TW201545718A - 信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件，用以對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，係注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號；以及對該感測信號進行處理以輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號，並對該微小交流電信號與該感測信號兩者進行處理以輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性以及建立用以表示該生理特性的等效電路參數模型。

Description

信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件
本發明係關於一種信號處理技術，更具體而言，係關於一種利用待測量之生物組織本身的電阻特性以及電容特性，將一生物阻抗資訊分為增益以及相位兩部分進行檢測的信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件。
生物阻抗技術是臨床醫學與生物醫學上一項重要的技術，主要是基於生物組織本身既有的電氣特性及頻率響應特性，以定性或定量化各生物組織的特徵行為，來觀察不同的生物組織之間特徵行為所表現出來的差異性。
生物阻抗技術早期應用在運動員體適能評估、減重、體脂計及營養學上。近期則著重應用於血液、體液及不同身體組織的狀態變化監測，例如：心衰竭治療、呼吸參數量測、細胞特性偵測、患者的營養狀態、心肺功能評估和生物阻抗影像。近年來，更有將生物阻抗技術應用於癌症檢測，以比較正常細胞與癌細胞之間的差異，作為術後的癌細胞增長與否及判斷癌症是否發生復發或轉移等現象之重要參考依據。
生物阻抗技術相較於其他檢測方法(例如：同位素法、放射性鉀追蹤、超音波、核磁共振造影及電腦斷層掃描等)而言均具有操作簡便、分析快速、準確度高及非侵入性等優點。因此，生物阻抗技術無論在生物醫學或臨床醫學上皆為目前重要的發展方向。
誠如先前所述，生物阻抗技術可應用於癌症檢測上，尤其是術後的癌症病人在經由外科手術切除腫瘤細胞後，即使經由治療後臨床症狀消失，但隨著時間增長，仍有相當比例患者在原發腫瘤部位發現復發性腫瘤。因此，無論是術後或治療後仍需要透過定期追蹤和監控是否復發或發生轉移；而如何將此技術實現於植入式或可攜式生醫電子檢測系統更是目前研究的主要方向之一。
而在先前各種生物阻抗技術上，根據早期19世紀所提出的「惠斯同電橋」(Wheatstone Bridge)阻抗檢測技術，其用來精確量測未知阻抗的阻抗值，該技術將在中間放置一檢流計(Galvanometer)來檢測是否有電流經過；當檢流計讀數為零時，即為該檢流計兩端電位達到平衡相等，則得知待測物的阻抗值。該技術擁有高解析度、精確度及裝置操作簡單等優點，但相對在量測方面需要耗費較多的時間來調整電橋間的平衡，並且不適合用於會隨著時間不同而產生變化的生物阻抗，除此之外，該技術本身功率消耗較高以及該裝置需要較多的硬體空間來實現，因此該技術並不適用於植入式或可攜式生物阻抗檢測系統上。
而目前較為普遍所使用的「頻率響應分析」(Frequency Response Analyzer；FRA)技術中，其利用相敏檢測技術(Phase-Sensitive Detection；PSD)，透過此方法可直接得到阻抗的實部及虛部兩部分資訊，其主要利用原檢測信號分別與同相(In-phase)信號以及正交(Quadrature-phase)信號進行解調變動作以得到阻抗的實部與虛部信號；該檢測技術能夠提供較高的準確度及較為廣泛的適用頻率範圍，其在阻抗檢測速度上相較於前述的惠斯同電橋技術來得較快，並且能夠作持續性的檢測，不受待測物阻抗會隨著時間變化而改變等影響，並且其輸出信號即為該待測物阻抗的實部及虛部兩部分，能夠經由簡單運算來還原實際阻抗。
然而，就前述利用相敏檢測技術的生物阻抗技術而言，由於該技術主要是藉由兩種不同相位的參考時脈信號來進行解調變動作以獲得阻抗的實部及虛部信號，因此需要額外的電路來產生同相(In-phase)及正交相(Quadurature-phase)兩參考信號，此兩不同相位參考信號是否精準以及彼此間是否匹配，則會直接影響其解調變輸出結果，因此如何產生精準且匹配的不同相位參考信號產生是非常重要的一個環節，一來增加電路在實現上的複雜度，二來增加整體系統在功率上的消耗，如欲將其作為植入式或可攜式裝置，則會需要較多的硬體來實現，因此並不適合植入式或可攜式裝置的應用。
基於上述說明可知，植入式或可攜式生物阻抗檢測系統及實現該系統之方法實為相關技術領域研究人員目前亟欲探究之課題。
本發明欲達到之至少一目的在於提供一種可隨著生物阻抗變化來監控、減少硬體需求與功率消耗，且能降低實現複雜度的信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件。
