TWI503102B - 隨身可及的醫療診斷、檢查及監測之手持式氣體分析系統 - Google Patents

隨身可及的醫療診斷、檢查及監測之手持式氣體分析系統 Download PDF

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Description

隨身可及的醫療診斷、檢查及監測之手持式氣體分析系統
本發明係關於一種氣體分析系統，特別是一種可用於隨身可及的醫療診斷之手持式氣體分析系統。
氣體分析技術除了是一種可用於檢測氣體中特定化合物存在或濃度的重要方法，亦可用來決定特定化合物組成的存在。以疾病的治療與管理方面為例，人類在呼氣時所吐出的某些特定揮發性有機化合物(Volatile organic compounds,VOCs)則與某些特定疾病有關，例如肺炎、肺結核(TB)、氣喘、肺癌、肝臟疾病及腎臟疾病等。其中又以肺部疾病最為相關。在其他應用中，氣體分析技術可用於檢測某些對人體有危害的氣體，例如坑道中的甲烷、一氧化碳或二氧化碳等。
然而，目前的氣體分析系統，例如氣相層析儀(GC)及質譜儀(MS)大部份(特別是質譜儀)具有操作上及本身儀器發展上的限制，遂無法顯著的縮小其尺寸，使得現有的氣體分析系統多為昂貴且為龐大笨重的固定式桌上型儀器。再者，由於這些儀器具有上述所提的昂貴且龐大笨重等缺點，使得氣體分析系統無法廣泛的被使用。
現今的氣體分析系統具有體積龐大、笨重與昂貴的缺點，且多為固定式之桌上型儀器，使得氣體分析系統無法廣泛地被使用。
緣此，本發明之一目的乃是提供一種氣體分析裝置，以時序分離並判定各個化合物之存在及其濃度。
本發明之另一目的是提供一種氣體分析系統，利用氣體分析裝置進行氣體分析，並經由氣體分析裝置之傳輸介面將氣體分析後之分析結果進行傳輸。
本發明之另一目的即是提供一種氣體分析方法，利用氣相層析儀自流體中時序分離數個化合物，並判定各個化合物之存在及其濃度。
本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係為一種氣體分析裝置，包括一基板；一氣相層析儀，具有一入口以及一出口，且該氣相層析儀係結合於該基板上；一感測器陣列，具有一入口以及一出口，且該感測器陣列係結合於該基板上，其中該感測器陣列之入口係流體連接於該氣相層析儀之出口；一控制器，耦接於該氣相層析儀及該感測器陣列，且該控制器可與該氣相層析儀及該感測器陣列進行傳輸；以及一讀出電路，耦接於該感測器陣列及該控制器，其中該控制器可與該感測器陣列及該控制器進行傳輸。
一種氣體分析系統，主要係利用上述之氣體分析裝置，該氣體分析裝置除包括前述之所有相同組成元件外，更包括有一耦接於讀出電路之傳輸介面，可利用該傳輸介面進行資料傳輸。
一種氣體分析方法，包括利用一氣相層析儀自一流體中時序分離數個化合物；利用一感測器陣列中的感測器檢測 該數個經時序分離之化合物；以及對該感測器陣列中各感測器所送出之信號進行信號處理，以判定該各個化合物之存在及其濃度。
經由本發明所採用之技術，可利用此氣體分析系統應用於醫療診斷、檢查及管理各種不同疾病，例如氣喘、肺癌、肺臟疾病，及其他非肺臟疾病，例如腎臟疾病及肝臟疾病等。此外，此發明尚包括對氣喘患者的監測與管理，並進行藥物用量的調整修正之治療；還可簡化結核病的檢測流程並縮短檢測的時間、達到快速診斷之效果；再者，並能藉由此發明診斷出早期的肺癌，及時進行治療；並能篩選及區分相同症狀的肺部疾病分類。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
在此揭露一種可應用於隨身可及(Point-of-Care)的醫療診斷、檢查及監測方面的氣體分析系統、方法及系統之實施例。在下列敘述中，將揭露本發明之細節，以明瞭如何達成發明之技術手段。然而，該技術的承認並不需要一或多種明確的細節，只要有其他方法、元件及材料等即可實現本發明。另一方面，眾所周知的結構、材料或操作方式並未詳細揭露，但仍包含在本發明之申請範圍中。
參照本說明書中的「一實施例」一詞，係指一種與實施例相關的特定特徵、結構或特性，包括在本發明之至少一實施例中。因此，出現在說明書中「在一實施例中」一 詞，並不需要完全參照相同的實施例。更進一步，特定特徵、結構或特性可在適當情形下，組合在實施例中。
第1A圖及第1B圖同時顯示一小尺寸(例如手持式)的氣體分析裝置100之實施例。氣體分析裝置100包括一基板102，結合有一流體控制組件101。一控制器126，分別連接於流體控制組件101中的各個組成單元。讀出分析電路128耦接於感測器陣列110及控制器126。本實施例之圖式顯示出在基板102上元件排列之其中一種可能方式，但在其它實施例中，基板102上的元件亦可以其它方式排列。
基板102可以是任何種類的基板，只要能夠提供所需要的實質上的支撐及氣體分析系統100之各元件間的連結即可。在一實施例中，基板102可以是一種可在表面提供各種單層導線電路佈線的印刷電路板(PCB)，但在其它實施例中亦可是一種可在內部提供各種多層導線電路佈線的印刷電路板。例如，在其它實施例中，氣體分析系統100係以單片電路系統之方式建置於單晶粒，基板102可以是由矽製成的晶片(chip)、晶圓(wafer)或其他的半導體。在其它實施例中，基板102可以是晶片或晶圓，可在其上形成光波導(optical waveguide)，以在氣體分析系統100之各元件間進行光學信號傳輸。
