TWI504384B - 生理訊號偵測系統 - Google Patents

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TWI504384B
TWI504384B TW102104766A TW102104766A TWI504384B TW I504384 B TWI504384 B TW I504384B TW 102104766 A TW102104766 A TW 102104766A TW 102104766 A TW102104766 A TW 102104766A TW I504384 B TWI504384 B TW I504384B
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yu feng Hu
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Description

生理訊號偵測系統
本發明係關於一種偵測系統，特別是關於生理訊號偵測系統。
心臟是由心肌所組成，透過心肌以規律的方式博動(beat)，心臟的機可以如同幫浦將血液送到全身，心肌不但能夠收縮，同時也能夠產生傳導電流。且生物體本身為一良好導體，由心肌神經纖維的動作電位(action potential)變動所產生的電流，會從心臟散佈至全身，但因身體各部位導電狀況不同，所以電流分佈亦不相同。
由不同的電極對所紀錄到不同的電位波形及大小，稱為導程(Lead)，導程是指連接於生物體四肢或胸部的金屬體電極，用來引導心臟之電流。藉由電極將身體表面的動作電位紀錄下來，就是所謂的心電圖(Electrocardiogram，ECG)，透過心電圖所提供的資訊，可以判斷此生物體的心臟狀況。
然而，要偵測心臟額平面(frontal plane)和橫平面(horizontal plane)等不同的導程的設備相當複雜，一般只用來偵測人的心電圖，因為小型動物的心跳通常較快且心臟體積十分小，較少直接偵測小型動物的心電圖。
小型動物以老鼠為例，現今偵測老鼠電生理模式是使用十分小的電氣導管經由靜脈或動脈進行檢查，然而，此方式的技術難度十分高，且需要有龐大的儀器設備，如電刺激系統、訊號接收與顯影像系統、導管連接系統。不僅造價昂貴、體積龐大且導管的損害率高，所收集的資訊也有限。
本發明提供一生理訊號偵測系統，本發明的生理訊號偵測系統係用以偵測一待測物的生理訊號，例如偵測小鼠心房與心室顫動的訊號，本發明不以此為限。本發明所提供的生理訊號偵測系統包含一感測單元、一刺激單元以及一控制單元。
生理訊號偵測系統之感測單元具有一偵測電極、一第一體表偵測電極、一第二體表偵測電極以及一感測模組；其中，感測模組包含一第一電源供應器以及一第一無線收發器。
偵測電極連接於該待測物的一第一部位，第一體表偵測電極連接一接地電極以及該待測物的一第二部位，第二體表偵測電極連接於該待測物的一第三部位，其中該第二部位以及該第三部位為該待測物的四肢。
第一電源供應器同時提供電力給偵測電極、第一體表偵測電極、第二體表偵測電極以及第一無線收發器。
感測模組用以感測該偵測電極至該第一體表偵測電極之間的訊號，以得到一心內偵測訊號，感測模組同時也感測該第二體表偵測電極至該第一體表偵測電極之間的訊號，以得到一體表心電訊號。
生理訊號偵測系統之刺激單元具有一刺激電極以及一刺激模組，其中，刺激模組包括一第二電源供應器以及一第二無線收發器。
刺激電極係連接於該待測物的一第四部位，其中該第一部位以及該第四部位為該待測物的心臟表面，本發明不以此為限。
刺激模組係提供一刺激訊號給該刺激電極。第二電源供應器同時提供電力給刺激電極以及第二無線收發器。
生理訊號偵測系統之控制單元電性連接該感測單元以及該刺激單元，控制單元包含一操作介面、一處理模組、一儲存器以及一第三無線收發器。
控制單元的操作介面係用以使用者進行輸入刺激訊號或其他調變參數，刺激訊號或其他調變參數將傳送給刺激單元的刺激模組，再由刺激模組將刺激訊號或其他調變參數經過處理後傳送給刺激電極。
操作介面係透過第三無線收發器傳送刺激訊號或其他調變參 數給刺激單元的第二無線收發器，心內偵測訊號以及體表心電訊號係透過第一無線收發器傳出至給控制單元之第三無線收發器。
控制單元的處理模組係將該心內偵測訊號以及該體表心電訊號轉換為一數位訊號，且將該數位訊號顯示於該操作介面。
