TWI706776B

TWI706776B - 具人工智慧與物聯網功能之醫療系統

Info

Publication number: TWI706776B
Application number: TW107135861A
Authority: TW
Inventors: 李順裕; 林於縉
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2018-10-11
Filing date: 2018-10-11
Publication date: 2020-10-11
Also published as: TW202014172A

Abstract

一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，其包括：至少一調控器、至少一控制終端裝置以及至少一運算裝置，病患可透過該調控器進行生理組織刺激治療，該調控器可依刺激的反饋結果調整刺激參數，且該調控器透過物聯網將發生異常刺激反饋結果的訊號傳送至該控制終端裝置，該控制終端裝置內建有疾病分析模組可對該異常刺激反饋結果進一步辨識疾病及生理組織的異常訊號，以供醫護人員針對異常訊號對該調控器調整刺激參數。此外，該醫護人員可透過該控制終端裝置與運算裝置互動，以進行大數據分析使刺激治療達到最佳化。

Description

具人工智慧與物聯網功能之醫療系統

本發明係關於一種神經刺激治療技術，特別的是，係有關一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統。

市面上現有的刺激器，主要分為體外與體內兩種刺激方式，且因刺激位置不同，又可細分為多種裝置，概略而言，體外刺激器多用於復健治療使用，主要為開迴路系統，以設定之刺激振幅大小、頻率高低、時間長度，對特定部位進行刺激，而體內式刺激器，則是依照器官的不同，而有其專屬對應的刺激器，如心臟、腦部癲癇、腦部帕金森氏症刺激器，多以開迴路的方式，進行特定的刺激治療。

上述體內、外刺激器，皆依刺激位置而設計出專屬之刺激器，不能因位置的不同，而調整至符合使用。且體外刺激器，大多體積龐大，除難以攜帶外，在使用方面更因為缺乏閉迴路回饋，故未能偵測刺激後的回饋狀況，使用者僅能憑藉自身感覺，調整相關刺激參數，在使用上不僅複雜，且有相當程度的不確定性，往往只能憑經驗設定刺激振幅大小、頻率高低、時間長度，而讓效果事倍功半。再者，體內刺激器亦以刺激的器官不同，而有所區隔，未能達成泛用的功能，每一部位都需要專一的刺激器，且缺乏完整的閉迴路回饋系統，不能依據刺激治療效果，自動調整合適的刺激參數，多需要依賴醫生決定刺激參數，且因使用介面亦非友善，在使用上存有相當程度的困難。

由上可知，如何找出一種具人工智慧且輕易更改刺激參數，實現客製化的刺激參數設定，以達成刺激效果最佳化，此將成為本技術領域人員努力追求之目標。

鑒於上述先前技術之缺點，本發明提出一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，其具備人工智慧機器學習功能，能依照個人刺激反饋，自動調整符合個人之刺激參數。

本發明之另一目的在於提供一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，提供友善的使用者介面，能提供醫護人員進行刺激參數的調整。

本發明之再一目的在於提供一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，提供一種廣泛應用型刺激器，能提供數種不同的刺激方式，包含電刺激、磁刺激、光刺激等刺激方式，能針對不同刺激位置，提供對應的刺激方式、振幅大小、頻率高低、時間長度。