流體控制組件101包括一過濾器與控制閥門元件104、一前濃縮器106、一氣相層析儀108、一感測器陣列110以及一泵浦112。組成元件104-112係經由流體連接(fluidly coupled)串聯成一序列：過濾器與控制閥門元件104係經由 通道116流體連接於前濃縮器106，前濃縮器106係經由通道118將流體連接於氣相層析儀108，而氣相層析儀108係經由通道120將流體連接於感測器陣列110，而感測器陣列110係經由通道122流體連接於泵浦112。如下進一步的敘述，在一實施例中的氣體分析系統100中，其組成元件104-112可以是微機電(MEMS)的元件或以微機電原理所製作的元件，換句話說即部分元件可為微機電元件而其他部分元件亦可以不是微機電元件。在其它實施例中，氣體分析裝置100中的組成元件104-112可以部份或全部都不是微機電元件或以微機電原理製作的元件，但也可取代部分非微機電晶片級的裝置。
如圖中之箭頭所指，在組成元件104-112間的通道可使一流體(例如一或多種氣體)經由入口114進入過濾器與控制閥門元件104，通過組成元件104-112間，最終由泵浦112經過出口124排出。流體控制組件101包括一罩體113，用以保護組成元件104-112。在本實施例中，罩體113所形成的通道可提供各組件之間的流體連接。但在其它實施例中，各組件之間的流體連接可藉由其它方式，例如利用管路來連接。而在其它實施例中，罩體113亦可被省略。
過濾器與控制閥門元件104包括一入口114及一連接至通道116的出口，以使流體從過濾閥門元件104流出後可進入前濃縮器106。過濾器與控制閥門元件104包括有一過濾器，可將流進入口114流體中的微粒子及水分除去。在本實施例中的氣體分析裝置100中，組成元件104-112其中之 一或多個元件係為微機電元件，在前濃縮器的微機電元件部分意指，流體流進入口114後將被過濾以除去微粒子及水分，使微粒子及水分不會進入微機電系統裝置並造成損害。在非微機電元件的氣體分析裝置100或流進入口114的流體中不含微粒子的實施例中，由於微粒子已在外部預先過濾，故過濾器與控制閥門元件104所包括之過濾器部份則可被省略。
過濾器與控制閥門元件104亦包括有一控制閥門，當由入口114進入流體控制組件101的流體量充足時，便可停止流體繼續進入。停止流體由入口114繼續進入可防止在氣體分析系統100後續操作時，由前濃縮器106流出的流體被稀釋(參閱下列操作說明)。在其它實施例中，過濾器與控制閥門元件104可同時包括一除濕器，以除去由入口114進入的流體所產生的水蒸氣，因此可改善氣體分析系統100的準確率及敏感度。
前濃縮器106包括一連接於通道116的入口以及一連接於通道118的出口。前濃縮器106經由通道116接收由過濾器與控制閥門元件104輸出的流體，並將流體經由通道118輸出至氣相層析儀108。當流體流經前濃縮器106時，前濃縮器106可由通過的流體中吸收特定化合物，並濃縮該些化合物以進行後續之分離及偵測。在一實施例中，氣體分析裝置100的前濃縮器106可以是微機電前濃縮器，但在某些實施例中，前濃縮器106也可以是非微機電晶片級裝置。應用微機電之前濃縮器實施例之進一步細節敘述如下並可 參閱如第2圖所示。
氣相層析儀108包括一連接於通道118的入口以及一連接於通道120的出口。氣相層析儀108經由通道118接收由前濃縮器106輸出的流體，並將流體經由通道120輸出至感測器陣列110。當流體接收自前濃縮器106並流經氣相層析儀108時，由前濃縮器106接收之流體中的各化合物可經由氣相層析儀108在一時域(time domain)中進行分離，並輸出至感測器陣列110。在一實施例中，氣體分析裝置100的氣相層析儀108可以是微機電氣相層析儀，但在某些實施例中，氣相層析儀108也可以是非微機電晶圓級裝置。應用微機電氣相層析儀之實施例敘述如下並可參閱如第3A-3B圖所示。
感測器陣列110包括一連接於通道120的入口以及一連接於通道122的出口。感測器陣列110經由通道120接收由氣相層析儀108輸出的流體，並將流體經由通道122輸出至泵浦112。當流體流經感測器陣列110時，經由氣相層析儀108時域分離的化合物將進入感測器陣列110，該些化合物的存在及/或其濃度可經由感測器陣列110的感測器進行感測。在一實施例中，氣體分析裝置100的感測器陣列110可以是微機電感測器陣列，但在某些實施例中，感測器陣列110也可以是非微機電晶片級裝置。應用微機電感測器陣列110之實施例敘述如下並可參閱如第3A-3B圖所示。
泵浦112包括一連接於通道122的入口以及一連接於通道出口124，可使泵浦112接收自感測器陣列110經由通道122 輸出之流體，並經由出口124排出至大氣中。泵浦112可以是符合氣體分析系統100尺寸大小及型式需求的任何一種泵浦，可提供需要的流速及流速控制，並具有良好的可靠性(例如良好的平均故障間隔(mean time between failures,MTBF))。在一實施例中，氣體分析系統100的泵浦112可以是微機電或非微機電型泵浦，但在某些實施例中，感測器陣列110也可以是其他種類的泵浦。可應用的種類例如有：小型軸泵(例如風扇)、活塞泵及電滲泵。