為了達到上述及其他目的，本發明提供一種信號處理方法，用以對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，進而得到一待測量之生物組織的感測結果，其包括以下處理步驟：注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號；以及對該感測信號進行處理以輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號，並對該微小交流電信號與該感測信號兩者進行處理以輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性；除此之外，並可同時利用此兩信號還原表示該待測量之生物組織的生理特性的等效電路參數模型，以提供給例如臨床醫學或生物醫學工程等方面的研究。
本發明復提供一種信號處理系統，用以對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，進而得到一待測量之生物組織的感測結果，該生物組織係依據一刺激信號而產生用以供該感測器進行感測的感測信號，其包括以下構件：增益檢測模組，接收該感測信號，用以對該感測信號進行處理以輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號；以及相位檢測模組，接收該刺激信號，用以對該刺激信號以及該感測信號進行處理以輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性及建立用以表示該生理特性的等效電路參數模型。
上述本發明的信號處理系統中，該增益檢測模組至少包括：一信號放大器，用以放大該感測信號，以產生一放大信號；一第一方波產生器，用以將該感測信號轉換為一第一方波信號；一信號混合器(mixer)，其混合該放大信號及該第一方波信號，以產生一混合輸出信號；一濾波器，用以對該混合輸出信號進行濾波，將非所欲之頻率成分自該混合輸出信號濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號；一類比至數位轉換器，用以將該頻率經選擇之濾波輸出信號轉換成該第一數位輸出信號。
再者，上述本發明的信號處理系統中，該相位檢測模組至少包括：一第二方波產生器，用以將該刺激信號轉換為一第二方波信號；以及一時間數位轉換器，用以量化該第一方波信號與該第二方波信號之時間差距，以輸出該第二數位輸出信號。
本發明復提供一種生物阻抗檢測裝置，用以供一近身端裝置利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號進行信號處理，該生物阻抗檢測裝置包括：一微刺激產生器，用以提供該刺激信號予該待測量之生物組織；一生物阻抗檢測元件，用以內建前述的增益檢測模組以及相位檢測模組；一無線收發端，接收自該近身端裝置所發出的信號或傳送本端信號至該近身端裝置；一系統控制器，用以對該微刺激產生器以及該生物阻抗檢測元件進行控制，以供該近身端裝置藉由該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的阻抗資訊及建立用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型；一解調變器，用以解調該近身端裝置傳來的信號；一調變器，用以將傳送的本端信號進行調變；以及一無線能量傳輸介面，用以提供電能，以提供該解調變器、系統控制器、微刺激產生器、調變器及生物阻抗檢測元件所需的電能。
再者，上述本發明的生物阻抗檢測裝置係以晶片形式植入於該待測量之生物組織。此外，上述本發明的生物阻抗檢測裝置中，用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型係由一基層電阻與並聯的電阻及電容串聯所形成。
本發明之信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件可應用於測量不同信號之間的信號準位差及相位差，更可進一步應用於生物阻抗之檢測。在生物阻抗檢測上，可藉由測量生物組織對於刺激信號(stimulus signal)之頻率響應(包括：信號增益(|Z|)及相位(Φ))來推導該生物組織之阻抗資訊，且可進一步利用該阻抗資訊作為病症的診斷參考數據。同時，本發明之信號處理系統及方法與生物阻抗檢測裝置及元件具有良好的積體化特性，能夠有效解決習知阻抗檢測裝置硬體需求過多、功率消耗過高及設計複雜度高等問題。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之技術內容，熟悉此技術領域之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明之精神下，進行各種修飾與變更。
應留意到，本發明之實施例中所述信號依據不同實施方式可為電壓、電流或電荷信號。