為達到上述目的以及其他目的，本發明提供一種具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，該具人工智慧與物聯網功能之醫療系統包括：一調控器、一控制終端裝置以及一運算裝置，該調控器包括：一刺激單元，用以對一欲刺激生理組織進行刺激處理；一檢測單元，用以對一欲檢測生理組織檢測其生理訊號；一數位控制器，用以對該檢測單元所檢測到的生理訊號進行數位訊號處理以及分析該欲刺激生理組織進行刺激處理的狀態以取得經該刺激處理後的反饋結果，該數位控制器包括：一儲存單元，其儲存用以調控至少一生理組織的調控參數資料，該參數資料包括：一第一刺激參數值、一第二刺激參數值及一可預期反應信號；一開迴路單元，其係依據該儲存單元所儲存的該第一刺激參數值使該刺激單元對該欲刺激生理組織進行刺激；一閉迴路單元，其係判斷出到該檢測單元所檢測到的該欲檢測生理組織在該刺激單元以該第一刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激而能反饋出該可預期反應信號，則以該第一刺激參數值進行刺激參數的設定且使該刺激單元以該第一刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激；反之，該閉迴路單元判斷出在該刺激單元以該第一刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激而該檢測單元所檢測到的該欲檢測生理組織未反饋出該可預期反應信號，則使該刺激單元改以該第二刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激，並判斷在該刺激單元以該第二刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激時該欲檢測生理組織是否能反饋出該可預期反應信號，若未反饋出該可預期反應信號時輸出一異常訊息的反饋結果；及一調控端無線傳輸單元，用以將該數位控制器所處理的反饋結果進行無線傳輸，或無線接收欲供該數位控制器處理的該調控參數資料；該運算裝置包括：一雲端資料庫，用以儲存複數生理組織在以複數刺激參數值進行刺激的各反應數值；一伺服器模組，用以存取該雲端資料庫，且該伺服器模組復提供一雲端使用者介面，以由該雲端使用者介面輸入欲設定或儲存該至少一生理組織的刺激參數更新值，或更新該至少一生理組織的可預期反應信號，或由該雲端使用者介面顯示欲查詢的該至少一生理組織的反饋結果及該反饋結果所使用的刺激參數值；該控制終端裝置包括：一近端傳輸單元，用以與該調控端無線傳輸單元進行資料傳輸處理，以對該儲存單元進行存取動作；一遠端傳輸單元，用以與該伺服器模組進行資料傳輸；一智能處理模組，用以處理該近端傳輸單元以及遠端傳輸單元所接收到的資料，並控制該近端傳輸單元以及遠端傳輸單元進行資料的傳輸，且提供一終端使用者介面，以由該終端使用者介面顯示該近端傳輸單元所接收到的該欲檢測生理組織在該欲刺激生理組織受刺激的反饋結果，或由該終端使用者介面設定用以調控該調控器執行刺激處理的刺激參數更新值，其中，該刺激參數更新值透過該近端傳輸單元及調控端無線傳輸單元傳至該數位控制器處理，其中輸出該異常訊息的數位控制器以該接收到的刺激參數更新值使該刺激單元對欲刺激生理組織進行刺激，且由該閉迴路單元判斷該欲檢測生理組織在該刺激單元以該刺激參數更新值對該欲刺激生理組織進行刺激時是否能反饋出該可預期反應信號，若未反饋出該可預期反應信號時輸出該異常訊息的反饋結果，以供該智能處理模組依據該異常訊息提供後續的調控參數資料的更新處理。

較佳地，於上述具人工智慧與物聯網功能之醫療系統中，該運算裝置復包括：學習模組，其係於該伺服器模組接收到該智能處理模組傳來以該調控參數資料對該欲刺激生理組織進行刺激而該欲檢測生理組織未反饋出該可預期反應信號，則至該雲端資料庫建立刺激參數更新記錄，使一醫療人員據此分析並透過該智能處理模組傳送一刺激參數更新值至該調控器之儲存單元儲存，由該閉迴路單元以該刺激參數更新值對該欲刺激生理組織進行刺激，並重覆前述判斷該欲檢測生理組織的反饋結果且找出可對該欲刺激生理組織進行刺激並該欲檢測生理組織能反饋出該可預期的刺激反饋信號為止的一刺激參數目標值，並由該學習模組將該刺激參數目標值儲存於該雲端資料庫中。

相較於先前技術，本發明所提出之具人工智慧與物聯網功能之醫療系統，能提供多種刺激，包含電、光、磁刺激，更能適用於身體各部位，進行多項疾病的治療。同時，上述調控器具有物聯網的功能，能即時的透過控制終端裝置(例如智慧型手機、個人數位助理或電腦)的使用者介面(APP)，提供醫療人員使用，調整刺激的振幅強度、頻率高低與時間長度。且上述控制終端裝置或運算裝置更利用人工智慧、學習演算法，能依據刺激處理的反饋結果進行疾病的辨識與分析，同時給予相對應之刺激治療，並回饋刺激效果，以達成刺激治療之最佳化。

