TW201526867A - 植入式生物感測器 - Google Patents

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Qiongzhen Long
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Qiongzhen Long
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Abstract

本發明提出用於監視一個體之至少一個生理參數之一完全植入式裝置。該裝置包含至少一個感測器經組配以產生代表該生理參數之一感測器信號，於該處各個感測器具有至少一個電極及至少一個膜適用以分開該電極與該裝置外部之一介質。該裝置也具有一可規劃晶片經組配以接收、處理及發射該感測器信號，及一殼體適用以容納該感測器及該可規劃晶片。本發明進一步包括用於與該裝置一起工作的一詢答器，及包括該裝置及用於植入該裝置之一構件的一套組。又復，本發明包括用以監視一個體之至少一個生理參數之一系統，該系統包括一完全植入式裝置。

Description

植入式生物感測器 發明領域
概略言之，本發明係有關於用於生物參數監視之生醫裝置，特別但非限於用於一個體之生物參數監視之完全植入式生醫裝置。
發明背景
後文發明背景之討論僅係為了幫助本發明之瞭解。須瞭解該討論並非確認或承認所述及之任何材料在本發明之優先申請日在任何司法管轄權之下為公開，為熟諳技藝人士已知或其普通常識之一部分。
根據2013年世界衛生組織(WHO)之統計資料，目前全球約有3億6千萬個糖尿病病人。中國約9千3百萬，印度約7千萬，及美國約2千3百萬。糖尿病病人數每年增加約7%。糖尿病相聯結的年度醫療成本全球約4650億美元及美國約1200億美元。於美國單獨血糖試紙的成本高達每年20億美元。目前，預防糖尿病併發症的一種有效措施係定時準確地監測糖尿病病人之血糖濃度。
血糖濃度可藉在醫療機構諸如醫院測試血樣或 透過使用簡單血糖儀加以監控。此等方法之主要缺點為不便，於該處每次測試血糖濃度時須從病人抽血，血液的抽取通常疼痛且耗時。又，在醫院測試血樣對住家遠離醫院的病人或對因糖尿病相關併發症造成失能的病人不便。病人經常因未能及時監測其血糖濃度而錯失了最佳治療時間，特別一天中間血糖濃度經常起伏不定。扎指抽血法取決於病人的技巧以準確測試，因而病人可能依據錯誤資料而決定胰島素之劑量。此外，血糖濃度之自我監控對較無能力的病人諸如年輕者及年長者造成顯著負擔。
已經開發數種用於及時監控血糖濃度之產品。由亞伯特血糖照護(Abbott Diabetes Care)發展的自由型巡行器(FreeStyle Navigator®)連續血糖監視系統(2008年由FDA核准於美國上市)為小型可攜式血糖監視產品。該裝置之探頭從外皮刺穿人體組織，及當皮下組織液與血糖呈化學平衡時測量血糖濃度。此種系統只能監視血糖濃度歷時極短時間(至多三日)且使用上極其不便。德康公司(DexCom)之植入式自動血糖監視裝置需要外部電源供應器，具有約AA電池之尺寸，及其植入極為複雜。該裝置之龐大體積提高了植入期間之感染率，其嚴重限制了市場的接受度。此外，該裝置的使用壽命也受其電池及感測器探頭所限。基於CGMS醫迪電子公司(Meditronic)之守衛RT(GuardianRT)系統測量血滴，而其其它功能及限制係類似前述產品。前述裝置及包括目前市面上許多其它植入式血糖測量產品諸如醫迪迷你醫(MiniMed)(CGMS)不夠小且非完全植入式裝 置。每隔數日需更換測量感測器，可能造成長期病人的感染。