控制器126分別耦接於流體控制組件101之各個元件，以送出控制信號及/或自各個元件接收其回饋信號。在一實施例中，控制器126可以是一種應用特定的積體電路(ASIC：Application-Specific Integrated Circuit)，係設計用以執行專用功能，例如為一種CMOS控制器，包括信號處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通訊電路，同時包括關聯邏輯以控制流體控制組件101之各個元件。在其他實施例中，控制器126可取代為一通用目的之微處理器，以利用軟體執行控制功能。在圖式所示的實施例中，控制器126係利用基板102表面或內部的電路佈線130電性耦接於流體控制組件101之各個元件，但在其他實施例中，控制器126與各元件間亦可用其它方式耦合，例如光學耦合。
讀出分析電路128耦接於感測器陣列110之輸出端，以接收自感測器陣列110之各感測器輸出的資料信號，並處理及分析該些資料信號。在一實施例中，讀出分析電路128 可以是一種應用特定積體電路(ASIC)，係設計用以執行專用功能，例如為一種CMOS控制器，包括信號處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通訊電路，同時包括可由外部邏輯控制流體控制組件101之各個元件。在其他實施例中，讀出分析電路128可取代為一通用目的之微處理器，以利用軟體執行控制功能。在某些實施例中，讀出分析電路128可同時包括信號調節及處理之元件，例如放大器、濾波器、類比數位轉換器等，同時用於對接收自感測器陣列110之資料信號進行前處理，以及接收自讀出分析電路128之資料進行後處理。
在圖式所示的實施例中，讀出分析電路128係利用基板102表面或內部的電路佈線132電性耦接於感測器陣列110之各個元件，但在其他實施例中，讀出分析電路128與各元件間亦可用其它方式耦合，例如光學耦合。讀出分析電路128係耦接於控制器126，並可送出信號至控制器126，或接收其信號，以使氣體分析系統100之操作達到協調或最佳化。雖然圖式顯示讀出分析電路128與控制器126係為獨立的元件，但在其他實施例中讀出分析電路128與控制器126可整合在單一元件中。
在氣體分析系統100的操控方面，首先開啟系統，將必要的邏輯程式(例如軟體說明)載入控制器126及讀出分析電路128以完成初始化。在初始化後，過濾器與控制閥門元件104的閥門打開，且設定泵浦112允許流體經過流體控制組件101。流體經由入口114以特定流速及/或特定的時間 輸入至流體控制組件101；所需時間通常由前濃縮器106可產生足夠的濃度的化合物以判斷化合物的存在及濃度所決定。當流體經由入口114輸入至系統中，將經由過濾器與控制閥門元件104過濾，並透過各通道流經流體控制組件101之各組成元件104-112。在通過各組成元件104-112後，流體經由出口124排出流體控制組件101外。
在所需要量的流體經由入口114輸入後，過濾器與控制閥門元件104的閥門便關閉，以防止多餘流體進入。閥門關閉後，前濃縮器106之加熱器便啟動使前濃縮器106加熱。產生的熱會將前濃縮器106吸收及濃縮的化合物釋出。當化合物自前濃縮器106釋出後，泵浦112便啟動並驅使釋出的化合物通過氣相層析儀108及感測器陣列110，並將化合物由出口124排出。且泵浦112的啟動也可防止流體的回流至流體控制組件101。
當化合物自前濃縮器106釋出，並經由泵浦112吸入至氣相層析儀108，氣相層析儀108將各不同的化合物成分進行時域分離，也就是不同的化合物成分將在不同時間點由氣相層析儀108輸出。由於不同的化合物成分在不同時間點由氣相層析儀108輸出，各化合物進入微機電感測器陣列110，感測器陣列110中的感測器將檢測出各化合物的存在及/或濃度。氣相層析儀108所進行之時域分離主要可增強微機電感測器陣列110之正確性及敏感度，由於可防止各化合物在同一時間進入感測器陣列110，因此可避免各化合物間的交叉污染及可能的干擾。
當微機電感測器陣列110之各感測器與各時域分離的化合物作用時，感測器陣列110感測到其交互作用並輸出一信號至讀出分析電路128，以利用該信號判別該化合物的存在及/或其濃度。當讀出分析電路128偵測到欲分析之所有化合物的存在及/或濃度，可利用各種不同的分析技術，例如關聯性及比對，以從特定組合的化合物存在及其濃度中得到某些分析意義。
第2圖係顯示微機電前濃縮器200之實施例，可以作為氣體分析系統100之前濃縮器106。微機電前濃縮器200包括一基板202，具有一結合於其上的蓋板204，並密封於其周邊以形成一內部空間206。基板202之一側形成有一入口208，而在另一側形成有一出口210，以及具有吸附劑的凹孔212a-212g。在一實施例中，基板202係為一矽基板，但在其他實施例中，基板202可為其他材料所製成。加熱器216形成於基板202相對於蓋板204結合處之一側。
在一實施例中，基板202係為矽所製成，其入口208、出口210以及凹孔212a-212g可利用光微影技術圖樣及蝕刻所形成。雖然圖式之實施例顯示有七個凹孔212a-212g，但凹孔的數目仍須視實際所要吸附及濃縮的不同化合物數目，以及使用的吸附劑而定。在一實施例中，各吸附劑只能各別吸收一種化合物，凹孔212a-212g的數目可正確對應於所要吸收及濃縮的不同化合物數目。但在其他實施例中，吸附劑只能吸收一種化合物時，利用大量的凹孔可增加吸收面積。在其他實施例中，吸附劑可吸收超過一種化 合物，則可使用較少數目的凹孔。
各凹孔212a-212g中具有對應的吸附劑214，凹孔212a具有吸附劑214a、凹孔212b具有吸附劑214b，依此類推。雖然圖式中所示係為粒狀吸附劑，但在其他實施例中，吸附劑214可以是塗佈於凹孔212a-212g壁面，或是部份或完全填滿於凹孔212a-212g之連續材質。在其他實施例中，可包括組合有粒狀、壁面塗佈或完全填滿的連續材質。吸附劑可對一或多種不同的化合物具有化學親和力，意思是視所要吸附及濃縮的不同化合物而使用正確的吸附劑。可使用的吸附劑例如有cabopack B,cabopack X等。
