TWI494087B - 具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置及其訊號校正方法 - Google Patents

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Description

具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置及其訊號校正方法
本發明係關於一種腫瘤偵測裝置，特別關於一種具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置及其訊號校正方法。
現有的腫瘤偵測方法，一是經由自行觸診，但觸診的精確度並不高；另一是到大醫院藉由超音波、MRI…等等大型設備進行檢查，但此法需要許多技術人員，無法自行完成，也無法在很短時間內得到檢查的結果。而且大部分民眾沒有定期到醫院檢測的習慣，故無法達到提早發現的效果。
另外，由於在進行腫瘤偵測時，一些外界因素，例如環境光或電子元件本身之雜訊皆會使偵測準確度下降。因此，如何提供一種腫瘤偵測裝置及訊號校正方法，能夠提升偵測準確度並方便讓使用者自行檢測以達到預防或提早發現之效果，實為當前重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置及其訊號校正方法，能夠提升偵測準確度並方便讓使用者自行檢測。
為達上述目的，依據本發明之一種具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置用以偵測一組織是否具有腫瘤，其包含複數發光元件、至少一光感測元件以及一處理單元。發光元件輪流發出一光線經由該組織繞射。光感測元件鄰設於該等發光元件，吸收該等繞射光線並對應產生複數感測訊號。處理單元與光感測元件電性連接，並處理該等感測訊號，並依據該等感測訊號決定該組織是否具有腫瘤，其中當腫瘤偵測裝置位於一暗電流操作模式時，該等發光元件係不發光，而光感測元件係感測一環境光線而產生一環境感測訊號，使處理單元藉由環境感測訊號校正該等感測訊號。
在本發明之一實施例中，任兩發光元件係相距x公分之水平距離，光感測元件與其中一發光元件相距一y公分之水平距離，其中x與y滿足x0.1*y之關係式。
在本發明之一實施例中，該等發光元件之其中之一所發出之光線係作為膚色校正。
在本發明之一實施例中，當腫瘤偵測裝置具有複數光感測元件時，該等發光元件實質位於該等光感測元件之中心，該等光感測元件分別吸收該等繞射光線而對應產生該等感測訊號。
在本發明之一實施例中，處理單元係使該等光感測元件所產生之該等感測訊號建立一函數關係而對應產生複數處理訊號，並依據該等處理訊號決定該組織是否具有腫瘤。
為達上述目的，依據本發明之一種腫瘤偵測裝置之訊號校正方法，該腫瘤偵測裝置包含複數發光元件及至少一光感測元件，其中該等發光元件輪流發出一光線經由該組織繞射，光感測元件吸收該等繞射光線並對應產生複數感測訊號。訊號校正方法包含：使該等發光元件不發光；在該等發光元件不發光時，藉由光感測元件感測一環境光線而產生一環境感測訊號；以及藉由環境感測訊號校正該等感測訊號。
承上所述，本發明之發光元件輪流發出一光線(例如近紅外線)經由組織繞射，再被光感測元件吸收而產生感測訊號，由於病變組織與正常組織之含氧血基血溶素及去氧血基血溶素之比例不同，故當光線經過正常組織與病變組織時，兩者對光線吸收的程度亦不同，使得近紅外線光譜經由組織繞射而收回之訊號強度有所差異。如此，藉由處理單元之處理即可判斷組織是否具有腫瘤或癌細胞等病變組織。此外，腫瘤偵測裝置可操作於一暗電流操作模式，而得到一環境感測訊號，使處理單元能藉由環境感測訊號校正該等感測訊號，而提升腫瘤偵測之準確度。
