TW201325548A - 生物資訊感測裝置 - Google Patents

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Hui-Chen Lin
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Abstract

本發明係揭示一種生物資訊感測裝置，可貼附於生物體的體表以感測如心跳、呼吸或翻身移動的生物資訊，包括具有壓電轉換功能的至少一壓電感測層，且壓電感測層可包括至少一彎曲部以及至少一貼附部，其中貼附部可直接或間接貼附於生物體上，用以感測生物體表面的變形，而由彎曲部加強該變形，並轉換成電氣感測信號，進而傳送至電路板，經信號處理而傳送至遠端控制單元，用以分析生物體的生物資訊。因此，本發明的生物資訊感測裝置可藉具彎曲部的壓電感測層而提高整體感測的靈敏度，並改善信號訊雜比。

Description

生物資訊感測裝置
本發明係有關一種生物資訊感測裝置，尤其是利用具有彎曲部的壓電感測層以提高感測生物體之生理資訊的靈敏度及信號訊雜比。
近來由於人口老齡化、飲食西化等因素的影響，導致慢性疾病人口漸漸增長，已經超過一般社會所能負荷。心血管疾病如心臟病、糖尿病、高血壓、高膽固醇等等，皆是已開發國家盛行率相當高的慢性疾病。一般情形下，患有這些疾病的病患很多人平時沒有明顯病徵。然而，這些心血管疾病的病患卻是心源性猝死(sudden cardiac death)的危險族群，一旦病況突然惡化，病患即會在數秒內喪失脈搏、意識，並接著失去自主呼吸的能力；若在十分鐘內還無接受緊急的醫療介入，則有很高的致死機率。
一般而言，因心源性猝死致死的病患多為老年人，活動力以及行動力較差，在發病的數秒內較難及時發出求救警訊。更糟的情形是，據統計一半以上的心源性猝死發生在無人目睹的環境下，更加深了求救的困難性。據統計，在許多已開發國家中，心源性猝死已多年名列前幾大死因之一，因此，為了即時監控病患心血管疾病惡化的情形，許多相關的生物資訊監控系統需求也在逐漸攀升。
此外，除了心源性猝死族群外，嬰幼兒的嬰兒猝死症(sudden infant death syndrome,SIDS)亦是廣受矚目的急性致命疾病之一。據美國國立衛生研究院統計，每年美國的新生兒會有兩千分之一的機率死於嬰兒猝死症。基本上，在此病症的過程中，病嬰會喪失其生命徵象，比如心跳、呼吸。一般而言，嬰兒猝死症的發生相當難以預期，而且嬰幼兒也較無求救的能力，這些現象導致了醫療難以及時介入以及治療。另外，在居家環境中，年長者或嬰幼兒因飲食不慎噎到或睡覺時棉被阻絕空氣、造成窒息死亡的憾事亦時有所聞。
由於在突發心源性猝死、嬰兒猝死症以及窒息死亡的病程當中，患者心跳或呼吸都會有停止的現象，所以若能在第一時刻及時發現這類因疾病或意外事件而導致生命跡象喪失的病患，則可以把握最佳的時機施與急救措施並送醫。
醫院裡的病患有完善的生命跡象監控系統可以進行即時且連續的生命跡象監控，但受限於系統設備的體積過大或導線束縛等因素影響，往往造成監控的動作只被侷限在病房而帶來困擾。此外，一般老人安養院或居家環境中，也由於監控設備昂貴與攜帶性不佳等缺點，使得類似醫院裡的生命跡象監控至今仍無法普及到一般環境。
為此，業者已開發出一些攜帶式的生理感應裝置，能夠感應出各種生物資訊，比如呼吸或心跳，可在患者生命跡象停止的初期就能夠偵測到異常而發出警訊，藉以及時給予急救。然而，目前現有的攜帶式生理感應裝置但仍然有體積過大、攜帶性不佳與感應訊號不可靠等諸多缺點。
參閱第一圖，習用技術呼吸心跳感測裝置的示意圖。呼吸心跳感測裝置主要包括基板A以及壓電元件B，其中基板A可貼附在人體上，比如胸部，而壓電元件B是安置在基板A上，且壓電元件B可藉壓電轉換作用將人體因呼吸或心跳而使壓電元件B所產生的形變轉換成電氣信號，包含關於呼吸或心跳的資訊，比如呼吸或心跳的頻率及振幅。進一步，利用電子裝置(圖中未顯示)擷取電氣信號中所包含的資訊，並持續記錄，可用以判斷呼吸或心跳是否正常，並在發生不正常狀態時進行適當的警示操作，比如打開警示燈或警示鐘，或發送警示訊息給家屬、醫療人員、看護人員。因此，可獲得呼吸或心跳的記錄，當作生理狀態的參考資料，並可節省大量人力，提高效率。
此外，可利用無線傳輸元件，將電氣信號傳送至遠端的電腦或伺服器，藉以實現遠端監控功能，以擴大覆蓋範圍，非常適合應用於大型醫院、療養所、特殊訓練基地。
然而，習用技術的缺點在於，壓電元件為平坦狀，無法因呼吸或心跳而產生太大的形變，使得所轉換出來的電氣信號太微弱，尤其是在其他雜訊的干擾下，常常無法正確感測出呼吸或心跳。因此，需要一種具改善感測靈敏度之壓電感測層的生物資訊感測裝置，利用壓電感測層的彎曲結構以增加電氣信號的強度，進而解決上述習用技術的問題。
本發明之主要目的在提供一種生物資訊感測裝置，可貼附於生物體的體表以感測生物資訊，比如心跳或呼吸，而生物資訊感測裝置係包括具有壓電轉換功能的至少一壓電感測層，且壓電感測層可包括至少一彎曲部以及至少一貼附部，其中貼附部可貼附於生物體上，用以感測生物體表面的變形，而由彎曲部加強該變形，並轉換成電氣感測信號，進而傳送至電路板，經信號處理而傳送至遠端控制單元，用以分析生物體的生物資訊。
此外，本發明的生物資訊感測裝置可進一步包括基板、連接層或支撐層，用以配置於壓電感測層的表面上，可增加壓電感測層的感測能力，並方便貼附於生物體，可大幅提高整體感測的靈敏度，並改善生物資訊的信號訊雜比。
因此，本發明很適合輔助醫生或醫護人員即時監控病患的生理狀態，於病患的心跳或呼吸發生不正常的緊急狀態時，比如窒息、休克、昏厥、心室顫抖、心律不整或心臟痲痺，能立即提醒醫生或醫護人員進行必要的救治措施，以防範可能的意外。此外，本發明的生物資訊感測裝置可用以長時間記錄生物體的生理狀態，可用以判斷健康狀態，或提供臨床診斷的參考依據，節省人力資源並提高效率。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第二圖，本發明生物資訊感測裝置的示意圖。如第二圖所示，本發明的生物資訊感測裝置包括具有壓電轉換功能的至少一壓電感測層10，且第二圖只顯示單一壓電感測層10，而每個壓電感測層10包括至少一彎曲部12以及至少一貼附部14，其中貼附部14可如圖中的方向D而貼附於生物體(圖中未顯示)上，用以感測生物體之表面因生理運作所引起的變形，比如呼吸或心跳，而彎曲部12可加強感測變形。因此，壓電感測層10可將所感測到的變形轉換成電氣感測信號，達到感測生物體之生物資訊的目的。
