TW581670B - Implanted sensor processing system and method for processing implanted sensor output - Google Patents
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Description
581670
本發明係關於處理植入感測裝置之輸出之電路及方法， 該植入感測裝置用以偵測於液態或氣態介質例如於人體之 被分析物的存在或濃度。特別本發明係關於一種處理植入 螢光感測器輸出之電路及方法，該植入螢光感測器係呈螢 光才曰示器之螢光強度之函數變化而指示被分析物濃度。植 =螢光感測器爲被動裝置且不含電源。處理電路透過處理 黾路發射的感應_合射頻能供電給感測器。處理電路係呈 處理電路之負載變化而接收來自植入感測器的資訊。 背景技藝 美國專利5,517,313(其揭示以引用方式併入此處）説明一 種營光感應裝置，包含含有螢光指示器分子母質（後文稱 作「螢光母質」）、高通濾波器以及光電偵測器之疊層陣 列。此種裝置中，光源較佳爲發光二極體（「LED」）至少 部分位在指示器材料内，因此來自光源的入射光造成指示 器分子發螢光。高通濾波器允許發射光到達光電偵測器， 同時滤波去除來自光源的散射入射光。允許被分析物滲透 通過螢光母質，與被分析物的存在量成比例地變更指示器 物料螢光性質。然後藉光電偵測器偵測且測量螢光發射， 如此提供存在於感興趣環境内部之被分析物含量或濃度測 量値。 ς 3 13號專利案揭示的該型感測器裝置之一項有利應用係 將裝置經皮下或靜脈或其它部位植入體内，允許於任何期 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董)
裝 訂 f 581670 A7 B7 五、發明説明（2 ) 望時間即時測量被分析物。例如於麻醉中病人可能希望測 量血氧濃度或測量糖尿病病人的血糖濃度。 爲了使用所得測量資訊，該測量資訊係由感測裝置擷 取。由於植入體内的感測裝置的大小以及近接能力限制， 發生對感測裝置設置資料傳輸電路及/或設置電源的相關 缺點。因此業界需要有植入體内的改良感測裝置以及由植 入感測裝置擷取資料改良系統。 發明概要 根據本發明，提供一種擷取來自感測器裝置之資訊之裝 置，該裝置包含一個内部感測器單元用以做定量被分析物 測量，孩内部感測器單元包括第一線圈構成感測器單元之
理該等資訊信號。 簡單説昍 本發明將參照後文較佳具體實施例之詳 獲得更完整了解，附圖僅供舉例説明之用 本發明，附圖中·· 之詳細説明結合附圖 之用，如此並非囿限 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210χ 297公釐5-------- 581670 A7 ------ -Β7____ 五、發明説明（3 ) 圖1爲根據本發明之較佳具體實施例之方塊圖； 圖2爲根據本發明之較佳具體實施例之内部感測器裝置 單元之示意圖； 圖3及4爲波形圖說明於感測器裝置電路各點之信號波 形； 圖5A-5E爲藉外部資料接收單元產生的信號圖； 圖6爲根據本發明之可植入之基於螢光的感測器之示意 剖面圖； 圖7馬圖6所示基於螢光之感測器之示意圖舉例說明感測 器之波導性質； 圖8爲圖6之電路部分之細節圖，驗證於感測器本體内部 之内邵反射及感測器/組織界面層之較佳構造； 圖9爲根據本發明之第二較使养體實施例之内部感測器 裝置之示意圖；以及 圖10爲時序圖，顯示圖9比較器之各終端的電壓位準通 過其操作係呈偵測器電路週期。 藍隹具體實施例之詳細説明 圖1顯示根據本發明之植入螢光感測器處理系統之較佳 具體實施例之方塊圖。 系統包括外部單元1〇1及内部單元102。系統之應用例 中，内部單元102可經皮下或其它方式植入個體體内。内 部單70含有光電電路l〇2b，該組件係由螢光感測裝置組 成，後文將參照圖6-8更完整説明。光電電路f〇2b獲得定 量測量資訊，以及呈所得資訊之函數而修改負載1〇2(：。負 -6 - 本纸银尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 581670 A7 B7