在操作氣體分析系統100之微機電前濃縮器200時，流體經過過濾器與控制閥門元件104後由入口208進入，經過凹孔212a的的吸附劑214a，再進入內部空間206。蓋板204可幫助內部空間206的流體進入不同的凹孔212b-212g並經過吸附劑214b-214g，直到不含化合物的流體由出口210離開前濃縮器。一旦足夠的流體流過前濃縮器，過濾器與控制閥門元件104的閥門將關閉以防止流體再進入入口208。接著加熱器216便啟動以加熱吸附劑214a-214f，使吸附的化合物經由除氣作用而釋出。同步地啟動加熱器216，或在短時間後，使泵浦112啟動後，使釋出的化合物經由出口210進入氣相層析儀108。
第3A-3B圖顯示一微機電氣相層析儀300之實施例，以作為氣體分析系統100之氣相層析儀108。微機電氣相層析儀300包括一基板302，其中一側具有一入口306，在另一側 具有一出口308，具有靜相的管柱310佈設於其壁面上。蓋板304結合於基板302以密封管柱310。在一實施例中，基板302係為一矽基板，但在其他實施例中，基板302亦可由其他材質所製成。在一實施例中，基板302係由矽製成，其入口306、出口308以及管柱310可利用光微影技術圖樣及蝕刻所形成，例如深層反應離子刻蝕技術(deep reactive ion etching,DRIE)。加熱器314形成於基板302相對於蓋板304結合處之一側。
管柱310提供由入口306至出口308之一連續流體路徑，且在管柱310之部份或全部壁面有靜相層塗佈，以與欲分離的化合物進行交互作用。化合物能夠多完全地或多快速地從流體中被分離，需視塗佈靜相層、管柱310的總路徑長度及溫度而定。對一已知的塗佈靜相層來說，管柱越長可得到越好的分離效果，但較長的管柱也會使分離所需時間增加。就一已知的應用來說，所需的路徑長度係由塗佈靜相層、管柱長度及溫度而定。在圖式中的實施例顯示，管柱310係為環繞狀，其管柱路徑長度將視環繞數目而定。在其他實施例中，管柱310可以為其他不同形狀。
在操作氣體分析系統100之微機電氣相層析儀300時，流經前濃縮器106之流體由入口306進入並通過管柱310。當流體通過管柱310時，流體中不同的化合物將與塗佈靜相層312以不同速率發生反應，故不同的化合物將在管柱中被分離，與靜相層312發生較強烈反應的化合物將先被分離出來，而與靜相層312發生較弱反應的化合物將較慢被 分離出來。換言之，與靜相層312發生較強烈反應的化合物將停留在靜相層312較長的時間，而與靜相層312發生較弱反應的化合物將停留在靜相層312較短的時間。在某些實施例中的微機電氣相層析儀300，其時域分離可依據其分子量而發生(例如較小分子量的化合物將先從微機電氣相層析儀300被分離出來，而較大分子量的化合物則將較晚被分離出來)，但在其他實施例中可因其他化學特性或其他分離機轉而定。當化合物被時域分離時，泵浦112將其由微機電氣相層析儀300透過出口308吸出。一般而言，化合物將以與分離先後之相反順序由出口308排出，也就是說，留滯時間較短的化合物將先排出，留滯時間較長的化合物將較慢排出。化合物由出口308排出後，將進入感測器陣列110。
第4A-4B圖顯示一感測器陣列400之實施例，以作為氣體分析系統100之感測器陣列110。感測器陣列400包括一基板402，其上形成有感測器S1-S9。在實施例中，感測器S1-S9形成一3x3規則形狀之感測器陣列，但在其他實施例中，感測器陣列的感測器數目可以大於或小於此數目，及其形狀可以為任意規則或不規則形狀之模組。
一蓋板404結合於基板402之周邊，以在其內部形成一可設置感測器S1-S9的內部空間410。蓋板404同時包括一入口406以供流體由氣相層析儀108進入內部空間410，以及包括一出口408以供流體輸出至泵浦112。一加熱器412形成於基板402相對於蓋板404結合處之一側，以控制感測器 陣列400之溫度，因此各感測器位於感測器陣列400之內部。雖然未顯示於圖中，但感測器陣列400之感測器S1-S9必然具有可輸出信號之輸出端以進行後續之信號處理。
各感測器S1-S9之表面具有一塗層。各使用之塗層係對於一或多種欲檢測的特定化合物具有親和力，以使該塗層可吸附該特定化合物或與其產生化學反應。塗層與化合物間的反應依序改變了感測器的物理性質例如共振頻率、電容或電阻，該些改變的物理性質可利用傳感器(transducer)或其他量測裝置檢出。各感測器S1-S9使用之塗層將視感測器陣列110所檢測的化合物而定。各塗層的化學親和力亦會隨著溫度而大幅改變，因此操作時的溫度範圍也應在選擇塗層時一併考慮。在一實施例中，感測器陣列110係用於檢測人類呼吸所產生的揮發性有機化合物，例如苯、甲苯、n-辛烷、乙苯、m,p-二甲苯、α-蒎烯、d-苧稀、壬醛、苯甲醛、2-甲基己烷以及4-乙基辛烷等，該些塗層可做為不同應用，例如2,2-間三氟甲基-4,5-二氟-1,3-二氧雜環、四氟乙烯(TFE)、二氯化鉑(olefin)、C8-MPN之非結晶共聚物等。
雖然在圖式中的實施例具有9個感測器，但感測器的數目係依據所欲檢測的化合物以及感測器所使用的塗層特性而定。在一實施例中，各塗層所吸附或產生化學反應的化合物僅有一種，故感測器數目恰對應於所欲檢測的化合物種類數目，但在其他實施例中，也可利用一種可與多種化合物產生反應的塗層，以避免過多的感測器造成累贅。然 而，在多數情況下，化合物與塗層並沒有一個一對一對應的關係。也就是說，無論在特性上或反應強度上，一塗層可對應多種化合物。因為感測器陣列可對不同氣體產生不同的圖示型態反應，因此具有不同塗層之感測器的感測器陣列較為有用。