此外，本發明藉由x與y滿足x0.1*y之關係式，而限制各發光元件與光感測元件之水平距離實質相同，使得光感測元件係在相同的基準線接收來自各發光元件所發出之光線，進而簡化分析，並可降低處理程式之成本。
此外，複數光感測元件設置於該等發光元件之中心範圍，該等光感測元件之感測訊號可進一步作為腫瘤判斷之多重依據而提高準確度，且該等光感測元件設置於該等發光元件之中心範圍亦簡化訊號處理過程。
此外，本發明之腫瘤偵測裝置係藉由特定運算法將感測訊號結合而簡化訊號處理過程並提升腫瘤偵測準確度，進而能讓使用者自行檢測以達到預防或提早發現之效果。
此外，本發明之腫瘤偵測裝置之其中一發光元件所發出之光線係作為膚色校正，用為膚色校正之感測訊號可例如帶入公式以求得校正過之參數(如去氧血紅素、含氧血紅素、水、脂肪)的成分，或是利用找查表(look-up table)方式依據感測訊號的強度來為各個參數提供校正值。藉此，本發明可大幅提升腫瘤偵測之準確度。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置及其訊號校正方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖1係本發明較佳實施例之一種腫瘤偵測裝置1的外觀示意圖，圖2係腫瘤偵測裝置1的後視放大示意圖。請參照圖1及圖2所示，腫瘤偵測裝置1包含一殼體11、複數發光元件12及一光感測元件13。腫瘤偵測裝置1係用以讓使用者握持並靠近身體以進行病變組織(例如腫瘤或癌症)之偵測。本實施例所指之腫瘤係泛指一般病變組織，例如一般腫瘤或癌症等。
本發明不限制殼體11之形狀，其可製成例如手機外型或手把外型以利使用者握持。
發光元件12係設置於殼體11之一端。本實施例之發光元件12係以發光二極體(LED)為例。發光元件12之數量只要大於2皆可，於此係以6顆LED為例。發光元件12係輪流發出一光線，於此並無特定之發光順序，可例如以排序為其發光順序，例如從圖2之上方到下方之順序。當使用者握持腫瘤偵測裝置1進行偵測時，發光元件12所發出之光線係經由人體組織(例如乳房)繞射(可包含散射)。
各發光元件12係發出不同波長之光線，於此，各發光元件12所發出之光線分別為690nm、760nm、805nm、850nm、910nm、970nm，其中690nm係用以膚色校正，760nm係對應去氧血紅素、805nm係對應去氧血紅素與含氧血紅素於光譜上之交點並可表徵總血量，850nm係對應含氧血紅素、910nm係對應水、970nm係對應脂肪。另外，為提升訊號判讀之能力，腫瘤偵測裝置1可更包含一濾光片14，設置於該等發光元件12之光路徑上，使光線經由濾光片14再到達光感測元件13。本實施例之濾光片14可將650nm以下之光線排除以消除可見光之干擾。
光感測元件13係鄰設於該等發光元件12。光感測元件13可例如為光電二極體或電荷耦合元件(CCD)等等可將光線轉換為電訊號之元件。光感測元件可吸收該等繞射光線並對應產生複數感測訊號。
腫瘤偵測裝置1更包含一處理單元，其與光感測元件13電性連接，並處理該等感測訊號，並依據該等感測訊號決定該組織是否具有腫瘤。其中當腫瘤偵測裝置1操作於一暗電流操作模式時，該等發光元件係不發光，而該光感測元件係感測一環境光線而產生一環境感測訊號，使該處理單元藉由該環境感測訊號校正該等感測訊號。需注意的是，環境感測訊號不僅反應環境光線，也同時反應光感測元件自身訊號的干擾，例如未施加電壓之光感測元件的直流訊號。
在繼續說明腫瘤偵測裝置1之操作之前，需先說明光線繞射(包含散射)的情況。請參照圖3及圖4所示，其係顯示發光元件12發射光線，光線經由組織內繞射，並穿出而由光感測元件13接收，其中圖3之組織係正常組織，圖4之組織係具有病變組織T，由圖4可知，繞射光線之一部分會由病變組織T吸收，使得光感測元件13所接收到之光線強度減弱。
