TWI388833B - 生物感測裝置 - Google Patents

Description

生物感測裝置

本發明係提供一種生物感測裝置，其可設定在此裝置中之試片的校正參數，使得此校正可以較低的成本完成，同時更具有使用者便利性。

生物感測儀已發展成為用於檢測各種生物分子複合物，包括寡核苷酸、抗體-抗原交互作用、激素-受體交互作用及酵素-基質交互作用。一般而言，生物感測器係由二組件所構成：高度特定識別性元件及將分子識別事件轉換為量化訊號之轉換器，訊號之轉換可藉由包括螢光法及干涉法之多種方法達成。使用可拋棄式試片之生物感測儀具有較高之消費者接受度，此等儀器係用於分析物的檢測，如血液樣品中葡萄糖及膽固醇含量，並且提供正確之讀值。

然而，為獲得準確之檢測結果，與可拋棄式試片相關之資訊必須輸入至生物感測儀中，此等資訊諸如校正參數、試片類型及有效期限等。於使用生物感測器之前首先須完成校正。每一批次生產之試片會有批次與批次間(lot-by lot)的特性差異，試片製造商必須針對每一批次之試片提供校正碼，使用者則根據製造商所提供之使用手冊於使用試片前進行設定程序，使得生物感測器可獲得正確之校正資訊。目前有兩種習知之校正設定程序：一種為由使用者根據該批試片包裝上所標示之校正碼選擇一組內建於生物感測器內之校正碼；另一種為每批試片附加一校正碼記憶 卡，以便將校正參數存取於記憶單元中。在感測器單元進一步的校正中，將相應於某批號之感測器的參數設定卡插入主要單元以校正此設備之靈敏度。在感測器單元更進一步的校正中，依據標示於主要單元上之條碼，將校準資料輸入至主要單元以校正生物感測儀之靈敏度。

美國專利第4,637,403號揭示一種手持式袖珍可攜帶型醫學診斷系統，其用於檢查血糖、尿素氮、血紅素、血液成分或其他身體特性之測量，此先前文獻說明一種整合系統，其藉由戳刺患者之手指以獲取血液樣品，而後該裝置利用所得樣品提供血糖或其他分析物濃度之讀值，此系統使用一複雜之反射系統以讀取樣品中分析物的含量。

歐洲專利第0351891號揭示一種適用於量測體液樣品中之分析物濃度的電化學感測器系統及電極，此系統需使用昂貴的電極及讀取器以測定分析物之濃度含量。

美國專利第5,053,199號揭示一種包括積體電路載體及可移除及縱向收納該積體電路載體之插槽，其說明一種具有可插式記憶鑰匙之生物感測計，此裝置係利用可插式記憶鑰匙控制此儀器之操作。

美國專利第5,366,609號係關於一種用於測定生物樣品中之分析物存在的生物感測計，特定言之，係關於經由可移除之可插式記憶模組所得資料而控制生物感測計之操作。其說明一種具有可插式唯讀記憶體之生物感測計，其中由唯讀記憶體在儀器使用期間之連續時間所讀取的資料可決定在測試程序中是否關閉唯讀記憶體。

雖然已經過許多改良，校正所需之成本及複雜度還是有待改進，使儀器校正與試片配合的需求將導致分析物濃度讀數的誤差。目前，現存之校正機制需要載入校正晶片或校正片，或是手動輸入校正碼至儀器中，此等裝置可重複使用數次，而當患者未轉變成或輸入適當之校正碼，將會造成誤差。另一個問題則是過期試片之使用，過期的老舊試片將造成誤差及不正確的結果。藉由某種方法以減少過期試片之使用，患者將不須注意試片之有效期限，並可免除使用老舊試片所產生之誤差。

