流體中； 一與該感測線圈電通信之收發器；及 一與該收發器電通信之微處理器， 120092.doc 200835463 其中該感測線圈、該收發器及該微處理器共同充當一 頻率回應分析器。 i7·如請求項16之1)11值感測器，其進—步包括一參考線圈。 18·如請求項17之pH值感測器，其中該參考線圈包含一用於 自一與該感測線圈共用之背景電環境接收信號的空心。 19.如凊求項17之pH值感測器，其中該參考線圈用以校正該 感測線圈。 20· —種pH值感測器，其包含： f \ 一感測線圈，該感測線圈具有一離子選擇性聚合物塗 層’该感測線圈可浸入一樣本流體中，該感測線圈充當 一用於將pH值量測傳輸至一遠端位置的天線； 一與該感測線圈電通信之收發器；及 一與該收發器電通信之微處理器， 其中該感測線圈、該收發器及該微處理器共同充當一 頻率回應分析器。 2 1 · —種使用一電子藥丸來量測pH值的方法，該電子藥丸包 括一具有一離子選擇性聚合物塗層之感測線圈，該方法 包括以下步驟： 將該感測線圈浸入一樣本流體中； 將一電流脈衝施加至該感測線圈； 量測一相對於該電流脈衝之電反射；及 基於該電反射來計算表示該樣本流體之該pH值的資 料。 22·如睛求項21之方法，其中該計算步驟進一步包括以下步 120092.doc 200835463 驟：將所儲存之反射率值與所量測之反射率值相比較以 計算一pH值。 23.如請求項21之方法，其中該樣本流體係與人類之胃腸道 相關聯之流體。

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