本發明所使用的偵測電極以及刺激電極可由單電極的神經刺激針改良而成，與習知技術所使用的導管的成本相較下，本發明所使用的電極成本係相當便宜的。
一般電生理所需要的心臟參數包括竇房結、房室結、心房與心室的不反應期，與心律不整的誘發與監測皆可以使用本發明生理訊號偵測系統完成。
本發明所提供的生理訊號偵測系統可以結合遠端傳輸技術、改良傳統龐大的電刺激與訊號設備，並結合使用造價便宜電針取代昂貴的導管、以心外電生理檢查的方法取代經血管的手術方式，亦可依單一方式進行數個腔室的電生理檢查，手術技術較簡單，設備體積小且攜帶方便。刺激訊號的參數可由軟體或人為控制，控制單元甚至僅需個人電腦系統既可執行，因此所需成本遠遠小於習知技術，方便性高且具商業價值。
關於本發明之優點與精神，以及更詳細的實施方式可以藉由以下的實施方式以及所附圖式得到進一步的瞭解。
2‧‧‧生理訊號偵測系統
20‧‧‧感測單元
21‧‧‧偵測電極
22‧‧‧感測模組
221‧‧‧第一電源供應器
222‧‧‧第一無線收發器
23‧‧‧第一體表偵測電極
24‧‧‧接地電極
25‧‧‧第二體表偵測電極
30‧‧‧刺激單元
31‧‧‧刺激電極
32‧‧‧刺激模組
321‧‧‧第二電源供應器
322‧‧‧第二無線收發器
40‧‧‧控制單元
41‧‧‧操作介面
42‧‧‧處理模組
421‧‧‧類比數位轉換器
422‧‧‧濾波器
423‧‧‧差分放大器
43‧‧‧儲存器
44‧‧‧第三無線收發器
50‧‧‧呼吸器
60‧‧‧支架
第一圖：本發明所提供的生理訊號偵測系統之示意圖；第二圖：本發明所提供的生理訊號偵測系統用以測試一小鼠的示意圖；第三圖：本發明操作介面的示意圖；第四a圖：本發明生理訊號偵測系統偵測一小鼠的正常心內偵測訊號以及體表心電訊號之心電圖訊號。
第四b圖：本發明生理訊號偵測系統藉由連續刺激誘發一小鼠心室頻脈，偵測該小鼠的心內偵測訊號以及體表心電訊號之心電圖訊號。
請參考第一圖，其係本發明所提供的生理訊號偵測系統之示意圖，本發明的生理訊號偵測系統2係用以偵測一待測物的生理訊號，例如偵測小鼠心房與心室顫動的訊號，本發明不以此為限。本發明所提供的生理訊號偵測系統2包含一感測單元20、一刺激單元30以及一控制單元40。
生理訊號偵測系統2之感測單元20具有一偵測電極21、一第一體表偵測電極23、一第二體表偵測電極25以及一感測模組22；其中，感測模組22包含一第一電源供應器221以及一第一無線收發器222。
偵測電極21連接於該待測物的一第一部位，第一體表偵測電極23連接一接地電極24以及該待測物的一第二部位，第二體表偵測電極25連接於該待測物的一第三部位，其中該第二部位以及該第三部位為該待測物的四肢。
第一電源供應器221同時提供電力給偵測電極21、第一體表偵測電極23、第二體表偵測電極25以及第一無線收發器222。
上述實施例以三個位於待測物不同部位的電極，偵測電極21、第一體表偵測電極23以及第二體表偵測電極25，來進行待測物心電圖的量測，取任二個電極則可組成一個導程，共有三個導程，三個導程呈三角關係，通常會取其中一個電極進行接地，也就是做為參考電極，以上述實施例而言，第一體表偵測電極23連接接地電極24，此時第一體表偵測電極23就是做為參考電極，通常參考電極會選擇連接於待測物離心臟最遠的位置，因為這樣電位的變化最小，誤差值也會較小，除此之外，若需要更多資訊，亦可增加其他體表偵測電極。
感測模組22用以感測該偵測電極21至該第一體表偵測電極23之間的訊號，以得到一心內偵測訊號，也就其中一導程的訊號，感測模組22同時也感測該第二體表偵測電極25至該第一體表偵測電極21之間的訊號，以得到一體表心電訊號，也就其中另一導程的訊號。
生理訊號偵測系統2之刺激單元30具有一刺激電極31以及一刺激模組32，其中，刺激模組32包括一第二電源供應器321以及一第二 無線收發器322。
刺激電極31係連接於該待測物的一第四部位，其中該第一部位以及該第四部位為該待測物的心臟表面，本發明不以此為限。
刺激模組32係提供一刺激訊號給該刺激電極31。第二電源供應器321同時提供電力給刺激電極31以及第二無線收發器322。其中，刺激訊號包含一電擊時間、一電擊次數或一電擊強度，本案不以此為限。
生理訊號偵測系統2之控制單元40電性連接該感測單元20以及該刺激單元30，控制單元40包含一操作介面41、一處理模組42、一儲存器43以及一第三無線收發器44。
控制單元40的操作介面41係用以使用者進行輸入刺激訊號或其他調變參數，刺激訊號或其他調變參數將傳送給刺激單元30的刺激模組32，再由刺激模組32將刺激訊號或其他調變參數經過處理後傳送給刺激電極31。