載102c又變更流經線圈l〇2d的電流量，線圈1〇2(1係耦合至 外部單元線圈101f。調幅（AM)解調器101b偵測得線圈1〇lf 之藉隸合線圈102d感應的電流變化，且施加偵測得的信號 給處理電路例如脈衝計數器l〇lc及電腦介面1〇1〇1用以將信 號處理成爲電腦可讀格式用以輸入電腦l〇le。 可變射頻振盪器101a提供射頻信號給線圈1〇lf，當線圈 101f及102d彼此位在緊鄰附近時，線圈1〇lf又提供電磁能 給線圈102d俾允許線圈間有足夠感應耦合。來自射頻信^ 的能量提供内部單元102的操作電力用以獲得定量測量， 定量測量値用以變更負載l〇2c，又提供負載變更給線圈 l〇lf ’線圈藉外部單元偵測且解碼成爲資訊。負載變化係 經由線圈10 If與102d間的交互耦合而由内部單元镇合至外 部單元。負載可經由調諧内部線圈與外部線圈至約略相等 頻率，以及藉適當構造技術提高諧振電路的Q因素而予改 良。由於其交互耦合，故一線圈的電流變化感應另一線圈 的电λπ ι»。感應電流經偵測且被解碼成爲對應資訊。 射頻振蓋器101a驅動線圈l〇if ’線圈感應線圈 的電流。感應電流藉整流器電路l〇2a整流且用以供電光電 裝置102b。光電裝置以脈衝串列形式產生資料，脈衝串列 之頻率係隨螢光感測器發光強度之函數變化，例如前 述’ 313專利案所述。脈衝串列調變負載102c，調變方式係 讓整流器輸出端子暫時短路接地。此種負載變化造成通過 内邵線圈102d電流的對應變更，因而引起對應外部線圈 101 f的磁場變化。此種磁場變化造成跨線圈丨〇丨f電I的成 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 581670 A7
下式說明外部線圈電壓： ⑴ 比例改變，觀察得呈調幅改變 V=I[Z + ((coM)2)/Zs] 此處V =跨外部線圈電壓 1=外部線圈電流 z=—次線圈阻抗 ω=頻率（弧度/秒） Μ =線圈間的交互電感 Z s =感測器相當電路的阻抗 如式⑴所示，跨外部線圈的電壓與内部感測器線圈呈 抗間有直接關係。雖，然阻抗以爲複合數有實數部分 虛數部分，纟分別對應於振蓋信號的振幅及頻率變化，但 本發明系統僅處理交互作用的實數部分。業界人士須了解 經由適當修改外部電路可偵測兩型交互作用俾改善信號對 圖2顯示根據本發明之内部感測器裝置單元之具體實施 例心7TT意圖。線圈102d(Ll)結合電容器C1、二極體〇1(整 流器102a)、增納二極體02及電容器c 2構成内部單元1〇= 之電源供應器。於線圈L1藉振盪器101&(參考圖丨）施加至 外邵線圈101 f之射頻電壓感應的電流係於線圈L丨及電容器 c 1形成的L_c槽諧振，係藉二極體D i整流，以及係藉電容 器C 2濾波。設置增納二極體d 2以防止施加至電路的電壓 超過取大値例如5伏。如業界人士已知，若跨電容器〔2的 電壓開始超過增納二極體D 2的逆崩潰電壓，則二極體〇 2 將開始於逆崩潰區導電，防止電容器C 2相對於電路的最大 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 581670 A7 B7 五、發明説明（6 ) 容許電壓被過充。 電壓調節器205接收來自電容器C2的電壓，且產生固定 輸出電壓Vref至操作放大器201之非反相輸入。操作放大器 201之輸出端子連接至發光二極體（LED)202，發光二極體 202串聯連結反饋電阻器R1。操作放大器201之反相輸入端 子被供給跨R 1的電壓，藉此調整流經LED 202的電流至 Vref/R 1(忽略小偏壓電流）。LED 202發射的光入射於感測 器裝置（圖中未顯示），造成感測器裝置呈欲監視的特定被 分析物數量之函數而發光。來自感測器裝置之光衝擊感光 電阻器203，其電阻隨入射於感光電阻器之光數量之函數 變化。感光電阻器203串聯連結電容器C 3，感光電阻器203 與電容器C3的接合連接至比較器204的反相輸入端子。感 光電阻器203之另一端經由導體ye()mp連接至比較器204之輸 出端子。比較器204之輸出也連接至負載電容器C4以及電 阻器網路R 2、R 3及R 4。比較器形成可變電阻振盪器，切 換點係由R2、R3及R4値決定。C3爲充電電容器，其決定 振盪器對某個指定光位準的基底頻率。此種頻率表示爲 f=l/(1.38*Rphoto*C3) (2)