生物感測儀尚存在一重要的需求，即發展快速、簡便、價廉及可靠的校正方式。

本發明提供一種生物感測裝置，其包含下列單元：一輸入單元，其包含試片之參數設定卡及該生物感測裝置之插槽，其中該參數設定卡與該插槽連接，使得該參數設定卡之電路與該生物感測裝置之訊號擷取電路形成一工作迴路，並藉由提供電壓或電流至該參數設定卡之電路而產生電訊號；一分析單元，其係利用類比-數位轉換器(ADC)電路轉換所得之訊號；一演算單元，其藉由預先定義欲輸入該生物感測裝置之數值最大值、最小值及解析度，而將由分析單元所得之電訊號進行解碼以獲得資料數值，並由特徵方法之最大值及最小值決定最小計量單位；及 一設定單元，其儲存所得之資料階數以作為校正用於試片之生物感測裝置的基礎。

本發明提供一種生物感測裝置，其可設定在此裝置中之試片的校正參數，使得此校正可以較低的成本完成，同時更具有使用者便利性。

本發明提供一種生物感測裝置，其包含下列單元：一輸入單元，其包含試片之參數設定卡及該生物感測裝置之插槽，其中該參數設定卡與該插槽連接，使得該參數設定卡之電路與該生物感測裝置之訊號擷取電路形成一工作迴路，並藉由提供電壓或電流至該參數設定卡之電路而產生電訊號；一分析單元，其係利用類比-數位轉換器(ADC)電路轉換所得之訊號；一演算單元，其藉由預先定義欲輸入該生物感測裝置之數值最大值、最小值及解析度，而將由分析單元所得之電訊號進行解碼以獲得資料數值，並由特徵方法之最大值及最小值決定最小計量單位；及一設定單元，其儲存所得之資料數值以作為校正用於試片之生物感測裝置的基礎。

本發明之生物感測裝置包含四個單元，該等單元係針對使用於此裝置之試片而設定裝置之參數，前述四單元為輸入單元、分析單元、演算單元及設定單元，其如下圖所示：

本發明生物感測裝置之輸入單元包含試片之參數設定卡及該生物感測裝置之插槽，其中該參數設定卡與該插槽連接，使得該參數設定卡之電路與該生物感測裝置之訊號擷取電路形成一工作迴路(見圖1)。圖1所示之工作迴路為可藉由提供直流(DC)電壓或電流至該參數設定卡之電路而產生電訊號之電壓-電壓放大器，該電訊號可透過該擷取電路而獲得。當生物感測裝置提供一電壓或電流，該參數設定卡之電路產生以時間為函數之電訊號(見圖2及3)，此訊號以電壓強度(△V)為特徵，所提供之電壓將使電壓隨著時間改變而形成一電壓-時間函數。該擷取電路可進一步包含選擇至少一迴路之多工器，以獲得參數設定卡上兩個或以上之訊號(見圖4)，訊號之輸出及其對應方式係如圖5所示。另一種參數設定卡之形式可進一步包含電容，其提供 一根據時間而變化之訊號，例如電壓或電流強度隨著時間而改變。當以電壓強度(△V)或時間差(△T)為基礎，參數值可依附於其上(見圖7)。此外，該擷取電路可為一藉以達成相同目的之電壓-電流放大器(見圖8)。如圖8所示，V_out 係由R_A 所決定，並具有V_t 之基線，V_t 為一直流電壓源，而通過R_G 之電流則取決於R_A 。由於V_out 及R_A 之關係為習知，可使用該電路達成如圖1所示之相同目的。根據本發明，參數設定卡包含由至少一組非記憶元件所組成之開環電路，此開環電路較佳係由電阻、電容或此二者之串聯或並聯之組合所組成。當試片之參數設定卡插入生物感測裝置之插槽後，藉由連接該生物感測裝置之訊號擷取電路與該參數設定卡之電路而形成一工作迴路。

本發明生物感測裝置之分析單元利用類比-數位轉換器(ADC)電路將由輸入單元所得之電訊號進行轉換。

本發明生物感測裝置之演算單元藉由預先定義欲輸入該生物感測裝置之數值最大值(P_max )、最小值(P_min )及解析度(P_res )，而將由分析單元所得之電訊號進行解碼以獲得資料數，並由特徵方法之最大值及最小值決定最小計量單位。利用電壓強度作為使電訊號成為特徵值之方法，該資料階數(P_n )可藉由下式而獲得：