操作介面41係透過第三無線收發器44傳送刺激訊號或其他調變參數給刺激單元30的第二無線收發器322，心內偵測訊號以及體表心電訊號係透過第一無線收發器222傳出至給控制單元40之第三無線收發器44，當然，本案傳送方式不以無線傳輸為限制。
控制單元40的處理模組42係將該心內偵測訊號以及該體表心電訊號轉換為一數位訊號，且將該數位訊號顯示於該操作介面41。
一實施例中，控制單元40的處理模組42包含一濾波器422(filter)，濾波器422係用以將感測單元20所偵測到的心內偵測訊號以及體表心電訊號進行過濾處理，雜訊或是不重要的資訊將會被過濾掉，只留下重要的資訊，本案的濾波器422可為低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器，本案不以此為限。
一實施例中，控制單元40的處理模組42包含一差分放大器423(differential amplifier)，差分放大器423係用以將過濾後的心內偵測訊號以及體表心電訊號進行放大處理，差分放大器423可以將兩個輸入端電壓的差以一固定增益進行放大，因此可以增強過濾後的心內偵測訊號以及體表心電訊號，本案的差分放大器423可為高速差分放大器或高動態範圍差 分放大器，本案不以此為限。
一實施例中，控制單元40的處理模組42包含一類比數位轉換器421，類比數位轉換器421係用以將過濾過且增強過的心內偵測訊號以及體表心電訊號轉換為數位訊號，數位訊號是離散時間訊號(discrete-time signal)的數位化表示，可以將一組精確測量的數值用有限字長的數值來表示，此過程稱為量化(Quantization)，也就是說，此時的數位訊號是指量化後的心內偵測訊號以及體表心電訊號，數位化的資訊通常也較方便進行後續處理或利於解讀。
該些輸入刺激訊號或其他調變參數以及所收集到的心內偵測訊號和體表心電訊號，或是任何相關的檢測紀錄，將會儲存於儲存器43中，以供後續調閱或查詢。
請參考第二圖，其係本發明所提供的生理訊號偵測系統用以測試一小鼠的示意圖，小鼠先經接受麻醉、插管、接上呼吸器50，並以燈具維持體溫，右後腳插上第一體表偵測電極23，右前腳插上第二體表偵測電極25，其他左後腳和左前腳也可以各插一支體表偵測電極，用以提供更多導程的資訊。
於小鼠胸骨位置做開胸處理，大約開0.3-0.5公分的開口，將偵測電極21與刺激電極31垂直放入小鼠的心臟表面，並以支架60固定，如此一來，即可得到小鼠心臟的雙電極訊號，刺激電極31亦可對小鼠心臟進行電刺激。
請參考第三圖，其係本發明操作介面的示意圖，使用者可以透過控制單元40的操作介面41輸入刺激訊號或其他調變參數，刺激訊號包括電擊時間、電擊次數與電擊電壓大小，皆可由使用者自行設定，刺激訊號或其他調變參數透過第三無線收發器44傳送至刺激單元30的第二無線收發器322，刺激模組32再將刺激訊號或其他調變參數經過處理後傳送給刺激電極31，刺激電極31則依據該些指令對小鼠心臟進行電刺激。
當小鼠的心臟經過電刺激後，感測模組22感測偵測電極21至第一體表偵測電極23之間的訊號，以得到一心內偵測訊號，感測模組22也同時感測第二體表偵測電極25至第一體表偵測電極23之間的訊號，以 得到一體表心電訊號。
感測模組22所偵測到的心內偵測訊號以及體表心電訊號會再透過第一無線收發器222傳送給控制單元40的第三無線收發器44，且因為此時的心內偵測訊號以及體表心電訊號皆為類比訊號，這些類比訊號將會先經由處理模組42的濾波器422進行過濾處理，將不重要的資訊去除，只留下重要的資訊，過濾後的類比訊號再經過處理模組42的差分放大器423進行增強處理，最後再將過濾且增強後的類比訊號傳送至處理模組42的類比數位轉換器421進行類比數位轉換處理，進而得到數位化的心內偵測訊號以及體表心電訊號。
如第四a圖所示，其係本發明生理訊號偵測系統偵測一小鼠的正常心內偵測訊號以及體表心電訊號之心電圖訊號。由圖上可以看出經過相同時間後所產生未受刺激小鼠的心內偵測訊號以及三個方向的體表心電訊號。
如第四b圖所示，其係本發明生理訊號偵測系統藉由連續刺激誘發一小鼠心室頻脈，偵測該小鼠的心內偵測訊號以及體表心電訊號之心電圖訊號，由圖上可以看出施予不同的電壓刺激，經過相同時間後所產生受刺激小鼠的心內偵測訊號以及三個方向的體表心電訊號。