Rphoto=R2fc[10'Ylog(a/2fc] (3) 此處R2fe(=24千歐姆）爲感光電阻器203於2呎濁的電阻 γ(=0·8)爲感光電阻器的靈敏度 a =入射光位準，以叹燭表示 式（3)可顚倒而決定光對指定感光電阻的強度；結合式 (2)，可由頻率測定光強度。當然上列數値僅供舉例説明之 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 581670 A7 B7 五、發明説明（7~) — 用。此等數値係基於使用的特定感光電阻器幾何及材料決 定。 當 Vtime=V/3，Vcomp=V 以及 Vtrip=2V/3 時，比較器 204 切換至高輸出。電容器C 3開始充電，具有時間常數 Rphoto*Ctime。當Vtime達到2V/3時，比較器切換成低輸出 態，變更Vcomp成爲Vcomp=0，以及變更vtrip成爲 Vtdp=V/3。此時C 3將經由Rphoto放電。因此建立50%負載 循環，頻率由式（2)決定。Rph〇t〇隨入射光函數而改變，如 式（3)所示。 C 4爲負載黾谷器，當比較器切換輸出態時，匚4造成跨 C 2電壓的改變。當比較器2〇4切換成高輸出位準態時，匸4 由0V改變成Vdc。通過C4的電流由C2供給，造成跨C2的 電壓降低。如此又造成電流流綠整流器1〇2a，開始充電電 容器C 2，改變包括内部線圈1〇2d的槽電路的瞬間負載。 此種負載反應成爲外部線圈101f的阻抗，如式（1)所示。 單一脈衝之感應器操作舉例説明於圖3。通道4爲C2的直 泥電壓，通道3顯示於外部線圈1〇lf的相同脈衝，通道二顯 tf A Μ解调器輸出。通道丨顯示比較器輸出，比較器將賴 解調2輸出轉成方波，方波可藉數位計數器處理。圖4顯 示一疋整操作循環，相同通道標示表示電路的相同點。 外部單元101使用微處理器作爲脈衝計數器1〇lc。當接 收足夠資料而獲得有效讀値時，處理器關閉射頻振盪器。 圖从-5E說明測量讀値之時序圖。圖5A顯示施加於外部線 圈〈射頻％壓仏號波封；圖5B顯示内部電源供應器電壓波 -10-
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形，圖5(：顯示1^〇 202強度波形；圖51：)顯示八1^解調器 1〇lb輸出；以及圖5E顯示根據供給感測器單元之功率之 :路操作態之時序。内部單元電源供應器隨著場強度的升 冋而提鬲。當電源供應器輸出跨過led閾電壓加反饋電壓 時’ LED被點亮。A M解調器輸出含有呈I 〇碼形式的測量 資料及數位資料以及其它内部單元植入體内的個體參數。 本資料經由光電輸出與數位ID以及參數儲存電路（圖中未 顯示）的分時多工而編碼於射頻電壓信號。數位電路使用 射頻電壓產生適當時脈信號。 内儲存電路儲存I D碼及參數値例如較準常數。此項資 訊連同各個讀取或定量測量値送返。信號係於測量順序的 預疋點經由從類比脈衝串列負載切換成以數位方式控制的 負載而依照時序送出。此種測糞順序的預定點係於外部單 元經由偵測輸出資料流的預定位元同步化圖樣偵測。j D 編號用來識別特定個體，以及當兩個個體位在該外部單元 附近時防止資料訛誤。校準因素施加於測量資訊而獲得臨 床單元之被分析物濃度。 根據本發明之一特徵方面之感測器10顯示於圖6，該感 測器係基於螢光指示器分子的螢光操作。感測器1 0之組成 如下：一個感測器本體12 ; —層母質層14塗層於感測器本 體12外表面上，螢光指示器分子16分布於該層；發射輻射 的輻射來源1 8例如LED包括與該指示器分子交互作用的波 長或波長範圍的輻射，換言之，以基於螢光的感測器爲 例，爲造成指示器分子16發螢光的波長或波長範圍；以及 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 581670 A7 一丨_________B7 五、發明説明（9 ) 一個感光7C件20例如光偵測器，以基於螢光之感測器爲 例，光偵測器係對指示器分子丨6發射的螢光敏感，因此回 應於此產生的仏號指示指示器分子的螢光位準。感測器i 〇 進一步包括谷納電路的模組或殼體66，以及提供溫度讀値 的溫度感測器64。於最簡單具體實施例中，指示器分子16 單純塗布於感測器本體表面上。但較佳具體實施例中，指 π器分子容納於母質層14内部，母質層包含根據業界已知 方法製備且塗覆於感測器本體表面的生物相容聚合物母 質。適當生物相容母質材料須爲可透過被分析物，母質材 料包括甲基丙晞酸酯類及水凝膠類其可製作成可選擇性滲 透被分析物。 感測器本體12較佳係由適當透光聚合物料形成，該聚合 物料之折射指數與介質的折射指數有足夠差異，故感測器 使用時聚合物將作爲光波導。較佳材料爲丙烯酸系聚合物 例如聚甲基丙晞酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥丙酯等，以及聚 碳酸醋類例如以商品名萊森（Lexan(g))出售之聚碳酸酯。材 料允許輕射來源1 8產生的輻射（例如於輻射來源爲LED之例 中於適當波長的光）以及於基於螢光之具體實施例中，指 不器分子發射的螢光行進通過其中。