圖5係使用者握持腫瘤偵測裝置1進行偵測的操作示意圖，其中使用者係沿一水平方向進行掃描偵測。在偵測時，發光元件12係輪流發射不同波長之光線，並經由組織繞射而由光感測元件13吸收並對應產生複數感測訊號。光感測元件13與設置於殼體11內之處理單元(圖未顯示)電性連接，處理單元係接收並處理感測訊號，於此，處理單元可包含一數位/類比轉換電路(Digital to analog converter,DAC)，可將光感測元件13所產生之數位感測訊號轉換成類比感測訊號。另外，處理單元可依需要而具有例如濾波電路、比較電路等，於此，處理單元具有低通濾波電路(low pass filter,LPF)以將高頻雜訊濾除。
感測訊號之波形可參照圖6所示，其中X軸單位係毫秒(ms)，Y軸單位係電壓(voltage)，且圖6係以病變組織為例。由圖6可知，當腫瘤偵測裝置1沿著如圖5所示之方向掃描，且一開始掃描到正常組織時，訊號係沒有特別的改變(0ms至800ms)，而當掃描到病變組織時，訊號強度係顯著的下降(900ms至1350ms)，此因部分光線被病變組織吸收，然後當再次掃描到正常組織時，訊號強度又回到正常值(1800ms至2500ms)。藉此，處理單元可依據該等感測訊號而決定組織是否具有腫瘤，並判斷腫瘤出現之時間及其位置。
另外，本實施例為防止外界光線及光感測元件自身的干擾，腫瘤偵測裝置1可具有一暗電流操作模式。當腫瘤偵測裝置1位於暗電流操作模式時，該等發光元件12係不發光，而光感測元件13係感測一環境光線而產生一環境感測訊號，使處理單元藉由環境感測訊號校正該等感測訊號。需注意的是，當使用者使用暗電流操作模式時，使用者可將腫瘤偵測裝置1靠近身體以提高環境感測訊號之準確度。
本實施例之環境感測訊號例如圖6所示之標號為「dark」之曲線，由於本實施例係在一較暗的空間內實施，故環境感測訊號之訊號強度接近0。環境感測訊號之校正方法可藉由公式或找查表(look-up table)，其中，公式可例如藉由該等感測訊號扣除環境感測訊號。需注意的是，環境感測訊號不僅反應環境光線，也同時反應光感測元件13自身訊號的干擾。
另外，上述6個感測訊號除了可用來比較訊號強度以判斷腫瘤及其位置之外，感測訊號亦可利用公式來計算出去氧血紅素、含氧血紅素、水、脂肪之組織成分並與資料庫之資料進行比對以準確得知腫瘤之存在及其類型。而前述其中一發光元件12(於此係以690nm為例)係作為膚色校正，其校正方法可有二種，一種係將用於膚色校正之感測訊號帶入公式以求得校正過之去氧血紅素、含氧血紅素、水、脂肪之成分。另一種係利用找查表(look-up table)方式，其找查表之示意可例如如下：
其中，若用於膚色校正之感測訊號的強度(例如平均強度)分別為A1 、A2 、A3 、A4 ，所對應之去氧血紅素、含氧血紅素、水、脂肪各有其校正值δ11 …以供校正。藉此可提升腫瘤判斷之準確度。
另外，如圖2所示，任兩發光元件12(圖2係以上面算來第2顆及第3顆為例)係相距x公分之水平距離，而光感測元件13係與其中一發光元件12(不限制哪一顆，於此係以第4顆為例)相距一y公分之水平距離，其中x與y滿足x0.1*y之關係式，藉此可限制各發光元件12與光感測元件13之水平距離實質相同，使得光感測元件13係在相同的基準線接收來自各發光元件12所發出之光線，進而簡化分析。在本實施例中，發光元件12係排成一行，並位於光感測元件13之一側。需補充說明，x可能是製造誤差所造成、或是刻意迴避設計所造成，而後者應被視為與本發明之概念相同。另外，x越大則產生訊號之分析難度越高，但x仍有一合理範圍。