若干既有技術只能度量血糖濃度，但無法度量與糖尿病併發症相關之其它參數，諸如酮酸血症及酸鹼不平衡。應用數位系統公司(ADS)出品的維力晶片(VERICHIP)(涵蓋於美國專利案第7,297,112號)乃一種基於RFID技術之植入式生物化學晶片，具有整合式溫度感測器模組及一RFID標籤。但該案未曾特別揭示多個生物化學感測器如何整合，以便與該PCI可相容裝置相聯結的功能區塊適當地且最佳地工作。該專利案並未揭示該生物化學感測器之結構，特別於多個感測器之情況下該生物化學感測器之結構，或當必須一起工作時該生物感測器與RFID基頻晶片間之技術交互作用。US 2005/0027175 A1係有關於植入式生物感測器，但該公開文獻並未揭示如何將多於一個生物感測器含括於一活體內植入式生物感測器中，或該生物感測器如何監視活體內之多於一個生理參數。由泰科美電子技術公司擁有的中國專利案ZL200720139520.6提供基於130KHz RFID晶片陣列之植入式血糖監視裝置的設計細節及初步實驗結果。但該專利案並未提供該裝置如何能夠監測多於一個生理參數之資訊。又，該專利案揭示的核心技術尚待發展中。US 2013/0211213 A1揭示一種植入式生物感測器其使用LED及發光光譜分析檢測技術。該裝置具有若干缺點；第一，在皮膚下方發光的LED可能造成此種裝置皮下植入病人感覺不適，特別於社交場合尤為如此；第二， LED消耗相當量的電力，可能造成病人的不方便及更進一步不適，原因在於該裝置要求頻繁充電，及外部讀取器可能必須置於該裝置植入該身體部位近處，以便該裝置無線充電；及第三，但最要緊地，該裝置無法長期植入病人體內，原因在於該裝置係基於發光光譜分析技術，於使用後傾向於弱化感測器的響應及安定性，原因在於出現在該感測器之光化反應可能有損該感測器。基於RFID技術之目前植入式生化參數監視系統係藉以微處理器為主的RFID晶片整合。於此等系統中，該生化參數監視系統係整合該RFID晶片之核心電路，因此一系統只能監視一特定參數。美國專利案第7,125,382號揭示於RFID晶片核心內部之一血糖感測器。此種裝置之缺點為只能配備一特定血糖監測能力，及並未揭示該裝置如何監測多於一項生理參數。也未曾解決生物相容性問題及高準確度溫度感測問題。
因此，本發明之目的係提出於一個體用於生物參數監視之一完全植入式裝置，於該處該裝置可監視多於一個生理參數。
發明概要
於全文說明書中，除非上下文另行要求否則「包含」一詞或其變化詞諸如「包含」或「包含」係將解譯為包含在內而非排它性。
又復，於全文說明書中，除非上下文另行要求否則「包括」一詞或其變化詞諸如「包括」或「包括」係將 解譯為包括在內而非排它性。
於一第一實施例中，本發明提出一種用於監視一個體之至少一個生理參數之一完全植入式裝置，該裝置包含至少一個感測器經組配以產生代表該生理參數之一感測器信號，各個感測器具有至少一個電極及至少一個膜適用以分開該電極與該裝置外部之一介質，一可規劃晶片經組配以接收、處理及發射該感測器信號，及一殼體適用以容納該感測器及該可規劃晶片。
較佳地，該膜為一半通透性或選擇性通透性膜。也較佳地該膜對水分子為不透性。
較佳地，該膜接觸該介質之一部分實質上與該殼體之一外表面分享一邊界。
較佳地，該殼體包括一生物相容性塗層，及甚至更佳地，該塗層包含聚醚醚酮(PEEK)或聚對二甲苯(parylene)。業界常用的其它生物相容性塗層也可用於此處，例如二氧化鈦(TiO2)。
較佳地，該感測器為一電化學感測器。較佳地該感測器為一單一感測器，包含一輔助電極、一參考電極及多於一個工作電極。也較佳地此種感測器係經組配以檢測多於一個獨特生理參數及產生代表及相對應於各個獨特生理參數之感測器信號。
另外，該裝置包含多於一個感測器及各個感測器較佳地經組配以檢測一獨特生理參數及產生代表該獨特生理參數之一感測器信號。較佳地，此等感測器中之至少一 者為一電化學感測器及此種電化學感測器可包含一輔助電極、一參考電極及多於一個工作電極。
較佳地，該感測器包括至少一個酶。較佳地，該等酶中之至少一者為葡萄糖氧化酶。
較佳地，該可規劃晶片經組配以透過一無線通訊協定發射該感測器信號。較佳地該無線通訊協定為射頻識別(RFID)，但須瞭解針對本發明可具現其它無線通訊協定，例如Wi-Fi及藍牙。較佳地該RFID係基於一13.56百萬赫茲(MHz)RFID標準。