1:調控器

100:數位控制器

10:儲存單元

11:開迴路單元

12:閉迴路單元

13:調控端無線傳輸單元

130:無線射頻傳送模組

131:預加重訊號產生器

132:電流再利用自混頻壓控振盪器

133:電流再利用多倍轉導增益功率放大器

134a:第一天線

134b:第二天線

135:無線射頻接收模組

136:單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器

137:可變頻高通濾波器

138:電流再利用疊接組態雙級放大器

139:比較器

14:刺激單元

15:檢測單元

150:類比前端訊號處理模組

1500:前級放大器

1501:類比濾波器

1502:後級放大器

151:三角積分調變類比數位轉換模組

16:電源管理單元

160:整流單元

1600~160n:功率元件

1604:電流調節器

1605:動態基板選擇電路

1606:反向漏電流抑制電路

1607:電壓調節器

1608:自適應電壓控制電路

1609:穩壓電容

162:升壓單元

1620:N級升壓級

1621:導通元件

1622:電容

1623:電荷轉移輔助電晶體

1624:動態控制輔助電晶體

1626:交錯耦合輸出級

164:穩壓單元

1640:溫度曲率補償參考電壓電路

1641:(N-1)階溫度曲率補償正向參考電壓電路

1642:(N-1)階溫度曲率補償反向參考電壓電路

1643:相加器

1644:高穩定度線性穩壓電路

1645:誤差放大器

1646:穩定度提昇器

1647:導通元件

1648:高阻抗回授網路

2:控制終端裝置

20:近端傳輸單元

21:遠端傳輸單元

22:智能處理模組

220:疾病分析模組

221:多種疾病辨識演算法

3:運算裝置

30:伺服器模組

31:雲端資料庫

圖1係為本發明之具人工智慧與物聯網功能之醫療系統的系統架構示意圖。

圖2係為本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統之各系統構件的基本架構圖。

圖3係為本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統中的調控器執行刺激演算法的處理步驟流程圖。

圖4係為本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統中的控制終端裝置執行疾病分析處理的處理步驟流程圖。

圖5係為本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統中的刺激單元可提供的不同刺激波形。

圖6係為調控器的調控端無線傳輸單元的基本架構系統方塊圖。

圖7係為本發明之具人工智慧與物聯網功能之醫療系統的另一實施例系統架構示意圖。

圖8係為圖7所示檢測單元的組成構件系統方塊圖。

圖9係為圖7所示電源管理單元的組成構件系統方塊圖。

圖10係為圖9所示整流單元的組成構件系統方塊圖。

圖11係為圖9所示穩壓單元的組成構件系統方塊圖。

圖12係為圖9所示升壓單元的組成構件系統方塊圖。

以下內容將搭配圖式，藉由特定的具體實施例說明本發明之技術內容，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明之精神下，進行各種修飾與變更。尤其是，於圖式中各個元件的比例關係及相對位置僅具示範性用途，並非代表本發明實施的實際狀況。

請參照圖1，係為本發明之具人工智慧與物聯網功能之醫療系統的系統架構示意圖。如圖所示，該人工智慧與物聯網功能之醫療系統9包括：至少一調控器1、至少一控制終端裝置2以及至少一運算裝置3。上述調控器1例如體內或體外式刺激器，用以進行心律、腦波、肌電訊號或神經訊號等生理訊號的檢測及刺激處理，被檢測人員例如病患，其可依需求以植入式(即上述的體內刺激器)或配戴式(即上述的體外刺激器)來設置該調控器1。上述控制終端裝置2例如智慧型手機、數位助理裝置或電腦等電子裝置，醫護人員或被檢測人員可透過該控制終端裝置2對該調控器1進行刺激參數的設定，或由該控制終端裝置2接收且處理或顯示自該調控器1檢測並刺激該被檢測人員的生理組織的刺激反饋結果。該運算裝置3例如雲端設備，用以儲存複數生理組織在以複數刺激參數值進行刺激的各反應數值，且可收集各該控制終端裝置2傳來自該調控器1檢測並刺激該被檢測人員的刺激反饋結果及刺激參數，藉由收集該生理組織的刺激參數及刺激反饋結果進行大數據分析，使該運算裝置3執行人工智慧演算，並進行疾病的辨識與分析，而修正生理組織的刺激參數，再透過上述控制終端裝置2將該修正的刺激參數傳送至該調控器1，以由該調控器1給予被檢測人員相對應之刺激治療，並回饋刺激效用，以達成刺激治療之最佳化。

在此特別提出說明的是，上述運算裝置3所執行的人工智慧演算(如下述圖4所示)以進行疾病的辨識與分析，而修正生理組織的刺激參數，該人工智慧演算也可以在上述控制終端裝置2上執行，以輔助醫護人員而能快速做出疾病的分析以及判斷。

請參閱圖2，其係為本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統之各系統構件的基本架構圖，為簡化說明，本實施例僅針對本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統之各系統構件主要特徵有關的功能元件及其作用，其它功能元件，例如輸入元件、微處理器、電源供應器等功能元件及其作用將省略說明。本實施例中的調控器1包括：儲存單元10、開迴路單元11、閉迴路單元12、調控端無線傳輸單元13、刺激單元14及檢測單元15。該刺激單元14用以對一欲刺激生理組織進行刺激處理。該檢測單元15用以對一欲檢測生理組織檢測其生理訊號。在此須提出說明的是，上述欲刺激生理組織和上述欲檢測生理組織可為相同組織體位置或不同組織體位置，端視所欲刺激治療的生理組織需求而定，以下實施例則以不同主體位置為例說明。該儲存單元10用以儲存用以調控至少一生理組織的調控參數資料，該參數資料包括：一第一刺激參數值、一第二刺激參數值及一可預期反應信號。該開迴路單元11係依據該儲存單元10所儲存的該第一刺激參數值使該刺激單元14對該欲刺激生理組織進行刺激。該閉迴路單元12係判斷出該檢測單元15所檢測到的該欲檢測生理組織在該刺激單元以該第一刺激參數值進行刺激而能反饋出該可預期反應信號，則以該第一刺激參數值進行刺激參數的設定且使該刺激單元14以該第一刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激；反之，該閉迴路單元12判斷出該檢測單元所檢測到的該欲檢測生理組織在該刺激單元以該第一刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激而未反饋出該可預期反應信號，則使該刺激單元14改以該第二刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激，並判斷該欲檢測生理組織在該刺激單元以該第二刺激參數值對該欲刺激生理組織進行刺激時是否能反饋出該可預期反應信號；其中，可將判斷出的反饋結果儲存於該儲存單元10。該調控端無線傳輸單元13將儲存於該儲存單元10的反饋結果進行傳輸，或接收欲寫入該儲存單元10的調控參數資料，該調控端無線傳輸單元13可由一無線射頻電路實現(請容於下述圖6說明)。