圖1顯示本發明之信號處理系統10之一實施例之方塊圖，針對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，進而得到一待測量之生物組織的生理特性，而本發明之信號處理系統針對該感測信號所進行的信號處理是將該感測信號分為增益(|Z|)和相位(Φ)這兩部分來進行檢測，可利於還原出完整的待測量之生物組織的生理特性及還原用以表示該生理特性的等效電路參數模型，但不侷限於此，例如檢測出生物阻抗，並於檢測前，可利用注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，以該微小交流電信號作為刺激信號來對待測量之生物組織進行檢測，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號。另補充說明的是，前述微小交流電信號可例如為電流、電壓或電荷。
基於增益(|Z|)和相位(Φ)這兩部分的檢測，本發明的信號處理系統10至少包括：增益檢測模組以及相位檢測模組，該增益檢測模組用以接收該感測器對該待測量之生物組織所測得的感測信號，以對該感測信號進行處理從而輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號；而該相位檢測模組用以接收該刺激信號，以對該刺激信號以及該感測信號進行處理從而輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，即可利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性及建立用以表示該生理特性的等效電路參數模型。
該增益檢測模組至少包括：信號放大器101、第一方波產生器103、信號混合器105、濾波器107及類比至數位轉換器109；而該相位檢測模組至少包括：第二方波產生器111及時間數位轉換器113。
該信號放大器101，用以放大該感測信號，以產生一放大信號Sa 接收。如圖1所示，向待測量之生物組織注入一微小刺激信號，利用該信號放大器101擷取流經該待測量之生物組織所產生的第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 ，而可得到放大後的一放大信號Sa 。舉例而言，該信號放大器101可為電壓(V/V)、電流(I/I)、轉導(I/V)或轉阻(V/I)放大器，且該信號放大器101可具有一可調整增益，以該可調整增益放大該感測信號，而該可調整增益可視設計上的需求進行調整或校正。
該第一方波產生器103用以將該感測信號轉換為一第一方波信號。以圖1為例，判斷或比較該第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 的信號準位(電壓/電流)大小，且根據該判斷或比較結果產生一第一方波信號Ssq1 。倘若該第一輸入信號Sin1 大於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一方波信號Ssq1 可為一正向飽和輸出信號(例如：具有高邏輯準位(logic 1)之輸出信號)；倘若該第一輸入信號Sin1 小於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一方波信號為一負向飽和輸出信號(例如：具有低邏輯準位(logic 0)之輸出信號)。舉例而言，該第一方波產生器103可為各種電晶體放大器或比較器(comparator)，在兩輸入信號之間的信號準位(電壓/電流)差大於一預定臨限值時，產生邏輯1或0之輸出信號(數位電路)或產生飽和輸出信號(類比電路)。
該信號混合器105將該放大信號Sa 及該第一方波信號Ssq1 混合，以產生一混合輸出信號Smix 。舉例而言，該信號混合器105可為一混波器或混頻器(mixer)，用以對具有相同或不同頻率成分的該放大信號Sa 及該第一方波信號Ssq1 進行混合或混頻處理。
該濾波器107對該混合輸出信號Smix 進行濾波，將非所欲之頻率成分自該混合輸出信號Smix 濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號Sf 。舉例而言，視設計上之需求，該濾波器107可為各種不同的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶拒濾波器或以上濾波器的組合。
該類比至數位轉換器109用以將該頻率經選擇之濾波輸出信號Sf 轉換成與信號強度相關的第一數位輸出信號Sdout1 。舉例而言，視設計上之需求，該類比至數位轉換器109可為各種不同的類比至數位轉換器。
至於用以進行相位(Φ)檢測的相位檢測模組而言，該第二方波產生器111用以將該刺激信號轉換為第二方波信號Ssq2 。圖1中，判斷或比較該第二輸入信號Sin2 與參考信號(電壓/電流)Sref 的信號準位大小，且根據該判斷或比較結果產生一第二方波信號Ssq2 。倘若該第二輸入信號Sin2 大於該參考信號Sref ，則該第二方波信號Ssq2 為一正向飽和輸出信號(例如：邏輯1輸出信號)；倘若該第二輸入信號Sin2 小於該參考信號Sref ，則該第二方波信號Ssq2 為一負向飽和輸出信號(例如：邏輯0輸出信號)。