較佳地，該裝置包括一電源供應器，於該處該電源供應器中之電力較佳地係無線地產生。
較佳地，該裝置包括一溫度轉換器適用以測量該裝置之該溫度及產生一溫度度量信號。
較佳地，該裝置包括一天線。
較佳地，該裝置係經由腸道外或腸道手段可植入一個體內。須瞭解該裝置可藉常用已知方法及手段，例如透過直接注射至期望組織而植入一個體內。
於一第二實施例中，本發明提出一種用於監視一個體之至少一個生理參數之系統，該系統包含依據本發明之第一實施例之一完全植入式裝置，及至少一個處理器，其中該裝置係可操作而與該處理器呈資料通訊，及該處理器係配置以接收該個體之生理參數之一資料集。
較佳地，該處理器包含用於接收生理參數之該資料集之一讀取器。甚至更佳地，生理參數之該資料集係進 一步發送至一中央伺服器用於進一步處理及儲存。
於一第三實施例中，本發明提出一種用於依據本發明之第一實施例之一完全植入式裝置之讀取器，於該處該讀取器可操作而與該完全植入式裝置呈資料通訊。
於一第四實施例中，本發明提出一種套組包含依據本發明之第一實施例之一完全植入式裝置及用以將該裝置植入一個體內之一構件。
100‧‧‧完全植入式裝置
101‧‧‧生物相容性塗層
104‧‧‧印刷電路板(PCB)
105‧‧‧電源供應器
106‧‧‧高頻天線
107‧‧‧電極
108‧‧‧膜
109‧‧‧ASIC模組
110‧‧‧RFID基頻模組
111‧‧‧殼體
112‧‧‧讀取器
113‧‧‧線上伺服器
114‧‧‧輔助電極
115‧‧‧系統、參考電極
116、117、118、128‧‧‧工作電極
120‧‧‧PCB基板
121-124‧‧‧半透膜
125‧‧‧肥粒鐵心
126‧‧‧氧化物陶瓷
127‧‧‧銅線圈
129‧‧‧生物活化劑層
130‧‧‧選擇性通透膜
610‧‧‧RF天線
612‧‧‧RF限幅器
620‧‧‧整流器
622‧‧‧限壓器
630‧‧‧電力管理模組
640‧‧‧多工器
650‧‧‧類比至數位轉換器(ADC)
660‧‧‧時鐘
670‧‧‧負載調變器
680‧‧‧可電氣抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)
690‧‧‧數位基頻模組
現在將參考附圖僅供舉例描述本發明，附圖中：圖1提供本發明之裝置之一示意代表圖。
圖2提供本發明之系統之一示意代表圖。
圖3提供該感測器之一實施例之一代表圖。
圖4提供該感測器之另一實施例之一代表圖。
圖5提供本發明之裝置之一天線之一代表圖。
圖6顯示依據本發明之一實施例作為該裝置之部件的該介面及感測電路之一電路方塊圖。
本發明之其它配置亦屬可能，因此，須瞭解附圖並非替代先前本發明之描述的概括通用性。
較佳實施例之詳細說明
現在參考附圖其係用於例示本發明之各個面向而非限制之，圖1顯示本發明之一完全植入式裝置之一示意代表圖。片語「完全植入式」用於此處表示該裝置可置於一個體體內而無任何暴露部分，及也可用以表示該裝置當 完全植入時係實質上被其預期放置於其中該組織之細胞所包圍。本發明之完全植入式裝置能夠監視一個體之至少一個生理參數。一「生理參數」用於此處表示一有機體之一可度量因素，例如，血糖、鈣或膽固醇濃度。一「個體」用於此處表示一有機體及可包括但非僅限於人類及動物。
於圖1中，該完全植入式裝置100包括一殼體111、一生物相容性塗層101、一ASIC模組109、一RFID基頻模組110、PCB 104、電源供應器105、高頻天線106、及一電化學感測器包含電極107、膜108、及一生物活性劑層(圖中未顯示)。該電化學感測器包括電氣連結該等電極107之PCB 104部分。該裝置100也包括一溫度感測器(圖中未顯示)用以量測該裝置之溫度及產生一溫度度量信號。該溫度感測器監視裝置100之溫度以校準及最佳化已經發現與溫度有關聯之該信號輸出。由該裝置100所產生的信號品質要求有一受溫度影響的穩定參考電壓，原因在於較佳地裝置100之積體電路在CMOS帶隙技術上操作產生了與在一狹窄P/N帶隙內部感應之某個溫度範圍有密切關聯的一穩定電壓。因此電壓之安定性須在該狹窄P/N帶隙內部之該可接受溫度之可接受的起伏波動以內。