另外，由圖6亦可得知，感測訊號皆具有相同之趨勢，例如幾乎同時間下降或上升，這是由於本實施例之發光元件12與光感測元件13之水平距離係實質相同所造成的。因此，本實施例可簡化分析，並可降低處理單元(例如微處理器)之成本。
此外，由圖6亦可知，所有發光元件12所對應的感測訊號之波形皆有相似的趨勢，這也證明本實施例僅需要2個以上之發光元件12即可判斷是否具有腫瘤存在。
當發光元件12與光感測元件13之距離(y)越遠時，發光元件12所發出之光線需經過較長的距離才能到達光感測元件13，而其中可能會增加雜訊干擾及訊號衰減的機會而影響準確度，並可能使得圖6所示之波形下降的時間拉長、下降的幅度較小而不利判斷。並且y越大越不利薄型化。經由驗證，當發光元件12與光感測元件13之距離(y)小於3公分時，可使準確度得到顯著提升結果。
腫瘤偵測裝置1亦可具有複數光感測元件13，如圖7所示，其係顯示兩光感測元件13與發光元件12設置的態樣。其中，兩光感測元件13鄰設於該等發光元件12並使該等發光元件12實質位於兩光感測元件13之中心，且兩光感測元件13分別吸收該等繞射光線而對應產生感測訊號。需說明的是，圖7所示之發光元件12係以較誇大的比例繪製，實際上，該等發光元件12係實質位於二光感測元件13之中心範圍。
當使用者使用具有兩光感測元件13之腫瘤偵測裝置1掃描腫瘤組織時，其中一光感測元件13會先接收到發光元件12所發出且經過腫瘤之光線，其感測訊號波形可例如圖8A所示，然後使用者持續掃描時，另一光感測元件13亦會接收到發光元件12所發出且經過腫瘤之光線，其感測訊號波形可例如圖8B所示。由圖8A及圖8B可知，兩者之波形下降的時間點存在一時間差，這是因為光感測元件13設置於發光元件12兩側的原因。藉由圖8A與圖8B的波形提供雙重的依據而更加準確地判斷腫瘤存在與否及腫瘤位置。
此外，本實施例之處理單元係可使兩光感測元件13所產生之該等感測訊號建立一函數關係而對應產生複數處理訊號，並依據該等處理訊號決定組織是否具有腫瘤。於此，處理訊號之波形如圖9所示，本實施例之處理訊號係藉由圖8A與圖8B之感測訊號建立一函數關係而產生。需先說明，假設圖8A所示之波形係藉由設置於發光元件12之左側(L)的光感測元件13所產生，而圖8B所示之波形係藉由設置於發光元件12之右側(R)的光感測元件13所產生。這樣，圖9所示之波形係由log(L)-log(R)所形成。如此，當圖9所示之橢圓虛線區域出現時，即證明腫瘤存在並得知腫瘤位置。在實施上，當處理單元分析到橢圓虛線區域時，腫瘤偵測裝置1可發出嗶嗶聲提醒使用者，而這時腫瘤之位置即在發光元件12附近。
另外，腫瘤偵測裝置1亦可具有數量大於2之光感測元件13，如圖10所示，其係顯示四光感測元件13與發光元件12設置的態樣。其中，該等光感測元件13鄰設於該等發光元件12並使該等發光元件12實質位於四光感測元件13之中心，且四光感測元件13分別吸收該等繞射光線而對應產生感測訊號。其中，各光感測元件13所產生之感測訊號可參照圖8A、圖8B及圖9，於此不再贅述。
以下舉例說明圖10之態樣用於腫瘤偵測所會遇到的情況。如圖11A所示，腫瘤T係位於發光元件12與光感測元件13a之間，此時，光感測元件13a之訊號強度係小於光感測元件13b之訊號強度，而光感測元件13c之訊號強度係等於光感測元件13d之訊號強度，如此，處理模組係可判斷決定腫瘤之位置係位於發光元件12與光感測元件13a之間。
如圖11B所示，腫瘤T係位於發光元件12與光感測元件13c之間，此時，光感測元件13c之訊號強度係小於光感測元件13d之訊號強度，而光感測元件13a之訊號強度係等於光感測元件13b之訊號強度，如此，處理模組係可判斷決定腫瘤之位置係位於發光元件12與光感測元件13c之間。