此外，須決定所使用之特徵方法的最大值(U_max )及最小值(U_min )，並透過下式而得到最小計量單位(step)：

所擷取之資料數值(P)可由下式計算而得(U_in 為訊號之特徵值)：

本發明生物感測裝置之設定單元儲存所得之資料數值，以作為校正用於試片之生物感測裝置的基礎。

實例 實例1

欲將試片特性方程式中之斜率值輸入生物感測裝置，於本發明之輸入單元中，該生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置係如圖1所示。該訊號擷取電路至少包括一參考電阻(R_f )及一放大器電路，由參考電阻與參數設定卡上之等效阻抗(R_A )形成一分壓迴路。以輸入校正資料之斜率值為例，假設試片之特性方程式上的斜率值範圍為0.5至2.0及解析度為0.02(例如最小增加量為0.02)，根據上述式2-1，可得映對之資料階數(P_n )如下：

假設ADC參考電壓為2.5 V及參考電阻(R_f )為10 kΩ，且電壓變化之範圍係限制於0.1至2.5之間，根據式2-2可得最小計量單位(step)如下：

根據式2-3可計算出欲輸入生物感測裝置之資料數值的對應電壓值及其等效阻抗值(見表1)。

指定適當之阻抗值即可得到對應斜率值之訊號電壓特徵值。利用放大器電路擷取參數設定卡之訊號，並經由分析單元之處理可得到該訊號之特徵值。於本實例中，特徵值為電壓強度(△V)。演算單元根據編碼規則可將電壓強度與所依附之參數進行解碼演算而得到設定資訊。圖2顯示上述編碼方法亦可改變為一次依附兩個或以上之參數，適用於不需同時輸入之不同資料類型。圖3所示為同時依附兩個或以上參數之方法。

實例2

欲將試片特性方程式中之斜率值及截距值同時輸入生物感測裝置，於本發明之輸入單元中，該生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置係如圖4所示。該訊號擷取電路至少包括一參考電阻(R_f )、一放大器電路及訊號選擇電路(如多工器)，經由訊號選擇電路之切換，可由參數設定卡上之等效阻抗(R_a 或R_b )與參考電阻形成一分壓迴路，其中R_a 之迴路係作為對應於設定參數之斜率值所代表的訊號，而R_b 之迴路係作為對應於設定參數之截距值所代表的訊號。假設試片之特性方程式上的斜率值範圍為0.5至2.0及解析度為0.02，其映對之實施方式如實例1所示。此外，截距值可能的範圍為0.1至0.5及其解析度為0.005，根據上述式2-1，可得映對之資料階數(P_n )如下：

假設ADC參考電壓為2.5 V及參考電阻(R_f )為10 kΩ，且 電壓變化之範圍係限制於0.1至2.5之間，根據式2-2可得最小計量單位(step)如下：

根據式2-3可計算出欲輸入生物感測裝置之資料數值的對應電壓值及其等效阻抗值(見表2)。

表2

指定適當之阻抗值即可得到對應斜率值之訊號電壓特徵值。藉由訊號選擇電路的切換，R_a 、參考電阻及生物感測裝置可形成迴路輸出訊號波形，利用放大器電路擷取參數設定卡之訊號及解碼運算所得資料可得到斜率值。完成後，訊號選擇電路將選擇R_b 為工作電阻，R_a 呈現開路狀 態，再由放大器電路擷取以R_b 為基礎所生成之訊號，經由分析單元之處理則可得電壓強度(△V)之特徵值。演算單元根據編碼規則可將電壓強度與所依附之參數進行解碼演算而得到設定資訊(見圖5)。