須瞭解電源供應器105無需為主動電源，諸如電池，反而可被動地衍生其電力。
膜108減低了電極107，特別工作電極及參考電極間要求的驅動電壓，因而有效延長了電化學感測器之使用壽命。膜108也是生物相容性及對環境干擾具有抗性。膜108 可為完全通透性、半通透性、選擇通透性或不通透性。完全通透性膜許可全部分子通過其中，而半通透性膜為只許可某些分子通過其中而不許可其它分子通過其中之膜，於該處此等膜通常係根據大小來區別該等分子。但選擇通透性膜選擇哪些類型分子可通過其中，於該處此種選擇典型地係根據某些因素，例如分子之電荷。不通透性膜實質上阻擋全部分子通過該膜。於一個實施例中，該生物活化劑可位在膜108上。另外，該生物活化劑可直接位在電極107表面上或位在膜108與電極107之感測表面間之一獨立層。於較佳配置中，膜108之表面可與該殼體111或該塗層101連續，亦即該等膜108面對裝置外部之介質例如胞外基質或間質液的該部分，可實質上與與該殼體111或該塗層101分享相同邊界。另外，呈單塊或多塊，膜108可封裝及覆蓋裝置100之外表面。當膜108係大於至電極107的開口時，該層膜108可覆蓋在生物相容性塗層101(若有)上方。但須瞭解當膜108係大於電極107的開口時，該生物相容性塗層101也可覆蓋於膜108上方。但於任一種情況下，該生物相容性塗層101不應實質上覆蓋至電極107的開口，因而妨礙了分子的近接，特別電極107之分析目標的近接。此等配置為優異，原因在於裝置100表面須足夠光滑以便利該裝置之容易植入。此外，於配置中，膜108可與該殼體111或該塗層101不連續，舉例言之，於該處膜108位置較接近電極107而遠離由該殼體111或該塗層101之外表面所形成的邊界，在該殼體111與膜108間之裂隙可能存在有非期望蛋白質堆積，其 可能影響生理參數之度量，原因在於此種蛋白質堆積可能對分析目標的接近電極107造成立體阻礙，因而增加了信號對雜訊比。膜108具有數種保護功能：第一，其為生物相容性結構；第二，其提供對抗水、酸及鹼之保護，及對環境干擾之抗性；及第三，藉減低電極107間要求的驅動電壓，可延長電極壽命，因而比起目前技藝界已知之裝置，許可裝置100維持植入較長時間。
於圖1中，電化學感測器包含部分PCB 104(電極107附接其上)、電極107、及膜108。電化學感測器經由電化學手段測量期望的生理參數，其包括但非僅限於電流計量、電壓計量、電導測量及電阻抗光譜術(EIS)感測方法。電化學手段可涉及化學反應，典型地催化反應，結果導致可經測量的電子產生或消耗；或可涉及化學交互作用，諸如分子間之結合事件，其造成結合分子之電偶極或電荷之移位/改變，於該處可度量此種電偶極或電荷之移位/改變。此等被測對象可通稱作信號。如技藝界一般瞭解，該電化學感測器可為二(2)電極或三(3)電極系統。於二(2)電極系統中有兩個電極，亦即一個工作電極及一輔助電極，二電極形成一電路，於該處檢測/度量通過該電路之電流。當工作電極操作類似陽極時，輔助電極可用作為陰極，及反之亦然。於三(3)電極系統中，有一額外參考電極其給工作電極提供參考電位。電極107係製自業界一般已知之材料，例如，工作電極及輔助電極可製自碳，而參考電極可製自銀/氯化銀。優異地係將電化學感測器用於裝置100，原因在於 此等感測器具有固有的敏感度及簡約性。又，所產生的信號容易經由合宜電子組件之使用予以放大以獲得病人之更佳資訊及資料。又復，電化學感測器容易結合於裝置100，及與膜108一起良好工作而準確地敏感地度量期望之生理參數。但熟諳技藝人士可耴預期使用其它型別之感測器替代電化學感測器，諸如光學、聲學及比色感測器。但此等感測器於本具現為無用，原因在於此等感測器比起電化學感測器通常較不敏感，此等感測器於安裝時將可能使得植入式裝置之內部架構變複雜化，及所得資料可能不可靠，例如，聲學感測器中之聲波可由周圍結構吸收，因而影響信號之可信度。