如圖11C所示，腫瘤T係位於發光元件12與光感測元件13c與光感測元件13a之間，此時，光感測元件13c之訊號強度係小於光感測元件13d之訊號強度，而光感測元件13a之訊號強度係小於光感測元件13b之訊號強度，如此，處理模組係可判斷決定腫瘤之位置係位於發光元件12與光感測元件13c與光感測元件13a之間。
藉由上述機制可得到腫瘤之位置以達到腫瘤定位功能，而在定位的過程中可加入即時導引功能，例如當處理單元決定該組織具有腫瘤時，腫瘤偵測裝置1可發出一提示以指明具有腫瘤或腫瘤之方位。
圖12係腫瘤偵測裝置1的方塊示意圖，如圖12所示，腫瘤偵測裝置1係包含複數發光元件12、光感測元件13、處理單元15、一提示單元16及一無線傳輸單元17。其中，發光元件12、光感測元件13及處理單元15已詳述於上面實施例。提示單元16係與處理單元15電性連接，當處理單元15決定組織具有腫瘤時，處理單元15控制提示單元16發出一提示以指明具有腫瘤或腫瘤之方位以達到即時導引功能，提示單元16可包含喇叭或發光元件以發出聲音或亮光。無線傳輸單元17係與處理單元15電性連接，可傳送該等感測訊號、或具有腫瘤之判斷、或膚色校正之資訊至其他電子裝置，例如醫院的伺服器。
請參照圖13所示，本發明較佳實施例之一種訊號校正方法，於此，其係以應用於腫瘤偵測裝置1為例。
訊號校正方法包含使該等發光元件不發光(步驟S01)；在該等發光元件不發光時，藉由光感測元件感測一環境光線而產生一環境感測訊號(步驟S02)；以及藉由環境感測訊號校正該等感測訊號(步驟S03)。由於訊號校正方法已於上述實施例一併詳述，故於此不再贅述。
綜上所述，本發明之發光元件輪流發出一光線(例如近紅外線)經由組織繞射，再被光感測元件吸收而產生感測訊號，由於病變組織與正常組織之含氧血基血溶素及去氧血基血溶素之比例不同，故當光線經過正常組織與病變組織時，兩者對光線吸收的程度亦不同，使得近紅外線光譜經由組織繞射而收回之訊號強度有所差異。如此，藉由處理單元之處理即可判斷組織是否具有腫瘤或癌細胞等病變組織。此外，腫瘤偵測裝置可操作於一暗電流操作模式，而得到一環境感測訊號，使處理單元能藉由環境感測訊號校正該等感測訊號，而提升腫瘤偵測之準確度。
此外，本發明藉由x與y滿足x0.1*y之關係式，而限制各發光元件與光感測元件之水平距離實質相同，使得光感測元件係在相同的基準線接收來自各發光元件所發出之光線，進而簡化分析，並可降低處理程式之成本。
此外，複數光感測元件設置於該等發光元件之中心範圍，該等光感測元件之感測訊號可進一步作為腫瘤判斷之多重依據而提高準確度，且該等光感測元件設置於該等發光元件之中心範圍亦簡化訊號處理過程。
此外，本發明之腫瘤偵測裝置係藉由特定運算法將感測訊號結合而簡化訊號處理過程並提升腫瘤偵測準確度，進而能讓使用者自行檢測以達到預防或提早發現之效果。
此外，本發明之腫瘤偵測裝置之其中一發光元件所發出之光線係作為膚色校正，用為膚色校正之感測訊號可例如帶入公式以求得校正過之參數(如去氧血紅素、含氧血紅素、水、脂肪)的成分，或是利用找查表(look-up table)方式依據感測訊號的強度來為各個參數提供校正值。藉此，本發明可大幅提升腫瘤偵測之準確度。。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1．．．腫瘤偵測裝置
11．．．殼體
12．．．發光元件
13、13a～13d．．．光感測元件
14．．．濾光片
15．．．處理單元
16．．．提示單元
17．．．無線傳輸單元
T．．．腫瘤
S01～S03．．．步驟
圖1為本發明較佳實施例之一種腫瘤偵測裝置的外觀示意圖；
圖2為本發明較佳實施例之腫瘤偵測裝置的後視放大示意圖；
圖3及圖4為發光元件發射光線，光線經由組織內繞射，並穿出而由光感測元件接收的示意圖；
圖5為使用者握持腫瘤偵測裝置進行偵測的操作示意圖；