該時間數位轉換器113用以量化第一方波信號Ssq1 與第二方波信號Ssq2 之時間差距，並輸出與相位相關的第二數位輸出信號。以圖1為例，可將該第一方波信號Ssq1 的上升邊緣與該第二方波信號Ssq2 的上升邊緣之間的時間差轉換成一第二數位輸出信號Sdout2 ，或者將該第一方波信號Ssq1 的下降邊緣與該第二方波信號Ssq2 的下降邊緣之間的時間差轉換成一與相位相關的第二數位輸出信號Sdout2 。換言之，該時間數位轉換器113可將所接收之不同輸入信號的上升或下降邊緣之間的時間差轉換為一數位輸出信號。舉例而言，視設計上之需求，該時間數位轉換器113亦可以簡單的邏輯閘組合電路或時序電路來實現。
圖2顯示本發明之信號處理系統20之一較佳實施例之方塊圖，該信號處理系統20用以對所測得的感測信號進行增益(|Z|)部分的檢測處理，如圖2所示，該信號處理系統20至少包括：信號放大器201、比較器203、混波器205、濾波器207、及類比至數位轉換器209。
如圖所示，一電流I流經一阻抗Z，且在該阻抗Z兩端產生第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 。該信號放大器201與該比較器203分別接收該第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 。該信號放大器201以一可調整增益放大該第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 之信號準位(電壓/電流)差值，進而產生放大信號Sa 。應留意到，在本實施例中，該信號放大器201為一電壓(V/V)放大器。但在本發明之其他實施例中，該信號放大器201可視設計上的需求置換為電流(I/I)、轉導(I/V)或轉阻(V/I)放大器。
該比較器203比較該等第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 的信號準位大小，且根據該比較結果產生第一比較信號SC1 。倘若該第一輸入信號Sin1 大於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一比較信號SC1 可為一正向飽和輸出信號(例如：邏輯1輸出信號)；倘若該第一輸入信號Sin1 小於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一比較信號SC1 為一負向飽和輸出信號(例如：邏輯0輸出信號)。舉例而言，該比較器203可為能夠在兩輸入信號之間的信號準位差大於一預定臨限值時產生邏輯1或0之輸出信號(數位電路)或產生飽和輸出信號(類比電路)之電晶體放大器或比較器所替代。
該混波器205將該放大信號Sa 及該第一比較信號SC1 混合，以產生一混合輸出信號Smix 。舉例而言，該放大信號Sa 及該第一比較信號SC1 可能具有相同或不同的頻率成分，該混波器205將該放大信號Sa 及該第一比較信號SC1 進行混頻處理。
該濾波器207為一低通濾波器，用以對該混合輸出信號Smix 進行濾波，將低頻以外之信號成分濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號Sf (如保留低頻信號)。在本發明之其他實施例中，該濾波器207並不限定於低通濾波器。
該類比至數位轉換器209用以將該頻率經選擇之濾波輸出信號Sf 轉換成與信號強度相關的第一數位輸出信號Sdout1 。舉例而言，根據該頻率經選擇之濾波輸出信號Sf ，該類比至數位轉換器209可經選定為解析度更高或速度更快之其他類型類比至數位轉換器。
圖3顯示本發明之信號處理系統30之一較佳實施例之方塊圖，該信號處理系統30用以對所測得的感測信號進行相位(Φ)部分的檢測處理，如圖所示，該信號處理系統30至少包括：一第一比較器303、一第二比較器311及一時間數位轉換器(Time-to-Digital Converter；TDC)313。
如圖所示，一電流I流經一阻抗Z，且在該阻抗Z兩端產生第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 。該第一比較器303及第二比較器311分別接收該第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 。該第一比較器303比較該第一輸入信號Sin1 及第二輸入信號Sin2 的信號準位大小，且根據該比較結果產生第一比較信號SC1 。倘若該第一輸入信號Sin1 大於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一比較信號SC1 可為一正向飽和輸出信號(例如：邏輯1輸出信號)；倘若該第一輸入信號Sin1 小於該第二輸入信號Sin2 ，則該第一比較信號SC1 為一負向飽和輸出信號(例如：邏輯0輸出信號)。
類似地，該第二比較器311比較該第一輸入信號Sin2 與一參考信號Sref 的信號準位大小，且根據該比較結果產生第二比較信號SC2 。倘若該第二輸入信號Sin2 大於該參考信號Sref ，則該第二比較信號SC2 可為一正向飽和輸出信號(例如：邏輯1輸出信號)；倘若該第二輸入信號Sin2 小於該參考信號Sref ，則該第二比較信號SC2 為一負向飽和輸出信號(例如：邏輯0輸出信號)。