本實施例中的控制終端裝置2包括：一近端傳輸單元20、一遠端傳輸單元21以及一智能處理模組22。在此須提出說明的是，為簡化圖式及說明，圖2所示之控制終端裝置2僅顯示與本發明有關之構件，其它無關之構件，例如控制鍵等之輸入單元或微處理器等，並未顯示於本發明之圖式中。該近端傳輸單元20用以與該調控器1的調控端無線傳輸單元13進行資料傳輸處理，以對該儲存單元10進行調控參數的存取或更新等處理。而該近端傳輸單元20以及該調控端無線傳輸單元13間是採用物聯網無線網路進行資料傳輸處理。該遠端傳輸單元21用以與該演算裝置3進行資料傳輸。該智能處理模組22用以處理該近端傳輸單元20以及遠端傳輸單元21所接收到的資料，並控制該近端傳輸單元20以及遠端傳輸單元21進行資料的傳輸，該智能處理模組22例如一應用軟體(APP)，提供數位訊號處理功能，以有效處理該調控器1所傳來的生理訊號，且可提供一終端使用者介面，以由該終端使用者介面顯示該近端傳輸單元20所接收到的該欲檢測生理組織在該欲刺激生理組織受刺激的反饋結果，或供一近端使用者(例如受生理訊號檢測的病患、其家人或醫護人員等人員)由該終端使用者介面設定用以調控該調控器1執行刺激處理的一刺激參數更新值，其中，該刺激參數更新值透過該近端傳輸單元20及調控端無線傳輸單元13傳至該儲存單元10儲存。

如圖2所示的虛框處，該虛框處所包圍的儲存單元10、開迴路單元11以及閉迴路單元12的單元構件，可整合各該單元的功能而由一數位控制器100來實現上述刺激處理以及反饋結果的判斷，且其能對所收集之生理訊號，進行放大、濾波之處理，並透過加密編碼演算電路，將該檢測單元15所檢測到的生理訊號編碼之後，透過該調控端無線傳輸單元13傳送至控制終端裝置2；此外，該儲存單元10、開迴路單元11以及閉迴路單元12具可程式化之設計，能透過該調控端無線傳輸單元13接收自該控制終端裝置2所傳來的使用者指令(例如透過上述終端使用者介面所設定的刺激參數)，並進行相對應之操作，亦可透過內建之刺激演算法(如圖3所示)，進行回授控制之神經調控。再者，該開迴路單元11以及閉迴路單元12提供一種人工智慧預處理(AI pre-processing)的刺激演算法，能初步將該檢測單元15所檢測到的生理訊號進行特徵擷取、特徵分類，以加速AI疾病辨識演算法(如圖4所示)。

而上述刺激演算法如圖3所示，由該儲存單元10、開迴路單元11以及閉迴路單元12組成的一數位控制器首先執行步驟S10，該儲存單元10已依據所欲檢測及刺激的位置儲存相應的刺激參數，即不同的生理組織會有不同的刺激參數，在此則以第一刺激參數值令該刺激單元14對一生理組織進行刺激。

接著進行步驟S11，該檢測單元15檢測該生理組織所回饋的生理訊號。在此補充說明的是，該刺激單元14進行刺激處理的欲刺激生理組織和該檢測單元15進行檢測的欲檢測處理的欲檢測生理組織可為相同組織體位置或不同組織體位置，端視所欲刺激治療的生理組織需求而定。

接著進行步驟S12，依據該儲存單元所10所儲存的可預期反應信號比對該檢測單元15所檢測到的該生理組織反饋的生理訊號是否相符，若相符，則進行步驟S13。反之，若反饋的生理訊號與該儲存單元所10所儲存的可預期反應信號不相符，則進行步驟S14。