在一實施例中，感測器陣列400之感測器S1-S9係為微機電感測器，並配置於基板402的表面，亦即表面型微機械感測器(surface micromachined sensors.)。然而，在其他使用微機電感測器的實施例中，感測器S1-S9可以是體型微機械感測器(bulk-micromachined sensors)，也就是至少部份的微機電感測器係形成於基板402的內部而非形成於表面。而在其他使用微機電感測器的實施例中，感測器陣列110可同時包括表面型微機械感測器及體型微機械感測器的組合。不同類型的微機電感測器的使用，主要依據所需敏感度而定。微機電感測器的種類可包括阻抗型化學感測器、體聲波(BAW)感測器等。在其他實施例中，一個以上的感測器S1-S9可以是非微機電感測器，包括利用石英或砷化鎵(GaAs)作為基質的表面聲波(SAW)感測器。
在操作氣體分析系統100之微機電感測器陣列400時，流體自氣相層析儀108經過入口406進入並通過內部空間410。流體在進入內部空間410時，同時攜帶經時域分離的化合物。當各化合物進入內部空間410後，便與一或多個感測器反應，各感測器具有可與化合物反應之親和力的塗層。而化合物與各感測器產生的反應將可被感測並量測， 以判別特定化合物的存在及其濃度。當更多流體流進內部空間410時，第一個進入的化合物將被推出內部空間410經由出口408排出，且帶有下一個時域分離的化合物的流體進入內部空間410，與感測器陣列產生反應並量測。此過程將持續到所有經時域分離的化合物都從氣相層析儀108流經感測器陣列110為止。在某些實施例中，塗層對於化合物的親和力並不強，感測器陣列110可被再使用。在所有時域分離的化合物都進行檢測後，加熱器412則啟動以加熱各感測器並使塗層釋出反應的化合物，使此反應為可逆性的。在某些實施例中，塗層與化合物的反應是較強烈的，故加熱感測器有助於釋出塗層中被部分吸收的化合物。
第5圖的實施例係顯示一種利用微機電元件之氣體分析系統500。氣體分析系統502在許多方面是類似於氣體分析系統100，其主要差異在於氣體分析系統502具有無線收發器504以及一結合於基板102之天線506。無線收發器504可接收(Rx)及發射(Tx)資料信號，並耦接於讀出分析電路128及天線506。
在一實施例中的系統500，其無線收發器504可用於無線發射讀出分析電路128之原始資料至一路由器(Router)508及一電腦510。當送出至路由器508時，該些資料可經由路由器508再轉送至另一標的裝置進行分析。舉例來說，當氣體分析系統502應用於健康相關化學分析時，傳送到路由器508之資料可再轉送至一或多個醫生的辦公室、醫 院、保健單位或其他地方進行分析及解讀。在分析完成後，或資料有問題時，醫生辦公室、醫院、保健單位可經由路由器508、天線506及無線收發器504傳送指示至氣體分析系統502，以修正或改進資料，或指示測試必須再次進行。
同樣與健康照顧有關的例子中，就相同或另一實施例之系統500而言，無線收發器504可用於傳送原始資料至電腦510。如同路由器一樣，電腦510可將資料轉送給醫生、醫院等，或可以利用安裝其中的軟體分析該些資料以提供分析後的結果，例如一或多種可能的醫療診斷，及提供分析後的結果給氣體分析系統502之使用者。當提供分析後的結果及醫療診斷時，電腦510可將診斷結果單獨，或是連同分析結果及原始資料一併提供給醫生、醫院等。如同路由器一樣，醫生辦公室、醫院或保健單位可透過電腦510、天線506及無線收發器504傳送指示至氣體分析系統502，以修正或改進資料，或指示測試必須再次進行等。
同樣地與健康照顧有關的例子中，就另一實施例之系統500而言，經由讀出分析電路128，原始資料可進行處理，得到分析後的可能診斷。經由讀出分析電路128得到的可能診斷結果，可被傳送至電腦510供使用者檢視及/或轉送，或可立即將診斷結果單獨，或是連同原始資料傳送給醫生的辦公室等。
第6圖顯示應用微機電元件之氣體分析裝置602之系統600之另一實施例。氣體分析裝置602在許多方面相似於氣 體分析系統502。其主要差異在於無線收發器504及天線506被替換為一耦接於讀出分析電路128之硬體資料介面604。在一實施例中，硬體資料介面604可以是一網路介面卡，但在其他實施例中，硬體資料介面604可以是一乙太網路卡、一有線插頭等。外部裝置可透過傳統連接方式例如傳輸線，連接於氣體分析裝置602。雖然有不同的傳輸介面，但氣體分析裝置602及系統600與氣體分析系統502及系統500有完全相同的功能。如同系統500，系統600之應用微機電元件之氣體分析裝置602可傳送或接收資料至其中一電腦608及一無線裝置606或其兩者，例如手機或個人數位助理器(PDA)。當傳送資料至無線裝置606時，該些資料可被轉送至一醫生的辦公室、醫院、保健單位，且接收資料者可依序透過無線裝置傳送資料或指示至氣體分析裝置602。如同系統500，當資料被傳送至電腦608時，亦可經由電腦轉送或進行分析，且將結果顯示及/或轉送給使用者，而可將指示透過電腦608傳送至氣體分析裝置602。相似地，氣體分析裝置602的資料可透過讀出分析電路128進行分析。在讀出分析電路128進行分析後，所得分析結果(例如一或多個診斷結果)及/或原始資料透過硬體資料介面604轉送。