要注意的是，第二圖所示壓電感測層10的形狀只是用以方便說明本發明特徵的其中一示範性實例而已，並非用以限定本發明的範圍，因此，本發明壓電感測層10的彎曲部12也可為斜面、弧狀、階梯突起狀、三角狀、鋸齒狀或不規則彎曲狀，如第三圖所示。
壓電感測層10可由硬質或可撓曲的材料形成，比如石英(quartz)、二氧化矽(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PbTiZrO3)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鐵酸鉍(BiFeO3)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidine Fluoride，PVDF)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polyproylene，PP)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一。
本發明的生物資訊感測裝置可進一步包括至少一連接層20、基板30、至少一支撐層40或至少一電路板50，如第四圖所示。要注意的是，第四圖只是示範性實例而已，因此，連接層20、基板30、支撐層40或電路板50的任何可達成本發明功能的排列或配置方式或手段皆應屬於本發明範圍，比如部分或全部位於壓電感測層10的彎曲部12或貼附部14之上方或下方。
本發明生物資訊感測裝置的電氣信號處理是藉由電路板50而達成，因此進一步參閱第五圖，本發明生物資訊感測裝置中電路板的功能方塊圖。電路板50係電氣連接至壓電感測層10，用以接收壓電感測層10所產生的感測信號，同時可產生有線或無線信號而傳送至遠端控制單元(圖中未顯示)。
電路板50可包括至少一放大單元51、至少一濾波單元53、至少一信號轉換單元55、至少一控制單元57、至少一收發單元58以及至少一電源供應單元59，且電源供應單元59可為電池，用以提供電力給放大單元51、濾波單元53、信號轉換單元55、控制單元57以及收發單元58。放大單元51接收並放大感測信號，且經濾波單元53的濾除雜訊以及經信號轉換單元55的類比至數位轉換後，由控制單元57產生傳送信號，再由收發單元58接收而產生有線信號或無線信號TS，並進一步傳送出去。
部分或全部的放大單元51、濾波單元53、信號轉換單元55、控制單元57以及收發單元58可藉分離電路元件實現，以簡化電氣設計的複雜度，或利用積體電路(integrated circuit，IC)而實現，可大幅縮小整體的體積，改善攜帶性，尤其可以貼片或貼布的方式實現本發明的生物資訊感測裝置，以方便長時間持續監測或記錄呼吸及心跳的生理資訊。此外，遠端控制單元可為遠端的電腦或伺服器。
支撐層40是覆蓋或接觸壓電感測層10，用以加強生物感測裝置的剛性，且支撐層40可由金屬、玻璃、食品級矽膠、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(PP，Polyproylene)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一而構成。
連接層20可設置於壓電感測層10及/或支撐層40的表面上的至少一部分，用以進一步加強生物資訊感測裝置的剛性，進而提高感測的靈敏度。此外，連接層20可由玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(PP，Polyproylene)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一而構成。
本發明的特點在於，生物資訊感測裝置可很方便的貼附於生物體，比如人體的胸部，靠近心臟或肺臟，因此，在生物體呼吸或心跳時，生物資訊感測裝置的壓電感測層10可因生物體的震動而感應，或感測生物體的呼吸及心跳動作並產生感測信號，尤其是壓電感測層10的彎曲部12可在生物體表面進行橫向或縱向的移動時，產生較大的形變量，進而提高感測信號的強度，並改善信號訊雜比。
壓電感測層10的感測信號係包含關於生物體之呼吸及心跳的生理資料，如呼吸及心跳的頻率及振幅。因此，遠端控制單元接收來自收發單元58的有線信號或無線信號TS後，可擷取其中關於心跳或呼吸的生理資料，進而判斷該生物體的心跳或呼吸動作是否正常，並在發生不正常的緊急狀態時產生警告訊息，用以通知相關醫療人員進行必要的救治措施，可即時防範可能的意外，比如窒息、休克、昏厥、心室顫抖、心律不整或心臟痲痺。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
10．．．壓電感測層
12．．．彎曲部
14．．．貼附部
20．．．連接層
30．．．基板
40．．．支撐層
50．．．電路板
51．．．放大單元
53．．．濾波單元
55．．．信號轉換單元
57．．．控制單元
58．．．收發單元
59．．．電源供應單元
A．．．基板
B．．．壓電元件
D．．．方向
TS．．．有線信號或無線信號
第一圖為習用技術呼吸心跳感測裝置的示意圖。
第二圖為依據本發明生物資訊感測裝置的示意圖。
第三圖為本發明生物資訊感測裝置中其他實例壓電感測層的形狀之示意圖。
第四圖為本發明生物資訊感測裝置的另一示意圖。
第五圖為本發明生物資訊感測裝置中電路板的功能方塊圖。
10．．．壓電感測層
12．．．彎曲部
14．．．貼附部
D．．．方向