舉例而言，在本發明之其他實施例中，該第一比較器303及第二比較器311可為其他適當之電晶體放大器或比較器所替代。
該時間數位轉換器313接收該第一比較信號SC1 及第二比較信號SC2 ，且可將該第一比較信號SC1 的上升邊緣與該第二比較信號SC2 的上升邊緣之間的時間差轉換成一第二數位輸出信號Sdout2 ，或者將該第一比較信號SC1 的下降邊緣與該第二比較信號SC2 的下降邊緣之間的時間差轉換成一與相位相關的第二數位輸出信號Sdout2 。舉例而言，視設計上之需求，該時間數位轉換器313亦可以簡單的邏輯閘組合電路或時序電路來實現。
綜合圖2及圖3的內容可知，圖3所示的用以處理相位信號檢測的構件上，其所採用的技術為將分別經由兩比較器(303及311)對待測量之生物組織作信號擷取並轉為方波信號輸出，其中的第一比較器303則可以與圖2所示的比較器203同時共用，再將兩比較器(303及311)各自的輸出方波信號(SC1 及SC2 )作為時間數位轉換器313的輸入信號；由於兩信號(SC1 及SC2 )彼此之間有一定的相位差，等同於在時間上有一定的時間差距，因此利用時間數位轉換器313本身的特性能夠將兩信號(SC1 及SC2 )之間的時間差距量化並轉換為第二數位輸出信號Sdout2 輸出，而該第二數位輸出信號Sdout2 即為經過待測量之生物組織所產生的相位部分(Φ)的信號。
因此，本發明之信號處理系統解決現有阻抗檢測技術所帶來的不便及缺點，如無法隨著生物阻抗變化來監控、硬體需求較多、所產生參考信號的準確度、參考信號間是否匹配、實現上的複雜度和功率上的消耗等問題；並可產生較為準確且具較高參考價值的生理參數，以針對不同的病症做評估診斷。
圖4顯示本發明之信號處理方法之一實施例之流程圖，用以說明對測得的感測信號進行增益(|Z|)部分的檢測處理步驟。在步驟S401中，藉由以一可調整增益放大一第一輸入信號與一第二輸入信號之信號準位差值來產生一放大信號，此處理步驟用以放大所擷取到的待測量之生物組織信號(即前述的感測信號)，接著進入步驟S402。步驟S401可藉由例如一信號放大器實現。
在步驟S402中，藉由判斷該第一及第二輸入信號的信號準位大小來產生一第一方波信號，此處理步驟即用以將該放大後的生物組織信號轉換為第一方波信號，接著進入步驟S403。步驟S402可藉由例如一比較器實現。
在步驟S403中，藉由混合該放大信號及該第一方波信號來產生一混合輸出信號，接著進入步驟S404。步驟S403可藉由例如一混波器(或混頻器)實現。
在步驟S404中，對該混合輸出信號進行濾波，將非所欲之頻率成分自該混合輸出信號濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號，該濾波輸出信號作為增益信號，接著進入步驟S405。步驟S404可藉由例如一濾波器實現。
在步驟S405中，將該頻率經選擇之混合輸出信號轉換成一與信號強度相關的第一數位輸出信號，其為生物阻抗檢測的增益(|Z|)部分，接著流程結束。步驟S405可藉由例如一類比至數位轉換器實現。
圖5顯示本發明之信號處理方法之另一實施例之流程圖，其用以說明對所測得的感測信號進行相位(Φ)部分的檢測處理步驟。在步驟S501中，藉由判斷該第一及第二輸入信號的信號準位大小來產生一第一方波信號，此處理步驟即是將所擷取到生物組織信號(感測信號)轉換為第一方波信號，接著進入步驟S502。步驟S501可藉由例如一比較器實現。且補充說明的是，本步驟揭露的所擷取到生物組織信號可來自於前述圖4步驟S402所述的第一方波信號。
在步驟S502中，藉由判斷該第二輸入信號與一第一參考信號的信號準位大小來產生一第二方波信號，接著進入步驟S503中。步驟S502可藉由例如一比較器實現。且補充說明的是，此處理步驟即是對能使該待測量之生物組織產生感測信號的刺激信號轉換為第二方波信號，意即，將微刺激產生器所產生的刺激信號轉換為方波信號。
在步驟S503中，將該第一方波信號的上升邊緣與該第二方波信號的上升邊緣之間的時間差或者該第一方波信號的下降邊緣與該第二方波信號的下降邊緣之間的時間差轉換成一第二數位輸出信號，此處理步驟即用以量化第一方波信號與第二方波信號之時間差距，並輸出與相位相關的第二數位輸出信號，接著流程結束。步驟S503可藉由例如一時間數位轉換器實現。
因此，本發明之信號處理方法利用增益相位檢測技術進而得到一待測量之生物組織的生理特性，例如生物阻抗資訊，其檢測方式係根據列式(1)。
……………………………………式(1)
將生物阻抗資訊(Z)分為增益(|Z|)以及相位(Φ)兩部分信號來進行檢測，再利用檢測到的各別資訊或經由信號處理還原完整阻抗資訊以針對不同的病症作評估診斷。
已知前述待測量之生物組織的阻抗資訊可由實部(Re(Z))以及虛部(Im(Z))來表示，故該阻抗資訊的等效電路可由一基層電阻(Rb )與並聯的電阻(R)及電容(C)串聯所組成。由於刺激信號源主要可分為弦波信號以及方波信號兩種形式，因此該阻抗資訊的等效電路表示式將會隨著刺激信號源形式的不同作適當地修正。為方便說明，在本發明中將以弦波信號作為刺激信號源為例，而該生物組織的阻抗資訊其表示式如列式(2)所示。