輻射來源或LED 18對 應於圖2所示LED 202。 如圖7所示，輻射（例如光）係由輻射來源丨8發射，至少部 分輻射係於感測器本體12表面例如於位置22内部反射，因 此於感測器本體12内部來回「彈跳」。 發現由感測器本體與周圍介質界面反射的光可於塗在表 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 581670 A7 B7 五、發明説明（10 ) 面上的指示器分子交互作用（無論是否直接塗層於其上或 3於母質内部），例如於塗層於表面的螢光指示器分子激 發勞光。此外，撞擊界面的角度（相對於界面法線方向測 I角度）太小而無法反射的光通過界面，也於勞光指示器 刀子激發螢光。光（或其它輻射）與界面以及指示器分子間 父互作用的其它模式也可依據感測器的構造及應用使用。 此等其它模式包括憂花一現的激發以及表面電漿共振型激 發。 如圖8驗證，至少部分螢光指示器分子16發射的光進入 感測器本體12，係直接進入或由母質層μ最外表面（相對 於感測器本體12之最外表面）反射後進入感測器本體12， 如顯示於區30。然後螢光28於感測器本體12内部反射，遠 類似由螢光來源18發射的輻射、，類似螢光來源發射的輻 射，某些螢光撞擊感測器本體與周圍介質間界面的角度過 小無法被反射則將通過感測器本體送出。 如圖6進一步舉例説明，感測器1〇包括介於感測器本體 外表面與母質層14間，形成於感測器本體12末端之反射塗 層32俾讓螢光指示器分子發射的輻射及/或光之内部反射 增至最大或提升。反射塗層例如可由塗料或金屬化材料製 成。 光濾波器34較佳設置於感光材料製造的光偵測器2〇之感 光面上。光偵測器20相當於圖2顯示的光偵測器2〇3。光濾 波器34如先前技藝已知，可防止或實質上減少輻射來源& 產生的輕射衝擊感光元件20之感光面。同時，濾波器允許 -13- 581670 A7 _____B7___ 五、發明説明（11 ) 勞光指示器分子發射的螢光通過其中撞擊彳貞測器之感光 區。如此顯著減少光偵測器信號中歸因於來自輻射來源18 之入射輻射的「雜訊」。 根據本發明之一特徵方面，特別發展感測器1 〇之應用， 但絕非其唯一適合的用途，係測量人體多種生物被分析 物，例如葡萄糖、氧氣、毒素、藥品或其它藥物、激素及 其它代謝被分析物。母質層14及指示器分子16之特定組成 係依據感測器欲偵測的特定被分析物改變，及/或欲用於 偵測該被分析物之感測器位置改變（例如於血液或於皮下 組織）。但有兩項恆定要求爲母質層14輔助指示器分子暴 露於被分析物，以及指示器分子之光學特性（例如螢光指 示器分子之螢光位準）爲該指示器分子所暴露的特定被分 析物濃度之函數。 爲了有助於使用於人體，感測器1 〇較佳成形爲光滑、橢 圓或圓化形狀。較佳其具有豆狀或醫藥明膠膠囊劑的約略 大小及形狀，換言之，長度L約300-500微米至約0.5对， 深度D約300微米至約〇.3吋，表面概略光滑圓化。裝置當 然可依據使用的材料以及該裝置的預期用途而增大或縮 小。此種構型允許感測器1〇植入人體内，換言之植入皮内 或皮下組織（包括植入器官及血管），而感測器不會干擾重 要身體功能或引發過度疼痛或不適。 此外須了解置於人體（或其它動物體）内部的任何植體， 即使爲由「生物相容」材料製成，也將單純由於植體的存 在構成刺激而對該植體所插入的有機體構成「異體反 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 581670 A7 B7
應」。以植入人體的感測器10爲例，「異禮反應」最常爲 纖維包囊，換言之，形成绝痕組織。1萄糖爲本發明威測 器預期用於偵測的主要被分析物，葡萄糖之擴散速㈣運 輸受到此種纖維包囊阻礙。即使分子氧（02)極小，分子氧 的擴散速率或輸送仍然受到此種纖維包囊阻礙。單純原因 在於形成纖維包囊（疤痕組織）的細胞本質相當緻密，或具 有與正常組織代謝特性不同的代謝特性。 爲了克服此種潛在阻礙或指示器分子暴露於生物被分析 物的延遲，意圖採用兩大辦法。根據一種辦法，其或許爲 最簡單辦法，感測器/組織界面層係由一種極少引發或引 發纖維包囊程度可接受的材料製成，該感測器/組織界面 層於指示器分子直接制動於感測器本體表面時係覆於感測 器本體表面上及/或指示器分子本身上，或當指示器分子 容納於母質層内部時覆於母質層14表面上。於參考文獻敘 述具有此種特性之材料之二例爲皮庫德（Preclude)心包膜得 自巫萊高爾（W.L· Gore);以及聚異丁烯共價組合親水基 團，述於Kennedy Γ裁剪聚合物供生物使用」，肯泰克 (Chemtech)公司，1994年 2 月 24-31 頁。 