Claims (6)

  1. 一種生物資訊感測裝置，係用以貼附於生物體並感測該生物體的生物資訊，該生物資訊感測裝置備包括：至少一壓電感測層，具有壓電轉換功能，且該至少一壓電感測層包括至少一彎曲部以及至少一貼附部，而該至少一貼附部係直接或間接貼附於該生物體上，用以感測該生物體之表面的變形，並轉換成一感測信號。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之生物資訊感測裝置，其中該至少一壓電感測層係由石英(quartz)、二氧化矽(SiO2)、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PbTiZrO3)、砷化鎵(GaAs)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鐵酸鉍(BiFeO3)、聚偏二氟乙烯(Polyvinylidine Fluoride，PVDF)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polyproylene，PP)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一而構成。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之生物資訊感測裝置，進一步包括至少一電路板，係電氣連接至該至少一壓電感測層，用以接收該感測信號，並產生有線信號或無線信號而傳送至一遠端控制單元，且該至少一電路板包括至少一放大單元、至少一濾波單元、至少一信號轉換單元、至少一控制單元、至少一收發單元以及至少一電源供應單元，且該至少一電源供應單元係供電給該至少一放大單元、該至少一濾波單元、該至少一信號轉換單元、該至少一控制單元以及該至少一收發單元，且該至少一放大單元接收並放大該感測信號，並經該至少一濾波單元的濾除雜訊以及經該至少一信號轉換單元的類比至數位轉換後，由該至少一控制單元產生一傳送信號，再由該至少一收發單元接收該傳送信號而產生該有線信號或無線信號。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之生物資訊感測裝置，其中該放大單元、該濾波單元、該信號轉換單元、該控制單元以及該收發單元係利用分離電路元件而實現，或部分或全部利用積體電路(integrated circuit，IC)而實現。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之生物資訊感測裝置，進一步包括至少一支撐層，其中該至少一支撐層是覆蓋或接觸該至少一壓電感測層，用以加強該生物資訊感測裝置的剛性，且該至少一支撐層是由金屬、玻璃、食品級矽膠、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(PP，Polyproylene)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一而構成。
  6. 依據申請專利範圍第1項或第5項所述之生物資訊感測裝置，進一步包括至少一連接層，用以進一步加強該生物資訊感測裝置的剛性，係設置於該至少一壓電感測層及/或該至少一支撐層的表面上的至少一部分，且該至少一連接層係由玻璃、聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(PP，Polyproylene)、聚氯乙烯(PolyVinyl Chloride，PVC)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene，PTFE)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)以及聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)的至少其中之一而構成。
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