於該步驟S13中，令該刺激單元14持續以第一刺激參數值對生理組織進行刺激，並反饋一正常訊息，接著進行步驟S18。

於該步驟S14中，即改以第二刺激參數值令該刺激單元14對該生理組織進行刺激，接著進行步驟S15。

於該步驟S15中，依據該儲存單元10所儲存的可預期反應信號比對該檢測單元15所檢測到的該生理組織反饋的生理訊號是否相符，若相符，則進行步驟S16。反之，若反饋的生理訊號與該儲存單元所10所儲存的可預期反應信號不相符，則進行步驟S17

於該步驟S16中，令該刺激單元14持續以第二刺激參數值對生理組織進行刺激，並反饋一正常訊息，接著進行步驟S18。

於該步驟S17，反饋一異常訊息，接著進行步驟S18。

於步驟S18中，將該檢測單元15所檢測到的生理訊號以及反饋結果儲存於該儲存單元10中，並透過該調控端無線傳輸單元13將該反饋結果傳送至該控制終端裝置2分析或做進一步的處理。

該控制終端裝置2之近端傳輸單元20接收到上述步驟S18所傳來的反饋結果，由該智能處理模組22進行的處理可包括：儲存該反饋結果、以簡訊或通訊軟體等通訊方式通知遠端使用者(例如受生理訊號檢測的病患家人或醫護人員)、或由該控制終端裝置2本端的揚聲器或顯示器等輸出裝置來通知近端使用者(例如受生理訊號檢測的病患、其家人或醫護人員)，且醫護人員更可以藉由該智能處理模組22所提供的終端使用者介面進行刺激參數值調整並透過該近端傳輸單元20傳送至該調控器1，以達到調整刺激參數的目的。

該智能處理模組22除了提供前述終端使用者介面以及處理該調控器1所傳來的生理訊號之數位訊號處理功能外，其還具備有疾病分析模組220，其利用人工智慧技術即時分析疾病，如圖4所示，該疾病分析模組220提供有多種疾病辨識演算法221，用以對該調控器1所傳來的生理訊號進行分析，以即時確認出該調控器1所反饋的生理訊號是否為異常訊號且更能進一步辨識出該異常訊號為何種疾病，藉由即時人工智慧疾病分析得以提供醫師輔助診斷。

請再返回圖2，該運算裝置3包括：一雲端資料庫31以及一伺服器模組30。該雲端資料庫31用以儲存複數生理組織在以複數刺激參數值進行刺激的各反應數值，以及還可儲存多種疾病辨識演算法及該多種疾病進行刺激治療的刺激參數值。該伺服器模組30用以存取該雲端資料庫31，該伺服器模組30與該控制終端裝置2的遠端傳輸單元21進行資料傳輸，並將該控制終端裝置2之遠端傳輸單元21所傳來的資料儲存於該雲端資料庫31。該控制終端裝置2可透過該運算裝置3來更新或新增該控制終端裝置2本端疾病辨識演算法以及多種疾病進行刺激治療的刺激參數值，相對的，各處的該控制終端裝置2也可將其所接收到的生理訊號及分析出的異常訊號與疾病辨識結果上傳至該運算裝置3中，使該運算裝置3可據此執行大數據分析，而能找出更為精確的疾病刺激治療方式，同時也可以藉此滿足遠端醫療之需求。

再者，該伺服器模組30復提供一雲端使用者介面，以由該雲端使用者介面輸入欲設定或儲存該至少一生理組織的至少一刺激參數更新值，或更新該至少一生理組織的可預期反應信號，或由該雲端使用者介面顯示欲查詢的該至少一生理組織的反饋結果及該反饋結果所使用的刺激參數值。

前述運算裝置3還具有學習模組(在此未予以圖示)，在醫護人員藉由該控制終端裝置2之智能處理模組22所提供的終端使用者介面進行刺激參數值調整並透過該近端傳輸單元20傳送至該調控器1後，閉迴路單元12以該調整後的刺激參數值(即上述刺激參數更新值)對該欲刺激生理組織進行刺激，並重覆前述如圖3所示的刺激演算法，判斷該欲檢測生理組織的反饋結果且找出可對該欲刺激生理組織進行刺激並該欲檢測生理組織能反饋出該可預期的刺激反饋信號為止的一刺激參數目標值，最後，該演算裝置3之學習模組將該刺激參數目標值儲存於該雲端資料庫31中，以供其他醫護人員後續存取之用。

本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統9中的調控器1因為具備「能依照個人刺激反饋，自動調整符合個人之刺激參數」的刺激演算法，其利用「開、閉迴路系統以依照個人刺激反饋，自動調整符合個人之刺激參數」，又上述數位控制器100已預存各種生理組織的刺激參數值，且可整合多種不同的刺激方式(包含電刺激、磁刺激、光刺激等刺激方式)的刺激單元14，而能針對不同刺激位置，提供對應的刺激方式(含平衡雙向刺激、平衡延遲雙向刺激、不平衡雙向刺激、單向刺激、慢反轉的平衡雙向刺激等刺激波形，上述刺激波形如圖5所示)、振幅大小、頻率高低、時間長度，故該調控器1可成為一種廣泛應用型的刺激器。