第7圖顯示另一應用微機電元件之氣體分析裝置700之實施例。氣體分析裝置700在許多方面相似於氣體分析系統100。其主要差異在於氣體分析裝置700具有一設置於電路板的顯示器702，以將讀出分析電路128所得分析結果予以 顯示供使用者參考。
圖式顯示的實施例中，使用的是一種設置文字的顯示器702，例如利用一LCD螢幕顯示文字資訊供使用者參考。舉例來說，在一健康照護有關的例子中，可利用顯示器702顯示出患者的情形。顯示器702可顯示陽性或陰性的診斷結果，也可顯示出診斷結果的可能性大小，或顯示出感測器陣列所得之原始資料。在另一健康照護有關的例子中，也可使用簡單的顯示器，例如以三個燈號之開啟分別顯示陽性、陰性或未確定的診斷結果。
第8圖顯示應用微機電元件之氣體分析裝置800之另一實施例。氣體分析裝置800在許多方面相似於氣體分析系統100。其主要差異在於氣體分析裝置800之流體控制組件101之一或多個元件係為可替換的。在圖式顯示的實施例中，各元件可利用結合於基板102的插接座進行替換，過濾器與控制閥門元件104係透過插接座804結合於基板102上，前濃縮器106係透過插接座806結合於基板102上，氣相層析儀108係透過插接座808結合於基板102上，感測器陣列110係透過插接座810結合於基板102上，以及泵浦112係透過插接座812結合於基板102上。在一實施例中，插接座804-812係為可讓使用者方便置換之不費力式(Zero insertion force,ZIF)的插接座，但在其他實施例中亦可使用其他種類的插接座。雖然在圖式的實施例中顯示流體控制組件101之所有元件都是可替換式，但在其他實施例中只有部份元件，例如泵浦112及感測器陣列110是可替換 的。
第9圖顯示應用微機電元件之氣體分析裝置900之另一實施例。氣體分析裝置900在許多方面相似於氣體分析系統100。其主要差異在於氣體分析裝置900包括可提供一外部前濃縮器902(即一種非結合於基板102上的前濃縮器)。如實施例所示，位在前濃縮器106及氣相層析儀108之間的一控制閥門904，可使得外部前濃縮器902附加於控制閥門上。利用控制閥門904可使得使用者可單獨使用外部前濃縮器902或同時使用外部前濃縮器902及設置於基板上的前濃縮器106。在一實施例中，外部前濃縮器902係為呼吸採樣袋，但在其他實施例中亦可為其他不同的物件。在氣體分析裝置900之另一實施例中(圖未示)，前濃縮器106可永久移除並替換為外部前濃縮器902。在另一實施例中，以外部前濃縮器902取代前濃縮器106，而非嵌入一控制閥門在前濃縮器106及氣相層析儀108之間。此外，外部前濃縮器902亦可以結合在過濾器與控制閥門元件104之上游位置。
氣體分析裝置之應用
人類呼吸分析的前臨床研究發現，人類在呼吸時吐出的特定揮發性有機化合物(VOCs)與特定疾病具有關聯性，例如肺炎、肺結核(TB)、氣喘、肺癌、肝臟疾病及腎臟疾病等。其中又以肺臟疾病最為相關。現今的氣體分析系統主要仍依賴龐大且花費昂貴的實驗室儀器，例如氣相層析儀(GC)及質譜儀(MS)。大多數的儀器(特別是質譜儀)由於無 法縮小其尺寸，使得這些疾病診斷之設備無法廣泛地被使用。
如前所述之應用微機電之氣體感測器之實施例，則為此問題提供了一個解決方案，特別是有利地可進一步用來作為各種不同疾病的診斷及監測，例如氣喘、肺癌、肺臟疾病，及其他非肺臟疾病例如腎臟疾病及肝臟疾病等。
氣喘
氣喘為一種慢性疾病，因此定時監測患者康復進展對於醫生追蹤患者情形具有相當大的幫助。因此，一種手持式診斷的創新想法或技術，使得在家或任何地方皆可隨時進行呼吸的分析。在現今診斷上，美國胸腔協會(American Thoracic Society)所進行的基本量測包括有肺部之最高流速(Peak Flow Rate)等其他診斷項目，但最高流速是一種物理量檢測。呼吸分析則可提供藉由量測患者呼氣吐出之有機化合物(VOCs)，找出支氣管收縮之專一性根本原因。應用微機電元件之氣體分析系統可用於監測服用藥物後之功效。再者，藉由此種家用裝置進行主動性的監測，可針對個別病人的藥物治療進行量身定做。
結核病
現今世界上有三分之一的人曾受到結合桿菌的感染。而75%的案例為肺部性結核病。在開發中國家之感染率比已開發國家更高。因此，對於開發中國家來說，亟待發展一種經濟上較可負擔得起的診斷裝置。本發明應用微機電元件之氣體分析系統之實施例將可提供一種花費成本較低的 解決方案。結核病是由結核桿菌所引起的。而現今的診斷方式由於需培養生長緩慢的結核桿菌大約需6週，故不但費時且難度較高。所以為了得到更正確的評估，一個完整的醫療評估須包括胸部X光檢驗、結核病放射線讀片、結核病表皮測試、微生物塗片及培養。因此，可快速診斷之方法是相當具有價值的，且此種呼吸分析診斷的方式是可達到上述的需求。
肺癌
經由早期檢測及治療，肺癌的5年存活率可大幅改善。現今的診斷方法，例如胸部X光檢驗及電腦斷層掃描(CT)，都不易檢查出早期肺癌。而本發明之應用微機電元件之氣體分析系統所進行的呼吸分析則可診斷出早期肺癌。
相同症狀的肺部疾病之分類
藉由吐出揮發性的有機化合物(VOCs)進行呼吸的分析係為一種可鑑定出具有相似症狀之肺部相關疾病的可行方法。舉例來說，本發明應用微機電元件之氣體分析系統之實施例可提供檢測資料給醫生，以分辨出患者究竟罹患感冒、肺癌或是肺炎。由於具有不需進行繁雜診斷檢驗的簡單性，呼吸分析可作為第一篩選檢測之方案。
本發明前述之實施例，包括摘要中所敘述之內容，並非意圖限定本發明所揭露之範圍。熟悉本發明技術領域者可輕易的據此做些許的改變或修飾，但此些改變將不脫離本發明申請專利範圍所界定之範疇。