另外’由數層特化生物相容材料組成的感測器/組織界面 層"T &供於感測器上。例如如圖8所示，感測器/組織界面 層36包括三亞層36a、36b及36c。亞層36a爲促進組織向内 生長層’亞層36a較佳爲允許微血管37穿透入其中的生物 相容材料，甚至微血管呈纖維細胞39(疤痕組織）累積於其 上。高泰斯（Gore-Tex®)血管移植材料（ePTFE)、達克龍 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 581670 A7 B7 五、發明説明（13 ) (Dacron®)(PET)血管移植材料已經使用多年以及高密度聚 乙烯（得自波瑞斯（POREX)手術公司）的玫達波（MEDp〇R)生 物材料屬於此等材料範例，該等材料的基板組成、孔隙大 J以及孔隙未構可促成組織及血管向内生長入組織向内生 長層。 —匕方面，亞層36b較佳爲相容層，其孔徑（小於5微米）顯 耆小於組織向内生長亞層36a的孔徑俾防止組織向内生
長。目則製造亞層36b之較佳材料爲膨脹聚四氟乙烯 (ePTFE)製成的得自巫萊高爾公司之皮庫德心包膜(前名高 泰斯手術膜）。 裝 第三亞層36c作爲分子篩換言之，其提供分子量截留功 能，排除免疫球蛋白、蛋白質及糖蛋白等分子，同時允許 感興趣的被》析物通過纟中至指# $分子（指#器分子係 直接塗層於感測器本體12上或制動於母質層14内部）。多 種眾所周知的纖維素類薄膜，例如科腎臟透析過滤卡匿 的該種膜可用於分子量截留層36(：。 t 如-般了解，圖6所示感測器全然爲自容式，因此並』 電引線伸人或伸出感測器本體之外，電引線係供電給❸ 器（例如驅動輻射來源18)或傳輸來自感測器的信號。圖2户」 示全部電子裝置可繞於模組66内部，如圖6所示。 本發明之第二較佳具體實施例顯示於圖9,其中採用成 部偵測器’亦即信號通道偵測器9〇1以及參考通道侦測； 902。圖2所示第_具體實施例中，使用單_偵測器^ 測來自螢光指示器感測器裝置的#射。雖然此㈣统的$ 16-
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果良好，⑮系統可能發生多項干擾而影響原 輸出的準確度。 先校準感測器 此等干擾例如包括：感測器組成組件操作的變化戋飄 移；感測器外部環境條件·，或其組合。内部變數可能因； 列因素而引進，此等因素包# :感測器輕射來源老化；影 響感光元件效能或靈敏度的變化；指示器分子的分解劣 化，感測器本體、指示器母質層等的輻射透射率改變；以 及其它感測器組件變化等。其它例中，光學參考通道也可 用來補4貝或校正環境因素（例如感測器外部因素），該等環 境因素無論是否存在有被分析物或被分析物濃度如何，皆 影響指示器分子的光學特性或表觀光學特性。就此方面而 言，外部因素例如包括：溫度；pH ;存在的周圍光線； 感測器施用於其中的介質反射率或濁度等。光學參考通道 可用以補償感測器操作條件的此等變化。參考通道各方面 係與信號通道完全相同，但參考通道未對測量的被分析物 產生回應。 參考通道用於光學測量的用途爲業界概略已知。例如美 國專利第3,612,866號（其全體揭示以引用方式併入此處）説 明一種螢光氧氣感測器，其具有參考通道含有與測量通道 相同的指示器化學，但參考通道塗覆以清漆而變成不透 氧。 美國專利第4,861，727及5，190,729號（其全體揭示以引用方 式併入此處）説明氧感測器，採用兩種不同之以鑭系元素 爲基礎的指示器化學發射兩種不同波長光，換言之，一種 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱)
装 訂 脅 581670 A7 _____Β7 五、發明説明（15 ) 基於铽的指不器可藉氧淬熄，以及一種基於銪的指示器大 半不受氧影響。美國專利第5,094,959號（其全體揭示併述 於此以供參考）說明一種氧感測器，其中單一指示器分子 於某種波長被照射，該分子發射的螢光係於兩種對氧具有 不同敏感度的不同發射光譜測量。特別對氧較不敏感的發 射光譜用作爲參考而求出兩種發光強度比。美國專利第 5,462,880及5,728,422號（其全體揭示以引用方式併入此處） 説明一種比例計量螢光氧感測方法，該方法採用大致不受 氧影響的參考分子，其光分子速率類似指示器分子。此外