上述本發明之具人工智慧與物聯網功能之醫療系統9中，為了使該調控器1能隨時將被檢測到的生理訊號傳送給控制終端裝置2，該調控器1的調控端無線傳輸單元13的功率消耗是需要被重視的，在此請參閱圖6，其係為調控器1的調控端無線傳輸單元13的基本架構系統方塊圖。由於，該調控器1為了能應用於物聯網，利用了諧波檢測的技術，藉此簡化系統電路設計，以達到降低功率消耗與面積以及便於整合等目的。調控端無線傳輸單元13包括：無線射頻傳送模組130以及無線射頻接收模組135。

無線射頻傳送模組130包括預加重訊號產生器131、電流再利用自混頻壓控振盪器132及電流再利用多倍轉導增益功率放大器133。簡言之，該預加重訊號產生器131用於將來自物聯網之數位訊號執行訊號波形之整形，將該數位訊號調變為已調變輸出訊號，該電流再利用自混頻壓控振盪器132透過自混頻方式，提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅以及降低相位雜訊，該電流再利用多倍轉導增益功率放大器133透過電流再利用方式，放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅，俾將放大後之該已調變輸出訊號透過第一天線134a發送至無線通道。

具體來說，無線射頻傳送模組130具有低功率消耗、低面積、低成本、高整合度、容易實現等特點，適合應用在物聯網的系統中，此無線射頻傳送模組130可將任何輸入訊號，例如數位訊號或類比訊號，將其進行調變，包括進行升頻調變或是降頻調變均可。如圖所示，來自物聯網之數位訊號進入無線射頻傳送模組130時，會先通過預加重訊號產生器131以進行訊號波形之整形，以成為已調變輸出訊號。有關訊號波形之整形，可透過不同形式的波形整形來彌補各種調變方式的可能缺點，例如OOK調變、ASK調變、FSK調變、PSK調變、QPSK調變、QAM調變、MSK調變等，在此情況下，可同時解決OOK訊號與ASK訊號振幅變化速度緩慢之問題，也可加速FSK訊號調頻穩定之速度，以及解決PSK訊號與QPSK訊號不連續的高頻干擾問題。

數位訊號通過預加重訊號產生器131後，已調變輸出訊號會傳遞至電流再利用自混頻壓控振盪器132，此時電流再利用自混頻壓控振盪器132透過自混頻技術，使得電流再利用自混頻壓控振盪器132可在更低功率消耗、更低元件面積以及更低成本下，可輸出電壓/電流振幅更高的已調變輸出訊號，並且具有更低相位雜訊(phase-noise)以及較低的雜訊裙帶，如此可減低無線射頻傳送模組130對於其他頻帶的干擾。

接著，通過電流再利用自混頻壓控振盪器132之已調變輸出訊號會傳遞至電流再利用多倍轉導增益功率放大器133，電流再利用多倍轉導增益功率放大器133透過電流再利用技術、放大器疊接架構以及直流阻隔單元等，形成一個可產生任意倍數轉導增益的功率放大器，因此，能在更低功率消耗下，輸出更高的輸出功率(Output Power)至第一天線134a，如此電流再利用多倍轉導增益功率放大器133的使用可達到更高能量轉換效益。另外，放大器疊接架構可在只使用單條偏壓電流下達成差動架構才具有的偶次諧波消除功能以及共模雜訊消除功能，此讓已調變輸出訊號的線性度更好、降低對鄰近通道的干擾、提升無線射頻接收模組135的訊號雜訊比(SNR)以及降低無線射頻接收模組135的位元錯誤率(bit-error rate)。

無線射頻接收模組135包括：單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器136及電流再利用疊接組態雙級放大器138。簡言之，該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器136用於檢測來自第二天線134b所接收之弦波輸入訊號以得到基頻訊號，且將該基頻訊號解調變為差動訊號，該電流再利用疊接組態雙級放大器138用於在將開迴路狀態下執行數次放大，以放大該差動訊號的電壓/電流振幅而產生輸出訊號，俾將該輸出訊號傳送至後端的數位控制器100。

較佳者，無線射頻接收模組135還包括可變頻高通濾波器137，可設置於單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器136及電流再利用疊接組態雙級放大器138之間，可變頻高通濾波器137可用於濾除該差動訊號中低頻雜訊。

較佳者，無線射頻接收模組135還包括比較器139，可設置於電流再利用疊接組態雙級放大器138之後，比較器139可用於檢測該電流再利用疊接組態雙級放大器138放大後之該輸出訊號，以將該輸出訊號轉換成數位資料，俾令該數位資料傳送至該數位控制器100以執行生理組織的刺激並執行如上述圖3所述的刺激演算法。