實例3

試片製造日期可輸入至生物感測裝置而主動管理試片之效期，本發明之特徵方法則分別代表年份及週數。於本發明之輸入單元中，生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置係如圖6所示。該訊號擷取電路至少包括一參考電阻(R_f )、及一放大器電路，由參考電阻與參數設定卡上之阻抗(R_a 及C_A )並聯形成一分壓迴路。此參數設定卡之等效電阻隨參數值不同而改變。由於C_A 為一種基於時間或頻率函數之元件，電壓強度(△V)及時間差(△T)皆可用於參數輸入之解碼。利用放大器電路擷取參數設定卡之訊號，再經由分析單元之處理則可得到該訊號波形之特徵值。於本實例中，特徵值為電壓強度(△V)及時間差(△T)。演算單元根據編碼規則可將電壓強度與所依附之參數進行解碼演算而得到設定資訊(見圖7)。

假設將2007至2011年中每一週的資料輸入生物感測裝置，可利用電壓強度(△V)及時間差(△T)之特徵值分別代表週數及年份。在週數編碼方面，由於一年包含52週，根據上述式2-1，可得映對之資料階數(P_n )如下：

假設ADC參考電壓為2.5 V及參考電阻(R_f )為470 kΩ，且電壓變化之範圍係限制於0.2至1.73之間，根據式2-2可得最小計量單位(step)如下：

根據式2-3可計算出欲輸入生物感測裝置之資料數值的對應電壓值及其等效阻抗值(見表3)。

此外，在年份編碼方面，由於欲輸入之年份範圍由2007至2012，根據式2-1可得映對之資料階數(P_n )如下：

假設ADC參考電壓為2.5 V及參考電阻(R_f )為470 kΩ，且時間差變化之範圍係限制於0.5至0.1之間，根據式2-2可得最小計量單位(step)如下：

根據式2-3可計算出欲輸入生物感測裝置之資料數值的 對應時間差(△T)及其等效電容值(C_A )(見表3)。

圖1表示在本發明輸入單元中，生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置。

圖2表示依附一個參數之本發明編碼方法。

圖3為表示一次依附兩個或以上參數之方法的示意圖。

圖4表示在本發明輸入單元中，生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置。

圖5表示以電壓強度及相應參數為基礎，設定單元藉由編碼及校正組而獲得設定資料。

圖6表示在本發明輸入單元中，生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置。

圖7表示以電壓強度或持續時間及參數之相應關係為基礎，設定單元藉由編碼及校正組而獲得設定資料。

圖8表示在本發明輸入單元中，生物感測裝置之訊號擷取電路與試片之參數設定卡的配置。

Claims (4)

1. 一種生物感測裝置，其包含下列單元：(a)一輸入單元，其包含試片之參數設定卡及該生物感測裝置之插槽，其中該參數設定卡與該插槽連接，使得該參數設定卡之電路與該生物感測裝置之訊號擷取電路形成一工作迴路，並藉由提供電壓至該參數設定卡之電路而產生電訊號，其中該參數設定卡包含至少一組非記憶元件所組成之電路，且該電訊號(U_in )係以電壓強度為特徵；(b)一分析單元，其係利用類比-數位轉換器(ADC)電路轉換所得之訊號；(c)一演算單元，其藉由(i)預先定義該生物感測裝置之最大值(P_max )、最小值(P_min )及解析度(P_res )以獲得資料階數(P_n )，及(ii)預先決定該電壓之最大值(U_max )及最小值(U_min )而獲得最小計量單位(step)，而將由分析單元所得之電訊號進行解碼以獲得資料數值(P)；其中該資料階數可藉由下式而獲得： 其中該最小計量單位(step)可藉由下式而獲得：，及其中該資料數值(P)可藉由下式而獲得：；及 (d)一設定單元，其儲存所得之資料數值以作為校正用於試片之生物感測裝置的基礎。
2. 如請求項1之生物感測裝置，其中提供予該參數設定卡之電路的電壓或電流係一直流(DC)電源。
3. 如請求項2之生物感測裝置，其中電源係內建於該生物感測裝置。
4. 如請求項1之生物感測裝置，其中該電路係由電阻、電容、電感或此三者之串聯或並聯之組合所組成的電路。