Muller，Β.等人，分析，121 期，339-343 頁（1996年3 月）， (其全體揭示以引用方式併入此處）説明一種溶解二氧化碳 之螢光感測器，其中LED藍光源被導引通過光纖耦合器至 指示器通道’以及導引至分開參考光偵測器，其偵測led 光強度的變化。 此外，美國專利第4,580,059號（其全體揭示以引用方式併> 入此處）説明一種基於螢光之感測器，其含有參考光測量 單元用以測量激發光源強度，例如參考第丨〇欄第1行及以 下。 如圖9所示，信號及參考通道偵測器爲背對背的光電二 極體901及902。雖然顯示光電二極體，但也可使用多種其 它類型的光偵測器例如感光電阻器、感光電晶體等。LED 903相當於圖2光源202。操作時，比較器904設定爲藉電阻 器905、906及907偏壓的電源供應器電壓vs s的1/3及2/3時 觸發。若有所需比較器904之觸發電壓可藉改變電阻器値 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 581670 A7 B7 五、發明説明（16 ) 修改。電容器C 2爲時序元件，其値係對信號通道及參考通 道振幅調整。流經各個光電二極體之電流爲進入其中之入 射光強度或功率之函數，以方程式I=RP表示，此處 I =電流 R =回應度（安/瓦）以及 P =光功率（瓦） 螢光具體實施例中，撞擊光電二極體偵測器之入射光功率 隨著被分析物濃度而改變。 圖10爲時序圖顯示比較器904之端子904a、904b及904c 之電壓位準。於循環起點，輸出端子904c之電壓位準爲地 電位（低輸出態），電容器C2之電壓位準（相當於輸入端子 904b之電壓位準）爲2/3 Vss，輸入端子904a之電壓位準爲 1/3 Vss。本例中光電二極體901.爲正向偏壓而光電二極體 902爲反向偏壓。跨正向偏壓光電二極體901之電壓降單純 爲其閾電壓，而反向偏壓光電二極體902具有與衝擊其上★ 之入射光成比例的電流。此種電流係以dV/dt=I902/C2放電 電容器C2直到達到1/3 Vss電壓位準，如圖10所示。插入 前述光電二極體電流方程式，獲得方程式dV/dt=RP/C2。 解除P，P=(dV*C2)/(dt*R)，此處 dV =比較器觸發點間差異（實例爲1/3 Vss) C2=電容器C2値（法拉第） d t =充電或放電時間（藉外部單元測量）以及 R =光偵測器回應率（安/瓦） 此時，比較器904切換至輸出端子904c的高輸出態Vss。觸 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 581670 A7 ______ B7 五、發明説明（17 ) 發點（輸入端子904a)現在係於2/3 Vss，光電二極體901及 902的極性現在顚倒。換言之，光電二極體9〇1現在爲反向 偏壓，而光電二極體902現在爲正向偏壓。 光電二極體901現在以dV/dt=I901/C2速率控制電容器C2 的充電至電容器C2電壓達2/3 Vss。當電容器C2的電壓達 2/3 Vss時，比較器904的輸出再度切換成低輸出態。只要 系統被供電，以及入射光存在於光電二極體時，循環將繼 續重複，如圖10所示。 若各光電二極體偵測器901及902之入射光強度相等，則 比較器輸出將爲50〇/〇負載週期。若各個光電二極體偵測器 的入射光不等，則電容器充電電流將與電容器放電電流不 同。此乃圖10所示情況，其中電容器充電電流係高於電容 器放電電流。由於同一個電容器被充電以及放電，故不同 的充電及放電時間僅因兩個光電二極體偵測器上入射光位 準的差異之函數而改變。結果比較器9〇4產生的方波負貴， 週期指示仏號通道光電二極體上入射光與參考通道光電二 極體上入射光間的變化。適當演繹法則考慮來自比較器的 方波負載週期變化俾決定被分析物濃度概略爲業界已知 (參考前文討論之先前技藝參考文獻）於此處不再贅述。 一旦建JL方波，方波將傳輸至外部單元。傳輸係藉載荷 内部線圈908，然後偵測感應耦合於内部線圈的外部線圈 上負載變化進行。負載係由電阻器91〇供給，電阻器連結 至比較器904之輸出端子904c。當比較器係於高輸出態—· 時，由電壓調節器909取得額外電流Vss/R91〇。當比較器 一 -20-