該些由操作介面41所輸入的刺激訊號或其他調變參數以及最後所產生的三個方向的心內偵測訊號以及體表心電訊號都可以儲存於儲存器43，以供後續處理或調閱，本發明不以此為限。
本發明所使用的偵測電極21以及刺激電極31可由單電極的神經刺激針改良而成，與習知技術所使用的導管的成本相較下，本發明所使用的電極成本係相當便宜的。
一般電生理所需要的心臟參數包括竇房結、房室結、心房與心室的不反應期，與心律不整的誘發與監測皆可以使用本發明生理訊號偵測系統完成。
本發明所提供的生理訊號偵測系統可以結合遠端傳輸技術、改良傳統龐大的電刺激與訊號設備，並結合使用造價便宜電針取代昂貴的導管、以心外電生理檢查的方法取代經血管的手術方式，亦可依單一方式 進行數個腔室的電生理檢查，手術技術較簡單，設備體積小且攜帶方便。刺激訊號的參數可由軟體或人為控制，控制單元甚至僅需個人電腦系統既可執行，因此所需成本遠遠小於習知技術，方便性高且具商業價值。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。對熟悉此項技術者，當可輕易了解並利用其它元件或方式來產生相同的功效。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述之申請專利範圍內。
2‧‧‧生理訊號偵測系統
20‧‧‧感測單元
21‧‧‧偵測電極
22‧‧‧感測模組
221‧‧‧第一電源供應器
222‧‧‧第一無線收發器
23‧‧‧第一體表偵測電極
24‧‧‧接地電極
25‧‧‧第二體表偵測電極
30‧‧‧刺激單元
31‧‧‧刺激電極
32‧‧‧刺激模組
321‧‧‧第二電源供應器
322‧‧‧第二無線收發器
40‧‧‧控制單元
41‧‧‧操作介面
42‧‧‧處理模組
421‧‧‧類比數位轉換器
422‧‧‧濾波器
423‧‧‧差分放大器
43‧‧‧儲存器
44‧‧‧第三無線收發器

Claims (11)

  1. 一種生理訊號偵測系統，用以偵測一小鼠，包含：一感測單元，包含：一偵測電極，連接於該小鼠心臟的一表面；一第一體表偵測電極，連接一接地電極以及該小鼠四肢的一第一端；一第二體表偵測電極，連接於該小鼠四肢的一第二端，其中，該第一端相較於第二端遠離心臟；一感測模組，感測該偵測電極至該第一體表偵測電極之間的訊號，以得到一心內偵測訊號，感測該第二體表偵測電極至該第一體表偵測電極之間的訊號，以得到一體表心電訊號；一刺激單元，包含：一刺激電極，連接於該小鼠心臟的該表面；一刺激模組，提供一刺激訊號給該刺激電極；以及一控制單元，電性連接該感測單元以及該刺激單元，該控制單元包含：一操作介面，用以輸入該刺激訊號；以及一處理模組，將該心內偵測訊號以及該體表心電訊號轉換為一數位訊號，且將該數位訊號顯示於該操作介面。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該感測單元更包含一第一電源供應器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該感測單元更包含一第一無線收發器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該刺激單元更包含一第二電源供應器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該刺激單元更包含一第二無線收發器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該控制單元更包含一第三無線收發器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該控制單元更包含一儲存器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該刺激訊號包含一電擊時間、一電擊次數及一電擊強度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該處理模組具有一類比數位轉換器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該處理模組具有一濾波器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之生理訊號偵測系統，其中該處理模組具有一差分放大器。
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