下列專利範圍中所使用的名稱並非用以限定本發明之說明書及專利範圍所揭露之實施例。本發明所請求保護之範圍，係由下列之所有請求項之教示所決定。
100‧‧‧氣體分析系統
101‧‧‧流體控制組件
102‧‧‧基板
104‧‧‧過濾器與控制閥門元件
106‧‧‧前濃縮器
108‧‧‧氣相層析儀
110‧‧‧感測器陣列
112‧‧‧泵浦
113‧‧‧罩體
114‧‧‧入口
116、118、120、122‧‧‧通道
124‧‧‧出口
126‧‧‧控制器
128‧‧‧讀出分析電路
130、132‧‧‧電路佈線
200‧‧‧微機電前濃縮器
202‧‧‧基板
204‧‧‧蓋板
206‧‧‧內部空間
208‧‧‧入口
210‧‧‧出口
212a、212b、212c、212d、212e、212f、212g‧‧‧凹孔
214a、214b、214c、214d、214e、214f、214g‧‧‧吸附劑
216‧‧‧加熱器
300‧‧‧微機電氣相層析儀
302‧‧‧基板
304‧‧‧蓋板
306‧‧‧入口
308‧‧‧出口
310‧‧‧管柱
312‧‧‧靜相層
400‧‧‧感測器陣列
402‧‧‧基板
404‧‧‧蓋板
406‧‧‧入口
408‧‧‧出口
410‧‧‧內部空間
412‧‧‧加熱器
500‧‧‧系統
502‧‧‧氣體分析裝置
504‧‧‧無線收發器
506‧‧‧天線
508‧‧‧路由器
510‧‧‧電腦
600‧‧‧系統
602‧‧‧氣體分析裝置
604‧‧‧硬體資料介面
606‧‧‧無線裝置
608‧‧‧電腦
700‧‧‧氣體分析裝置
702‧‧‧顯示器
800‧‧‧氣體分析裝置
804、806、808、810、812‧‧‧插接座
900‧‧‧氣體分析裝置
902‧‧‧外部前濃縮器
904‧‧‧閥門
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9‧‧‧感測器
本發明之實施例係以下列圖式配合說明，除非另有指定，各圖中的標號係用於對應於各圖中所指稱之元件。
第1A圖係為氣體分析裝置之一實施例之側視圖；第1B圖係為第1A圖中氣體分析裝置之實施例之平面圖；第2圖係為應用微機電元件之前濃縮器之一實施例之剖視圖，且可應用於第1A、1B圖中的氣體分析裝置；第3A圖係為應用微機電元件之氣相層析儀之一實施例之平面圖，且可應用於第1A、1B圖中的氣體分析裝置；第3B圖係為第3A圖中應用微機電元件之氣相層析儀之B-B斷面剖視圖；第4A圖係為感測器陣列之一實施例之平面圖，且可應用於第1A、1B圖中的氣體分析裝置；第4B圖係為第4A圖中感測器陣列之B-B斷面剖視圖；第5圖係顯示氣體分析裝置之另一實施例，以及應用該氣體分析裝置之系統之示意圖；第6圖係顯示氣體分析裝置之另一實施例，以及應用該氣體分析裝置之系統之示意圖；第7圖係為氣體分析裝置之另一實施例之平面圖； 第8圖係為氣體分析裝置之另一實施例之側視圖；及第9圖係為氣體分析裝置之另一實施例之側視圖。
100‧‧‧氣體分析系統
101‧‧‧流體控制組件
102‧‧‧基板
104‧‧‧過濾器與控制閥門元件
106‧‧‧前濃縮器
108‧‧‧氣相層析儀
110‧‧‧感測器陣列
112‧‧‧泵浦
113‧‧‧罩體
114‧‧‧入口
116、118、120、122‧‧‧通道
124‧‧‧出口
126‧‧‧控制器
128‧‧‧讀出分析電路
130、132‧‧‧電路佈線

Claims (28)

  1. 一種氣體分析裝置，其包含：一基板；一流體控制組件，其耦接至該基板，該流體控制組件包括複數個流體控制零件，該等流體控制零件可移除地耦接至該基板且可移除地彼此耦接，該複數個流體控制零件包括：一氣相層析儀，其具有一流體入口以及一流體出口，及一感測器陣列，具有一流體入口以及一流體出口，其中該感測器陣列之該流體入口係流體耦接(fluidly coupled)至該氣相層析儀之該流體出口；一罩體，其覆蓋該複數個流體控制零件；一控制電路，其可通聯地耦接至該複數個流體控制零件之至少一者；及一讀出電路，其可通聯地耦接至該感測器陣列及該控制電路。
  2. 如請求項1之裝置，其中該讀出電路包括一分析電路及關聯邏輯以分析接收自該感測器陣列之一輸出信號。
  3. 如請求項2之裝置，其進一步包含耦接至該分析電路之一輸出端的一顯示器，以將該分析之一結果顯示予一使用者。
  4. 如請求項1之裝置，其中該複數個流體控制零件進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一前濃縮器，其中 該前濃縮器係可移除地耦接至該控制電路，且其中該前濃縮器之該流體出口係可移除地耦接至該氣相層析儀之該流體入口。
  5. 如請求項4之裝置，其中該複數個流體控制零件進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一過濾器與控制閥門元件，其中該過濾器與控制閥門元件係可移除地耦接至該控制電路，且其中該過濾器與控制閥門元件之該流體出口係可移除地耦接至該前濃縮器之該流體入口。
  6. 如請求項5之裝置，其中該複數個流體控制零件進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一泵浦，其中該泵浦係可移除地耦接至該控制電路且其中該泵浦之該流體入口係可移除地耦接至該感測器陣列之該流體出口。
  7. 如請求項1之裝置，其中該罩體提供該複數個流體控制零件間之可移除的耦接。
  8. 如請求項5之裝置，其中流體耦接提供該複數個流體控制零件間之可移除的耦接。