……………………………………式(2)
當式(2)中的角頻率(ω)趨近於無限大時，其可得一基層電阻 (Rb )的資訊，如列式(3)所示。
………………………………………………………式(3)
並且將列式(2)中的  ωRC假設為常數A，而該常數A可表示如列式(4)所示。
………………………………………………………………式(4)
列式(4)根據列式(2)作代換，同時可表示為如列式(5)所示。
…………………………………………式(5)
將列式(5)代入列式(2)，可得到該生物阻抗其中的實部(Re(Z))，其可表示為如列式(6)所示；並且經由換算即可根據列式(7)，而得到一並聯電阻(R)。
…………………………………………………式(6)
………………………………………式(7)
再將已知的基層電阻(Rb)以及經由計算得到的常數A代入列式(4)，並且其中再代入角頻率大小，以求得一並聯電容(C)參數值，如列式(8)所示。
…………………………………………………………式(8)
將所檢測到生物阻抗(Z)的增益(|Z|)以及相位(Φ)兩部分資訊進行信號處理，即可還原組成該生物組織的阻抗資訊的等效電路中的各個元件的參數值(Rb、R、C)，建立起用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型，以提供給臨床醫學或生物醫學工程方面的研究，但不侷限於此。
應留意到，所屬技術領域中具有通常知識者基於圖4及圖5所載之流程圖內容應可清楚暸解到各該流程圖中之步驟可視設計需要而結合或同時實施。
圖6顯示本發明之生物阻抗檢測系統60之例示實施例。如圖所示，該生物阻抗檢測系統60包括生物阻抗檢測裝置600、感測器608及待測量之生物組織609。該生物阻抗檢測裝置600至少包括：無線收發端601、無線能量傳輸介面602、解調變器603、系統控制器604、微刺激產生器605、調變器606及生物阻抗檢測元件607。
生物阻抗檢測裝置600為可植入於待測量之生物組織609內或由待測量之生物組織609本端所攜帶的貼身端裝置，甚至是可為醫師或護理人員所監控的近身端裝置(在此未予以圖示)，近身端裝置與貼身端裝置係採用無線耦合方式進行能量、資料以及控制信號的傳輸，再透過貼身端裝置的無線能量傳輸介面產生整個晶片系統所需的操作電壓，以及系統控制器604來對刺激和檢測作控制，如此醫師或護理人員可透過近身端裝置來分析該貼身端裝置所檢測到受檢人員之受檢部位的生物阻抗信號，進而得到該待測量之生物組織的阻抗資訊及建立用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型。該感測器608測量得到待測量之生物組織609的生物阻抗信號，並且將所檢測到的生物阻抗信號傳輸至生物阻抗檢測裝置600進行前述圖4及圖5所述的步驟處理。該感測器可依待檢測部位而有所不同，如放置於體表上的體表電極(Body-Surface Recording Electrode)、放置於體內的體內電極(Internal Electrode)、電極陣列(Electrode Arrays)以及用於觀察細胞層面上相關特性的微電極(Microelectrode)等，但不侷限於此。
該無線收發端601、無線能量傳輸介面602、解調變器603、系統控制器604及調變器606係用以進行信號傳輸，且均不限定於設置在該生物阻抗檢測裝置600內。該微刺激產生器605係用以提供刺激信號予該待測量之生物組織609，且亦不限定於設置在該生物阻抗檢測裝置600內。該生物阻抗檢測元件607係如上述圖1實施例所載的信號處理系統，可基於該感測器608所測量得到的阻抗信號進行對應之信號處理，進而推導得到該待測量之生物組織609的完整阻抗資訊。此外，須特別提出說明的是，由圖2及圖3可知，本發明之生物阻抗檢測元件607在檢測增益信號以及檢測相位信號中，兩部分就測得的待測量之生物組織的感測信號轉換為方波信號用的比較器(或方波產生器)是可以共用的，因此，可降低硬體需求以及成本。
該無線收發端601接收自醫師或護理人員所監控的近身端裝置的近身端無線收發機所發出的信號，透過無線能量傳輸介面602將其轉換為能量以提供解調變器603、系統控制器604、微刺激產生器605、調變器606及生物阻抗檢測元件607所需的操作電壓。在該生物阻抗檢測裝置600中的無線收發機601所接收的信號另一路徑則是經由解調變器603解調為控制信號，傳輸給系統控制器604對微刺激產生器605所產生的刺激波形頻率、振幅大小以及控制生物阻抗檢測元件607；該解調變器603和調變器606主要分別將接收醫師或護理人員所監控的近身端裝置所發送進來的信號解調或將欲傳送出去的檢測信號進行調變，有助於消除或減輕信號在傳輸通道中所遭致的衰減、干擾或諸如此類等問題。
當醫師或護理人員認為有必要調整生物阻抗檢測裝置600的機制時，可透過該近身端裝置所提供的使用者介面(在此未予以圖示)來修改所欲設定的刺激參數，並經由該近身端裝置所提供的信號控制與處理系統及無線收發機傳送到該生物阻抗檢測裝置600的無線收發端601，藉以進行如刺激參數修改或信號輸出格式的控制，以達到適時調整增益相位檢測參數來進行生物阻抗檢測及生理監控等目的。