具體來說，無線射頻接收模組135同樣具有低功率消耗、低面積、低成本、高整合度、容易實現等特點，亦可應用於物聯網的系統中。由於無線射頻接收模組135使用了諧波檢測的技術，因而傳輸部分可去除鎖相迴路(PLL)的使用，故可大幅減低的無線射頻傳送模組130的功率消耗、面積、成本，也增加了調控端無線傳輸單元13的整合度。無線射頻接收模組135可將任何振幅調變的訊號進行解調變，例如ASK訊號、OOK訊號、PSK訊號或QPSK訊號，如圖6 所示，第二天線134b將弦波輸入訊號接收進來並傳送至單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器136，單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器136可將訊號中基頻封包的部分檢測出來，並且轉成差動訊號輸出，由於解調變後的訊號直接落於基頻會受到低頻的閃爍雜訊干擾，因此，解調變後而得到的差動訊號會傳送至可變頻高通濾波器137，為了要抵抗製程偏移，可將可變頻高通濾波器137的頻帶設計為可調的。

之後，差動訊號被傳送至電流再利用疊接組態雙級放大器138來執行數次放大，其原因在於解調變後的訊號振幅不大，故需要一個放大器，電流再利用疊接組態雙級放大器138在開迴路情況下，疊接組態的放大器具有功率消耗較低和頻寬較佳之優點，而雙向放大器具有增益較高和輸出擺幅較大之優點，最後，放大後的差動訊號傳送至比較器139，若差動訊號為數位訊號，則將差動訊號轉換成數位資料，數位資料可輸出後至該數位控制器100。

上述無線射頻傳送模組130使用直接升頻(direct up-conversion)方式來調變基頻訊號，因而具備系統複雜度低、功率消耗較低等特點，輸出訊號的調變方式可為OOK(on-off-keying)調變或FSK(frequency-shift-keying)調變，若是OOK調變方式，則無線射頻傳送模組130可具有低功率消耗、低面積、低成本、低複雜度、高整合度等特點，若是FSK調變方式，則無線射頻傳送模組130可具有高位元速率(high data rate)、低位元錯誤率(low bit error rate)的特點。

上述無線射頻傳送模組130中使用了諧波檢測，故可抵抗載波頻率的偏移，如此無線射頻傳送模組130中則無需使用鎖相迴路，一般而言，在無線射頻系統中，無線射頻傳送模組130的功率消耗都會高於無線射頻接收模組 135，因此，在沒有鎖相迴路的使用下，可使無線射頻傳送模組130的功率消耗與面積大幅減低。

現有無線射頻系統使用直接升頻處理傳輸時，在振幅位移調變(ASK)過程需要控制壓控振盪器的偏壓電壓/電流，藉此控制壓控振盪器輸出大、小振幅，以產生振幅調變的訊號，然而壓控振盪器輸出訊號振幅的上升與下降時間會限制傳輸時的訊號位元速率，若壓控振盪器受到電壓/電流控制後振幅上升和下降的時間短，則系統的位元速率低，若壓控振盪器受到電壓/電流控制後振幅上升與下降的時間快，則系統的位元速率就提升。為了克服上述問題，上述無線射頻傳送模組130在電流再利用自混頻壓控振盪器132的前端加入預加重訊號產生器131(Pre-Emphasis Signal Generator)，如此可將原先要輸入給電流再利用自混頻壓控振盪器132的電壓/電流控制訊號做訊號振幅上的加權，透過總加權就可產出任意波形的刺激訊號，此刺激訊號輸入至電流再利用自混頻壓控振盪器132，就能讓電流再利用自混頻壓控振盪器132振幅上升與下降受到更強烈的訊號控制，提高上升與下降的速率，因而整個無線射頻傳送模組130的訊號位元速率就能夠大幅提升。於另一實施例中，若預加重訊號產生器131以數位電路形式實現的話，則預加重訊號產生器131只會消耗極低的功率，因而無線射頻傳送模組130整體訊號位元速率能提升，且功率消耗幾乎不會增加。

如前所述，預加重訊號產生器131可讓整個無線射頻傳送模組130的訊號位元速率提升，舉例來說，當調變方式為OOK調變時，無線射頻傳送模組130的位元速率會比使用ASK調變低，其原因在於當傳送OOK訊號0的時候(OOK調變的調變因子(modulation index)為100%)，此時電流再利用自混頻壓控振盪器132會處於完全關閉的狀態，而在ASK調變下，電流再利用自混頻壓控振盪器133卻沒有完全關閉，所以傳送OOK調變訊號時，每當傳送訊號"1"，就要等待電流再利用自混頻壓控振盪器132從完全關閉的狀態重新開始振盪，才能傳送出訊號1，因此，每次都要等電流再利用自混頻壓控振盪器132從完全關閉狀態下開始振盪，才能完整的傳送訊號"0"和訊號"1"，這個等待電流再利用自混頻壓控振盪器132重新振盪的時間，使得OOK調變的訊號位元速率無法提高，因此，預加重訊號產生器131，就能讓電流再利用自混頻壓控振盪器132重新振盪的時間縮短，藉此改善OOK調變的訊號位元速率較低的問題，也使得OOK調變在維持原本低功率消耗的優點下，仍可有效改善低位元速率的缺點。