圖1中之電化學感測器較佳為電流計量感測器，於該處目標進行催化化學反應(通常於工作電極)而產生電子，其於該感測器的電路形成電流，因而所產生的電流強度係與測量目標之濃度成正比。電流藉ASIC模組109測量及處理，該ASIC模組109與RFID基頻模組110通訊。該RFID基頻模組RFID基頻模組110自該ASIC模組109接收所測量之電流上的資料/資訊，及透過高頻天線106傳輸此種資料給一讀取器112。於此種情況下，測量電流之該信號為類比信號，但取決於應用，熟諳技藝人士將瞭解該信號亦可為數位信號。
須瞭解生物活化劑乃一實體其可引發化學反應或改變化學反應速度，於該處該反應產物可用於檢測及度量該期望之生理參數。生物活化劑可包括但非僅限於生物 催化劑及非生物催化劑。非生物催化劑之一實施例為光催化劑，其當曝光時催化一反應，但運用光催化劑之裝置的使用壽命短，此等裝置之設計結構通常複雜。以生物催化劑為佳，生物催化劑之一實施例為一種催化劑，其催化反應製造電子而在電極107中產生了電流，該電流表示度量的生理參數。不同的生物活化劑可用以測量不同目標，例如葡萄糖氧化酶用於測量血糖，ATPase用於測量有氧代謝，乳酸氧化酶用於測量骨頭內之鈣充裕度，及脂肪氧合酶用於測量膽固醇濃度。ASIC模組109維持針對生理參數之同步或非同步度量功能。不同生理參數之度量可藉單純改變全部電極107、只改變工作電極、或改變於該電極107之生物活化劑完成，藉重複測量可改善度量準確度。首先可度量血糖作為糖尿病之最重要生理參數，其後為血脂，因此主要度量目標設定為血糖，因而主要生物活化劑為葡萄糖氧化酶。ASIC模組109係經組配以調整適應不同生理參數之度量，原因在於須瞭解關聯不同生理參數有不同的可接受範圍，例如於人體，根據美國糖尿病協會之正常飯前血糖濃度為70-130毫克/分升(mg/dL)(約3.9-7.2毫莫耳/升)；根據新加坡國家心臟中心期望之總血中膽固醇濃度係低於200mg/dL(約5.5毫莫耳/分升)；及正常人體溫度範圍為36.5-37.5℃。
該生物相容性塗層101耐受水分、酸類及鹼類，及提供生物相容性，使得該裝置100當植入時不會提引出毒性效應或免疫原性效應或損傷周圍組織。因此，當一裝置 或材料在特定應用中能夠提引出適當生物反應，不會於活組織產生毒性、損傷、或免疫原性反應時，該裝置或材料被考慮為生物相容性，於該處提引出適當生物反應可包括絲毫也不提引出生物反應。較佳地，使用聚對二甲苯(parylene)或聚醚醚酮(PEEK)作為生物相容性塗層。聚對二甲苯或PEEK不僅提供良好機械效能及化學效能，諸如抗張強度、耐壓性及防蝕性，同時也提供目前可用的最佳無害醫療材料中之一者。生物相容性塗層101施用於裝置上的每一處，但膜108所在位置除外。
該裝置100可透過腸道外及/或腸道手段植入，其包括但非僅限於肌肉、靜脈、皮下、口服或經皮手段。較佳地，該裝置100係透過直接注射入目標組織而植入。裝置100之植入可利用技藝界一般已知手段達成，例如若藉注射植入，則該裝置100可使用標準醫療注射針及不鏽鋼針頭，內徑2毫米，注射入個體表皮層下方距皮膚表面2-3毫米深度。該裝置100也可使用特殊製造的植入裝置植入，於該處該裝置100及該植入裝置可一起形成一套組。
轉向參考圖2，該圖顯示該完全植入式裝置100已經植入於個體，該裝置100為一系統115之一部分，於該處以RFID/ASIC技術為基礎，裝置100組合被動高頻感測技術及網路技術。已由裝置100收集的生理參數之相關資料係無線傳輸至讀取器112，讀取器112處理及傳送該等資料給一線上伺服器113。須瞭解讀取器112可透過有線裝置或無線裝置傳輸該資料給該線上伺服器113。該資料可由病人及 醫事人員存取，因而許可有效地及時地監視一病人的生理參數，及當接受監視病人的生理參數不符合正常可接受生理範圍時對病人作治療。舉例言之，根據美國糖尿病協會人類之正常飯前血糖濃度為70-130毫克/分升(mg/dL)，因此若病人的飯前血糖濃度超過此一範圍，則將提醒相關醫事人員。