本發明可應用於癌細胞檢測，可將圖6所示的生物阻抗檢測裝置600做成模組或晶片的形式植入於待測量之生物組織(癌症術後監控部位)，醫師或護理人員經由近身端裝置監視和操作載有控制指令之信號要求生物阻抗檢測裝置600進行刺激及檢測動作，並回傳載有生物阻抗的信號至近身端裝置，根據回傳的生物阻抗資訊進行運算分析並顯示，進而實現能以植入式或可攜式完成生物阻抗檢測處理的系統。
綜上所述，本案說明書所載實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
10‧‧‧信號處理系統
101‧‧‧信號放大器
103‧‧‧第一方波產生器
105‧‧‧信號混合器
107‧‧‧濾波器
109‧‧‧類比至數位轉換器
111‧‧‧第二方波產生器
113‧‧‧時間數位轉換器
20‧‧‧信號處理系統
201‧‧‧信號放大器
203‧‧‧比較器
205‧‧‧混波器
207‧‧‧濾波器
209‧‧‧類比至數位轉換器
30‧‧‧信號處理系統
303‧‧‧第一比較器
311‧‧‧第二比較器
313‧‧‧時間數位轉換器
60‧‧‧生物阻抗檢測系統
600‧‧‧生物阻抗檢測裝置
601‧‧‧無線收發端
602‧‧‧無線能量傳輸介面
603‧‧‧解調變器
604‧‧‧系統控制器
605‧‧‧微刺激產生器
606‧‧‧調變器
607‧‧‧生物阻抗檢測元件
608‧‧‧感測器
609‧‧‧生物組織
Sin1‧‧‧第一輸入信號
Sin2‧‧‧第二輸入信號
Sa‧‧‧放大信號
Smix‧‧‧混合輸出信號
Sf‧‧‧濾波輸出信號
Ssq1‧‧‧第一方波信號
Ssq2‧‧‧第二方波信號
Sdout1‧‧‧第一數位輸出信號
Sdout2‧‧‧第二數位輸出信號
Sref‧‧‧參考信號
SC1‧‧‧第一比較信號
SC2‧‧‧第二比較信號
圖1係本發明之信號處理系統之一實施例之方塊圖； 圖2係本發明之信號處理系統對於增益檢測處理之一較佳實施例之方塊圖； 圖3係本發明之信號處理系統對於相位檢測處理之一較佳實施例之方塊圖； 圖4係本發明之信號處理方法之一實施例之流程圖； 圖5係本發明之信號處理方法之另一實施例之流程圖；及 圖6係本發明之生物阻抗檢測裝置之架構示意圖。
10‧‧‧信號處理系統
101‧‧‧信號放大器
103‧‧‧第一方波產生器
105‧‧‧信號混合器
107‧‧‧濾波器
109‧‧‧類比至數位轉換器
111‧‧‧第二方波產生器
113‧‧‧時間數位轉換器
Sin1‧‧‧第一輸入信號
Sin2‧‧‧第二輸入信號
Sa‧‧‧放大信號
Smix‧‧‧混合輸出信號
Sf‧‧‧濾波輸出信號
Ssq1‧‧‧第一方波信號
Ssq2‧‧‧第二方波信號
Sdout1‧‧‧第一數位輸出信號
Sdout2‧‧‧第二數位輸出信號
Sref‧‧‧參考信號

Claims (14)

  1. 一種信號處理系統，用以對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，進而得到一待測量之生物組織的感測結果，該生物組織係依據一刺激信號而產生用以供該感測器進行感測的感測信號，其包括： 一增益檢測模組，接收該感測信號，用以對該感測信號進行處理以輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號；以及 一相位檢測模組，接收該刺激信號，用以對該刺激信號以及該感測信號進行處理以輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性及建立用以表示該生理特性的等效電路參數模型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之信號處理系統，其中，該增益檢測模組至少包括： 一信號放大器，用以放大該感測信號，以產生一放大信號； 一第一方波產生器，用以將該感測信號轉換為一第一方波信號； 一信號混合器(mixer)，其混合該放大信號及該第一方波信號，以產生一混合輸出信號； 一濾波器，用以對該混合輸出信號進行濾波，將非所欲之頻率成分自該混合輸出信號濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號； 一類比至數位轉換器，用以將該頻率經選擇之濾波輸出信號轉換成該第一數位輸出信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之信號處理系統，其中，該刺激信號係利用注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之信號處理系統，其中，該相位檢測模組至少包括： 一第二方波產生器，用以將該刺激信號轉換為一第二方波信號；以及 一時間數位轉換器，用以量化該第一方波信號與該第二方波信號之時間差距，以輸出該第二數位輸出信號。