581670 A7 B7 五、發明説明（18 ) 係於低輸出態時，此種額外電流並不存在。結果電阻器 910作爲負載’其係以被分析物濃度以及參考通道輸出決 定的速率而切入電路以及由電路切出。由於流經電阻器 91 〇的電流係由包括線圈908的内部調諧槽電路提供，故電 阻器負載的切換也切換包括内部線圈9〇8的槽電路上的負 載。由變更負載引發槽電路阻抗的改變係由感應耦合外部 線圈負載之相對變化偵測，討論如前。電壓調節器9〇9去 除線圈置於場内引發的任何效應。LED 903發射指示器分 子感測器之激發光。LED 903之電源係由電壓調節器提 供。重要地於被分析物測量讀取期間須維持LED強度恆 定。一旦電壓調節器的輸出經調節，則LED強度將爲恆 定。調節器的步進復原時間極爲快速，載荷態間的變遷夠 快而允許區分以及交流耦合外部早元。 也須了解圖6-8所述基於螢光之感測器具體實施例僅爲本 發明之應用例。本發明也可應用於多種其它實例，例如基 於吸收之感測器或基於折射率之感測器，述於美國專利申 請案第09/383,148號，申請日1999年8月28日，以引用方式 併入此處。 如此説明本發明，熟諳技藝人士了解可未悖離本發明之 精髓及ίϋ圍以其它形式做變化。例如雖然已經參照類比電 路説明本發明’但本發明原理同等可經由使用經過適當程 式規劃的數位k號處理器進行。任何及全部修改意圖皆涵 蓋於隨附之申請專利範圍。 -21 - 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 581670 ABCD 六、申請專利範圍 1· 一種自感測器裝置擷取資訊之裝置，包含： 一個從事定量被分析物測量之内部感測器單元，包括 一個第一線圈，其係形成該感測器單元之電源供應器之 一邵分，一個耦合至第一線圈之負載，以及一個感測器 電路，用以根據該感測器電路所得感測器測量資訊而修 改負載； 一個外部單元，包括一個第二線圈，當該第二線圈係 置於第一線圈的預定近處距離以内時，該第二線圈係與 第一線圈交互感應耦合，一個振盪器，其係用以驅動第 二線圈俾感應第一線圈的充電電流，以及一個偵測器， 其係用以偵測藉内部感測器單元負載變化而感應的第二 線圈負載變化，以及其係用以提供對應該負載變化之資 訊信號；以及 一個處理器，其係用以接收及處理該資訊信號。 2 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該感測器電路包含 一指示器元件，其係與被分析物渡度成比例而發射輕 射。 3.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該負載包含感光電 阻器，其接收來自指示器元件的輻射。 4 ·如申請專利範圍第2項之裝置，其中該感測器電路進一 步包含一輻射來源，用以發射刺激輻射發射的電磁輻 射。 5.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該指示器元件係與 被分析物濃度成比例發射螢光輻射。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 581670 A B c D 6·如申請專利範圍第3項之裝置，其中該負載包本一咸 電阻器，其接收來自指示器元件的螢光輻射。Q .切 7.如申請專利範圍第4項之裝置’其中該發射電磁輻射的 輻射來源刺激勞光輻射的發射。 8·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該内部單元可植入 哺乳動物體内。 9_如申清專利範圍第1項之裝置，其中該電源供應器進一 步包括一藉充電電流充電的充電電容器。 10·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該外部單元之偵測 器包括碉幅（AM)解調器，用以偵測由負載變化引發電壓 波形振幅的改變，該電壓波形係經由第一線圈感應反射 於第二線圈。 11·如申請專利範圍第1 〇項之裝置，其中該外部單元進一步 包括一脈衝計數器，其係用以將偵測得的波形振幅變化 轉成適合被轉成電腦可讀取格式的脈衝。 12·如申請專利範圍第丨丨項之裝置’其中該處理器包括一電 腦·。 13.如申請專利氣圍第1項之裝置，其中該内部單元可被攝 取於哺乳動物體内。 14·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該内部單元可植入 魚體内。 15·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該内部單元可植入 植物體内。 16·如申請專利範圍第1項之裝置，其中該感測器電路包含 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 六、申請專利範圍 一指示器元件’其係與被分析物濃度成比例而吸收輻 射。 