該裝置較佳採用13.56MHz高頻RFID標準，縮小了天線106的實體尺寸，使得裝置100更為精簡，有更高增益，簡化了製程及降低了裝置100之製造成本。該裝置100可主動測量生理參數，及當讀取器112被調整接近該裝置100時，此等測量之相關資料可被傳輸給讀取器。另外及較佳地，具有一RFID收發器之該讀取器112可藉產生一信號，指示裝置100開始度量該期望之生理參數，以生成一相對應信號及傳輸該信號而起始與裝置100之通訊過程。當透過電力轉換步驟及經由收集資料之信號請求而藉讀取器112致動時，該裝置100開始致動該感測器的類比前端及介面電路以收集該等期望之生理參數之資料，及其後傳輸此種資料給讀取器112。
該裝置100也可與植入病人體內之第二裝置或系統有線地或無線地一起工作，當該裝置100檢測得病人之監視生理參數未能滿足正常可接受的生理範圍時，該第二裝置或系統可發揮體內恆定效果。發揮體內恆定效果包括但非僅限於例如透過藥物的使用而誘導病人的異常生理參數改變成正常穩定態。以糖尿病人為例，裝置100可與植入病人體內之一人工胰系統有線地或無線地通訊。此點係與傳 統應用相反，於該處人工胰系統獲得有關病人血糖濃度之資訊係得自在病人體外進行測試，通常涉及抽血。運用本發明，優異地，當病人血糖超過正常生理範圍時，裝置100可提醒人工胰系統釋放適當胰島素以矯正病人的異常血糖濃度。
電化學感測器之不同實施例將參考圖3及圖4以進一步細節說明。於如圖3顯示之該電化學感測器之一個實施例中，該感測器包括一PCB基板120、一輔助電極114、一參考電極115、針對同型目標(例如血糖)之多個工作電極116、117、及針對與藉工作電極116、117檢測之不同目標(例如脂質)的一工作電極118。半透膜121至124係設於電極上，於該處膜122及123包括用以檢測相同目標的生物活化劑，例如位在膜122及123上的生物活化劑為葡萄糖化酶，而膜124包括用以檢測另一目標的生物活化劑，例如位在膜124上的生物活化劑為脂肪氧化酶。藉使用兩個電極116、117檢測相同目標，使得與該相同生理參數有關之度量數目增加，因而導致具有更佳準確度之更可靠輸出。另外，此等電極116、117可以交替方式工作，藉此每次只有一個電極116或117進行期望之生理參數的度量，藉此延長電極116、117的使用壽命。圖1中之電極107係類似輔助電極114、參考電極115及工作電極116、117、118。膜108係類似膜122、123、124。於此配置中，該ASIC模組109利用輔助電極114、參考電極115、及在膜122及123上有相同生物活化劑之工作電極116、117，及具有在膜124上之生物活化 劑的工作電極118以同時或串列度量非同質目標。該ASIC模組109也可利用輔助電極114、參考電極115、及在膜122及123上有相同生物活化劑之工作電極116、117以同時或串列度量同質目標。舉例言之，葡萄糖氧化酶可分別提供在多個工作電極116及117上之膜122及123上，其又轉而用以收集血糖資訊。另一方面，非同質目標設定為血脂，及血脂濃度之相關資料係經由在膜124上具有生物活化劑的工作電極118收集用以檢測非同質目標。
於針對裝置100之電化學感測器之另一實施例中，圖4顯示一工作電極128具有覆蓋於該工作電極128上之一生物活化劑層129。該生物活化劑層129包含鋨金屬錯合物及葡萄糖氧化酶，其可減低該工作電極與參考電極間之驅動電壓，及延長電化學感測材料之使用壽命。氧化還原反應(redox)出現在電極128，此等反應將為熟諳技藝人士眾所周知。但為了避免疑慮，在工作電極128進行的本方法之化學反應表示如下：
因此，氧化還原反應期間移轉給電極工作電極128之電子量係與葡萄糖濃度成正比。