圖6為感測訊號的波形示意圖；
圖7為兩光感測元件與發光元件的設置示意圖；
圖8A及圖8B分別為圖7之兩光感測元件所感測之感測訊號的波形示意圖；
圖9為處理訊號的波形示意圖；
圖10為四光感測元件與發光元件的設置示意圖；
圖11A至圖11C為圖10之態樣用於腫瘤偵測的示意圖；
圖12為腫瘤偵測裝置的方塊示意圖；以及
圖13為腫瘤偵測裝置之訊號校正方法的流程圖。
1．．．腫瘤偵測裝置
11．．．殼體
12．．．發光元件
13．．．光感測元件
14．．．濾光片

Claims (8)

  1. 一種具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，偵測一組織是否具有腫瘤，包含：複數發光元件，輪流發出一光線經由該組織繞射，任兩發光元件係相距x公分之水平距離；至少一光感測元件，鄰設於該等發光元件，吸收該等繞射光線並對應產生複數感測訊號，該光感測元件與其中一發光元件相距一y公分之水平距離，且x與y滿足x0.1*y之關係式；以及一處理單元，與該光感測元件電性連接，並處理該等感測訊號，並依據該等感測訊號決定該組織是否具有腫瘤，其中當該腫瘤偵測裝置位於一暗電流操作模式時，該等發光元件係不發光，而該光感測元件係感測一環境光線而產生一環境感測訊號，使該處理單元藉由該環境感測訊號校正該等感測訊號，其中該等發光元件所發射之波長係分別對應去氧血紅素、總血量、含氧血紅素、水、脂肪之至少其中之二的參數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，其中該等發光元件之其中之一所發出之光線係作為膚色校正。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，其中當該腫瘤偵測裝置具有複數光感測元件時，該等發光元件實質位於該等光感測元件之中 心，該等光感測元件分別吸收該等繞射光線而對應產生該等感測訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，其中該處理單元係使該等光感測元件所產生之該等感測訊號建立一函數關係而對應產生複數處理訊號，並依據該等處理訊號決定該組織是否具有腫瘤。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，更包含：一提示單元，係與該處理單元電性連接，當該處理單元決定該組織具有腫瘤時，該處理單元控制該提示單元發出一提示以指明具有腫瘤或腫瘤之方位。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，更包含：一濾光片，設置於該等發光元件之光路徑上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有暗電流模式之腫瘤偵測裝置，更包含：一無線傳輸單元，與該處理單元電性連接，並傳送校正後之該等感測訊號、或具有腫瘤之判斷。
  8. 一種腫瘤偵測裝置之訊號校正方法，該腫瘤偵測裝置包含複數發光元件及至少一光感測元件，該等發光元件所發射之波長係分別對應去氧血紅素、總血量、含氧血紅素、水、脂肪之至少其中之二的參數，任兩發光元件係相距x公分之水平距離，該光感測元件與其 中一發光元件相距一y公分之水平距離，且x與y滿足x0.1*y之關係式，其中該等發光元件輪流發出一光線經由該組織繞射，該光感測元件吸收該等繞射光線並對應產生複數感測訊號，該訊號校正方法包含：使該等發光元件不發光；在該等發光元件不發光時，藉由該光感測元件感測一環境光線而產生一環境感測訊號；以及藉由該環境感測訊號校正該等感測訊號。
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