17· —種偵測被分析物是否存在於介質或其濃度之感測器裝 置，包含·· 一個包封的感測器本體，其具有環繞感測器本體之外 表面； 一個於該感測器本體之輻射源，其於感測器本體内部 發射輻射； 一個指示器元件，其具有光學特性而該光學特性係受 被分析物的存在或濃度影響，該指示器元件位於感測器 本體上接收來自輻射來源的輻射，以及發射輻射至感測 器本體内部； 一個感光元件，其係位於感測器本體且設置成可接收 感測器本體内部來自指示器元件的輻射；以及 一個感.應元件，其係位於感測器且耦合至感光元件， 該感應元件適合由外部感應元件接收磁感應電流用以供 給電力給感測器裝置以及進一步適合於外部感應元件感 應電流，該電流係隨感光元件接收的輕射量之函數變 化。 18. —種由感測器裝置擷取資訊之裝置，包含： 一個從事定量被分析物測量之内部感測器單元，包括 一個第一線圈，其係形成該感測器單元之電源供應器之 一部分，一個耦合至第一線圈之負載，以及一個感測器 電路，用以根據感測器電路所得感測器測量資訊而修改 581670六、申請專利範圍 負載，該感測器電路包括一個可回應於被分析物測量資 訊之信號通道偵測器，以及一個可回應於參考測量資訊 之參考通道偵測器，該信號通遒偵測器與該參考通道偵 測器的輸出係於感測器資訊中組合用以修改負載； 一個外部單元，包栝一個第二線圈，當該第二線圈係 置於第一線圈的預定近處距離以内時，該第二線圈係與 第一線圈交互感應耦合，一個振盪器，其係用以驅動第 -一線圈俾感應弟一線圈的充電電流，以及一個偵測器， 其係用以偵測藉内部感測器單元負載變化而感應的第二 線圈負載變化，以及其係用以提供對應該負載變化之資 訊信號·，以及 一個處理器，其係用以接收及處理該資訊信號。 19·如申請專利範圍第18項之裝置.，其中該信號通道偵測器 及參考通道偵測器爲光電二極體。 20·如申請專利範圍第19項之裝置，其中該信號通道偵測器 光電二極體及該參考通道偵測器光電二極體係以陰極對 陰極配置連結。 21 ·如申請專利範圍第18項之裝置’其中該信號通道偵測器 與該參考通道偵測器之一產生一項輸出，該輸出決定負 載修改至正向變遷時間，以及另一偵測器產生一種輸出 可決定負載修改之負向變遷時間，因此正向負載時間與 負向負載時間的時間差異可指示被分析物濃度以及參考 通道偵測器輸出與信號通道偵測器輸出間的差異。 22.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該負載包含光電二 -25- 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) ---- 8 8 8 8 A B c D 581670 々、申請專利範圍 極體、比較器及電阻器彼此操作式耦合而提供隨被分析 物濃度之函數改變的負載。 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）581670 ”啤正補无 第090115955號專利申請案 A7 B7 五、發明説明（ 18a ) 元件符號說明 10 感測器 12 感測器本體 14 母質層 16 指示器分子 18 輻射來源 2 0 光偵測器 2 8 螢光 3 0 區 3 4 光濾波器 3 6 感測器/組織界面層 36a、36b、3 6 c 亞層 3 7 微血管 3 9 纖維細胞 64 溫度感測器 66 模組 10 1 外部單元 10 1a 可變射頻（RF)振盪器 10 1b 調幅解調器 10 1c 脈衝計數器 1 0 1 d 電腦介面 1 0 1 e 電腦 1 0 1 f 線圈 1 02 内部單元 -21a- 裝 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 581670 第090115955號專利申請案 A7 ^ 5 中文說明書替換頁(93年2月)_Β|/ / 補无| 五、發明説明（ 18b ) 102a 整流器電路 102b 光電電路 102c 負載 1 02d 線圈 2 0 1 操作放大器 202 發光二極體（L E D ) 203 感光電阻器 204 比較器 205 電壓調節器 90 1 信號通道偵測器 902 參考通道偵測器 903 LED 904 比較器 904a、904b Λ 9 0 4c 輸出端子 9 0 5、9 0 6、 9 0 7 電阻器 908 内部線圈 909 電壓調整器 9 10 電阻器 -21b- .· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
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