一選擇性通透膜130係提供於該生物活化劑層129頂上。該選擇性通透膜130對水為不透性，亦即可停止水分子的穿透，及其許可葡萄糖以約50之因數的減低比率擴散至電極128。因此，於氧化還原反應期間，在感測電路 轉移之電子數有效被抑制，及工作電壓大減。由於生物活化劑層129之存在，氧化還原過程不仰賴在氧化還原系統外部的額外氧分子。此種特性確保血糖資料從該工作電極穩定輸出。於本實施例中，感測器之工作面積約為0.15平方毫米，及針對200-500毫升/分升之血糖密度，可達成0.1nA/(mg/dL)之測量準確度。較佳地，工作電極與參考電極間之電壓為40mV。
圖4顯示屬高頻天線之該天線106之線圈架構。天線106可使用如熟諳技藝人士已知之化學或物理製造方法生產。於此一實施例中，天線106之銅線圈127係藉施用高介電常數氧化物陶瓷126(例如Al2O3)至高頻肥粒鐵心125上形成。此種架構可改進系統安定性及應用性，及亦減低製造成本。天線106之實體尺寸縮小，原因在於採用具有高導磁率之肥粒鐵作為天線106之鐵心。該等線圈127藉感應由該讀取器112觸發之高頻電磁場而供電給系統，及亦作為裝置100之資料收發器。當讀取器112與裝置100彼此接近放置時，該裝置之天線106藉電磁感應而產生電力以啟動該裝置100。其後，自該裝置100取得之資訊無線地傳輸給該讀取器112。因該系統採用高頻RFID設計原理，故該裝置100之天線106可透過化學蝕刻處理。藉此方式，可改良系統115之安定性同時減低製造成本。
圖6顯示以電子晶片形式具現的該裝置100之一介面電路及感測電路之一實施例，該電子晶片可為或生成PCB 104之部分。該介面電路及感測電路包含一RF天線610 其可操作以接收/發送RF輸入/輸出(呈資料封包形式)自/至讀取器112；一整流器620可操作以整流所接收的RF輸入；一電力管理模組630可操作以接收已整流的RF輸入，部分RF輸入用以供電給該模組630。當供電啟動時，該電力管理模組630進一步可操作以：a.提供驅動電壓AVDD以驅動電極107；b.提供驅動電壓VDD_ADC以驅動類比至數位轉換器(ADC)650；及c.提供驅動電壓DVDD以驅動其它組件，諸如信號解調器，時鐘660；多工器640；負載調變器670；EEPROM 680及數位基頻模組690等。
RF限幅器612可設置並聯該RF天線610以保護RF電路。同理，整流器可包含限壓器622用於電路保護。
於操作中，得自葡萄糖感測器介面及溫度感測器介面之度量信號經多工化及轉換成一數位資料封包用以饋進該數位基頻模組690，其將該數位資料封包轉換成一傳輸資料封包欲發送至讀取器112。在透過該RF天線610發送給讀取器112之前，該傳輸資料封包可被發送至一負載調變器用於信號調變。
依據本發明之另一實施例，該讀取器112可嵌入一行動裝置內，諸如行動智慧型裝置。該行動裝置可包含安裝其上之專用軟體應用程式，用於許可讀取器112與裝置100間之資料通訊。行動裝置可進一步包含必需使用者介面，以活化裝置100而收集個體之生理參數之度量值，及其 後收集傳輸自該裝置100之資料。
須瞭解前述實施例僅供舉例說明本發明，諸如後文詳述者，對相關技藝界之熟諳技藝人士顯然易知的進一步修改及其改良被視為落入於本發明之廣義範圍及範疇內。更明確言之，不背離本發明之範圍可做下列增添及/或修改：
●該等電化學感測器可串聯或並聯排列。
●形成該等電極之材料包括碳、石墨烯、玻璃碳、及貴金屬諸如金及鉑。
●該等電極可以任何特定方式排列於該裝置內，只要該等電極可近接其預期目標用以度量相關生理參數即可。
●該膜之厚度、親水性、斥水性、電荷可根據本發明之裝置之應用改變。
此外，雖然已經討論個別實施例，但須瞭解本發明也涵蓋業已討論之該等實施例之組合。
此處使用的擇定術語之其它定義出現於本發明之詳細說明部分且適用於全文。除非另行定義否則此處使用的全部其它科學及技術術語皆具有本發明所屬技藝界熟諳技藝人士一般瞭解的相同定義。
100‧‧‧完全植入式裝置
101‧‧‧生物相容性塗層
104‧‧‧印刷電路板(PCB)
105‧‧‧電源供應器
106‧‧‧高頻天線
107‧‧‧電極
108‧‧‧膜
109‧‧‧特定應用積體電路(ASIC)模組
110‧‧‧射頻識別(RFID)基頻模組
111‧‧‧殼體