  5. 一種應用如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之信號處理系統的生物阻抗檢測裝置，用以供一近身端裝置利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號進行信號處理，該生物阻抗檢測裝置包括： 一微刺激產生器，用以提供該刺激信號予該待測量之生物組織； 一生物阻抗檢測元件，用以內建該增益檢測模組以及相位檢測模組； 一無線收發端，接收自該近身端裝置所發出的信號或傳送本端信號至該近身端裝置； 一系統控制器，用以對該微刺激產生器以及該生物阻抗檢測元件進行控制，以供該近身端裝置藉由該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的阻抗資訊及建立用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型； 一解調變器，用以解調該近身端裝置傳來的信號； 一調變器，用以將傳送的本端信號進行調變；以及 一無線能量傳輸介面，用以提供電能，以提供該解調變器、系統控制器、微刺激產生器、調變器及生物阻抗檢測元件所需的電能。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之生物阻抗檢測裝置，其係以晶片形式植入於該待測量之生物組織。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之生物阻抗檢測裝置，其中，用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型係由一基層電阻與並聯的電阻及電容串聯所形成。
  8. 一種生物阻抗檢測元件，用以對一待測量之生物組織進行阻抗檢測，該生物組織係依據一刺激信號而產生用以供一感測器進行阻抗檢測的感測信號，該生物阻抗檢測元件至少包括： 一信號放大器，用以放大該感測信號，以產生一放大信號； 一第一方波產生器，用以將該感測信號轉換為一第一方波信號； 一信號混合器(mixer)，其混合該放大信號及該第一方波信號，以產生一混合輸出信號； 一濾波器，用以對該混合輸出信號進行濾波，將非所欲之頻率成分自該混合輸出信號濾除，以產生一頻率經選擇之濾波輸出信號； 一類比至數位轉換器，用以將該頻率經選擇之濾波輸出信號轉換成一與信號強度相關的第一數位輸出信號； 一第二方波產生器，用以將該刺激信號轉換為一第二方波信號；以及 一時間數位轉換器，用以量化該第一方波信號與該第二方波信號之時間差距，以輸出一與相位相關的第二數位輸出信號，藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的阻抗資訊及建立用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生物阻抗檢測元件，其中，該刺激信號係利用注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之生物阻抗檢測元件，其中，用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型係由一基層電阻與並聯的電阻及電容串聯所形成。
  11. 一種內建如申請專利範圍第8、9或10項所述之生物阻抗檢測元件的生物阻抗檢測裝置，用以供一近身端裝置利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號進行信號處理，該生物阻抗檢測裝置包括： 一微刺激產生器，用以提供該刺激信號予該待測量之生物組織； 一無線收發端，接收自該近身端裝置所發出的信號或傳送本端信號至該近身端裝置； 一系統控制器，用以對該微刺激產生器以及該生物阻抗檢測元件進行控制，以供該近身端裝置藉由該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的阻抗資訊及建立用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型； 一解調變器，用以解調該近身端裝置傳來的信號； 一調變器，用以將傳送的本端信號進行調變；以及 一無線能量傳輸介面，用以提供電能，以提供該解調變器、系統控制器、微刺激產生器、調變器及生物阻抗檢測元件所需的電能。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之生物阻抗檢測裝置，其係以晶片形式植入於該待測量之生物組織。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之生物阻抗檢測裝置，其中，用以表示該阻抗資訊的等效電路參數模型係由一基層電阻與並聯的電阻及電容串聯所形成。
  14. 一種信號處理方法，用以對感測器所測得的感測信號進行對應之信號處理，其包括以下處理步驟： 注入一微小交流電信號來通過該待測量之生物組織，並藉由歐姆定律的原理使該感測器得以感測出該待測量之生物組織的感測信號；以及 對該感測信號進行處理以輸出與信號強度相關的第一數位輸出信號，並對該微小交流電信號與該感測信號兩者進行處理以輸出與相位相關的第二數位輸出信號；藉此，利用該第一數位輸出信號以及第二數位輸出信號還原該待測量之生物組織的生理特性以及建立用以表示該生理特性的等效電路參數模型。
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