  9. 如請求項1之裝置，其中該基板係一印刷電路板，該印刷電路板包括將該控制電路可通聯地耦接至該複數個流體控制零件之一或多者且將該讀出電路可通聯地耦接至該感測器陣列之電連接。
  10. 如請求項1之裝置，其中該感測器陣列包括一或多個微機電(MEMS)感測器，其中該一或多個微機電感測器之至少一者可為一化敏電阻器(chemiresistor)或一體聲波感測器(bulk acoustic wave sensor)。
  11. 如請求項1之裝置，其中該感測器陣列包括一或多個非微機電(non-MEMS)感測器，其中該一或多個非微機電感測器之至少一者可為一表面聲波感測器(surface acoustic wave sensor)。
  12. 一種氣體分析系統，其包含：一氣體分析裝置，包含：一基板；一流體控制組件，其耦接至該基板，該流體控制組件包括複數個流體控制零件，該等流體控制零件可移除地耦接至該基板且可移除地彼此耦接，該複數個流體控制零件包括：一氣相層析儀，其具有一流體入口以及一流體出口，及一感測器陣列，其具有一流體入口以及一流體出口，其中該感測器陣列之該流體入口係流體耦接(fluidly coupled)至該氣相層析儀之該流體出口；一罩體，其覆蓋該複數個流體控制零件；一控制電路，其可通聯地耦接至該複數個流體控制零件之至少一者；一讀出電路，其可通聯地耦接至該感測器陣列及該控制電路；及一傳輸介面，其耦接至該讀出電路。
  13. 如請求項12之系統，其進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一前濃縮器，其中該前濃縮器係可移除地耦 接至該控制電路，且其中該前濃縮器之該流體出口係可移除地耦接至該氣相層析儀之該流體入口。
  14. 如請求項13之系統，其進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一過濾器與控制閥門元件，其中該過濾器與控制閥門元件係可移除地耦接至該控制電路，且其中該過濾器與控制閥門元件之該流體出口係可移除地耦接至該前濃縮器之該流體入口。
  15. 如請求項14之系統，其進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一泵浦，其中該泵浦係可移除地耦接至該控制電路且其中該泵浦之該流體入口係可移除地耦接至該感測器陣列之該流體出口。
  16. 如請求項12之系統，其中該讀出電路包括一分析電路及關聯邏輯，以分析接收自該感測器陣列之輸出信號。
  17. 如請求項12之系統，其中該傳輸介面包含結合於該基板上之一無線收發器，以及結合於該基板且耦接至該無線收發器之一天線。
  18. 如請求項17之系統，其進一步包含一路由器及一電腦之一或兩者，藉以使該氣體分析裝置可經由該無線收發器及該天線進行傳輸。
  19. 如請求項12之系統，其中該傳輸介面包含一硬體資料介面。
  20. 如請求項19之系統，其進一步包含至少一無線裝置及一電腦，藉以使該氣體分析裝置可經由該硬體資料介面進行傳輸。
  21. 一種氣體分析裝置，其包含：一基板；一流體控制組件，其耦接至該基板，該流體控制組件包括複數個流體控制零件，該等流體控制零件可移除地耦接至該基板且可移除地彼此耦接，該複數個流體控制零件包括：一氣相層析儀，其具有一流體入口以及一流體出口，一前濃縮器，其具有一流體入口及一流體出口，其中該前濃縮器之該流體出口係耦接至該氣相層析儀之該流體入口，及一感測器陣列，其具有一流體入口以及一流體出口，其中該感測器陣列之該流體入口係流體耦接(fluidly coupled)至該氣相層析儀之該流體出口；一罩體，其覆蓋該複數個流體控制零件；一外部前濃縮器，其具有一流體入口及一流體出口，該流體出口係耦接至該前濃縮器之該出口及該氣相層析儀之該入口之間的流體耦接；一控制電路，其可通聯地耦接至該複數個流體控制零件之至少一者；及一讀出電路，其可通聯地耦接至該感測器陣列及該控制電路。
  22. 如請求項21之裝置，其進一步包含一三向閥(three-way valve)，該三向閥可移除地耦接至該前濃縮器之該流體 出口、該氣相層析儀之該流體入口、及該外部前濃縮器之該流體出口。
  23. 如請求項21之裝置，其中該讀出電路其上包括一分析電路及關聯邏輯，以分析接收自該感測器陣列之一輸出信號。
  24. 如請求項21之裝置，其中該複數個流體控制零件進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一過濾器與控制閥門元件，其中該過濾器與控制閥門元件係可移除地耦接至該控制電路，且其中該過濾器與控制閥門元件之該流體出口係可移除地耦接至該前濃縮器之該流體入口。
  25. 如請求項24之裝置，其中該複數個流體控制零件進一步包含具有一流體入口及一流體出口之一泵浦，其中該泵浦係可移除地耦接至該控制電路且其中該泵浦之該流體入口係可移除地耦接至該感測器陣列之該流體出口。
  26. 如請求項21之裝置，其中該罩體提供該複數個流體控制零件間之可移除的耦接。
  27. 如請求項21之裝置，其中流體耦接提供該複數個流體控制零件間之可移除的耦接。
  28. 如請求項21之裝置，其中該基板係一印刷電路板，該印刷電路板包括將該控制電路可通聯地耦接至該複數個流體控制零件之一或多者且將該讀出電路可通聯地耦接至該感測器陣列之電連接。
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