Claims (27)

  1. 一種用於監視一個體之至少一個生理參數之完全植入式裝置，該裝置包含：a.至少一個感測器經組配以產生代表該生理參數之一感測器信號，各個感測器具有至少一個電極及至少一個膜適用以分開該電極與該裝置外部之一介質；b.一可規劃晶片經組配以接收、處理及發射該感測器信號；及c.一殼體適用以容納該感測器及該可規劃晶片。
  2. 如請求項1之完全植入式裝置，其中該膜為一半通透性或選擇性通透性膜。
  3. 如請求項2之完全植入式裝置，其中該膜對水分子為不透性。
  4. 如請求項1至3中任一項之完全植入式裝置，其中該膜接觸該介質之一部分實質上與該殼體之一外表面分享一邊界。
  5. 如請求項1至4中任一項之完全植入式裝置，其中該殼體包括一生物相容性塗層。
  6. 如請求項5之完全植入式裝置，其中該生物相容性塗層包含聚醚醚酮(PEEK)或聚對二甲苯(Parylene)。
  7. 如請求項1至6中任一項之完全植入式裝置，其中該感測器為一電化學感測器。
  8. 如請求項7之完全植入式裝置，其中該感測器為一單一 感測器包含一輔助電極、一參考電極及多於一個工作電極。
  9. 如請求項8之完全植入式裝置，其中該感測器係經組配以檢測多於一個獨特生理參數及產生代表及相對應於各個獨特生理參數之感測器信號。
  10. 如請求項1至7中任一項之完全植入式裝置，其中該裝置包含多於一個感測器。
  11. 如請求項7之完全植入式裝置，其中各個感測器係經組配以檢測一獨特生理參數及產生代表該獨特生理參數之一感測器信號。
  12. 如請求項10或11之完全植入式裝置，其中至少一個感測器為一電化學感測器。
  13. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該感測器包括至少一個酶。
  14. 如請求項11之完全植入式裝置，其中該酶為葡萄糖氧化酶。
  15. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該可規劃晶片經組配以透過一無線通訊協定發射該感測器信號。
  16. 如請求項15之完全植入式裝置，其中該無線通訊協定為射頻識別(RFID)。
  17. 如請求項16之完全植入式裝置，其中該RFID係基於一13.56百萬赫茲RFID標準。
  18. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該裝置 包括一電源供應器。
  19. 如請求項18之完全植入式裝置，其中於該電源供應器中之電力可無線地產生。
  20. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該裝置包括一溫度轉換器適用以測量該裝置之該溫度及產生一溫度度量信號。
  21. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該裝置包括一天線。
  22. 如先前請求項中任一項之完全植入式裝置，其中該裝置係經由腸道外或腸道手段可植入一個體內。
  23. 一種用於監視一個體之至少一個生理參數之系統，該系統包含如請求項1至22中任一項之一完全植入式裝置，及至少一個處理器，其中該裝置係可操作而與該處理器呈資料通訊，及該處理器係配置以接收該個體之生理參數之一資料集。
  24. 如請求項23之系統，其中該處理器包含用於接收生理參數之該資料集之一讀取器。
  25. 如請求項23或24之系統，其中生理參數之該資料集係進一步發送至一中央伺服器用於進一步處理及儲存。
  26. 一種用於如請求項1至22中任一項之一完全植入式裝置之讀取器，其中該讀取器可操作而與該完全植入式裝置呈資料通訊。
  27. 一種套組，包含如請求項1至22中任一項之一完全植入式裝置及用以將該裝置植入一個體內之一構件。
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