上述無線射頻傳送模組130使用FSK(frequency-shift-keying)調變方式，則預加重訊號產生器131可將輸入的訊號改變，輸出可調控電流再利用自混頻壓控振盪器132的偏壓電壓/電流，透過不同加權比例過後的控制波形，使得電流再利用自混頻壓控振盪器132在調頻過程中穩定且快速，藉以提升傳送FSK調變訊號時的訊號位元速率。

上述電流再利用自混頻壓控振盪器132使用了電流再利用自混頻的技術，以將射頻頻率的振盪器訊號傳送至倍頻器(frequency-doubler)，藉此產生兩倍頻的射頻訊號，接著，將此兩倍頻的訊號透過電流再利用自混頻壓控振盪器132本身的交錯互補式混頻器(cross-coupling-mixer)，將兩倍頻的射頻訊號做頻率轉移，轉移至原本一倍的射頻訊號並送至電流再利用自混頻壓控振盪器132的諧振腔，形成了一個正回授的迴圈。此正回授的迴圈會加強電流再利用自混頻壓控振盪器132的諧振腔輸出訊號的振幅，等效降低了輸出訊號的相位雜訊(phase-noise)，且前述運作中，電感電容諧振腔(LC-tank)、交錯互補式混頻器(cross-coupling-mixer)、倍頻器(frequency-doubler)皆使用了電流再利用的技術，降低所需電流消耗，因而透過自混頻來降低輸出訊號相位雜訊的技術，即可在不增加偏壓電流路徑的情況下輸出較大的振盪訊號。

上述電流再利用多倍轉導增益功率放大器(Current-Reused Multiple-transconductance Power Amplifier)133透過直流阻隔單元(DC-Block)與轉導放大器(transconductor)的結合，創造出了一個多倍數轉導增益的放大器。由於功率放大器在傳輸時所耗功率也是相當可觀的，因而藉由電流再利用多倍轉導增益功率放大器133，透過直流阻隔單元提供做為交流訊號的地端，讓轉導放大器可以疊接方式共用同一條直流路徑做偏壓，再透過直流阻隔單元做交流耦合，而使輸出的交流訊號做疊加，藉此達成多倍轉導增益效果，故整體的轉導增益可以為任意倍數，此明顯優於現有電流再利用的做法(功率放大器的等效輸出轉導增益(Gm)為兩倍電晶體的轉導增益值(2倍的gm值))。

在使用電流再利用的過程中，如果輸出訊號的電壓擺幅(voltage swing)不高，則無需擔心電晶體擺幅的問題，因而可透過任意電晶體的疊接以達到任意倍數的轉導增益。上述電流再利用多倍轉導增益功率放大器133，基於輸入的是差動訊號，而通常雙端輸出的架構中，偶次諧波的成份都是同向的，因而反向的差動訊號可在輸出端形成同向疊加，而訊號中的同向偶次諧波就會形成反向相消，因此，即可在只使用一條偏壓電流的架構中，達成傳統差動功率放大器才會擁有的偶次諧波消除功能。

由於積體電路設計的演進不但講求高效率，更要求低成本、低功耗，因此本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統的調控器在檢測生理訊號的檢測單元15包括：類比前端訊號處理模組150以及三角積分調變類比數位轉換模組151，如圖7所示。該類比前端訊號處理模組150包括：前級放大器1500、類比濾波器1501以及後級放大器1502，如圖8所示，該類比前端訊號處理模組150得到來自電源管理單元16之直流穩定電壓後即開始運作，由於來自該檢測單元15的感測元件所感測到的生理訊號可為微弱的訊號，該生理訊號經由前級放大器1500進行第一次訊號放大後，以產生放大該感測到的生理訊號供後續電路進行生理訊號之分析處理。不同的生理組織的生理訊號在頻譜上所佔的訊號頻帶各有不同，因此，藉由類比濾波器1501對放大該感測到的生理訊號進行濾波處理以濾除不需要的雜訊並擷取生理訊號所佔頻帶之濾波訊號。濾波訊號再經由後級放大器1502進行第二次訊號放大以產生符合後續三角積分調變類比數位轉換模組151所需的動態範圍，並由三角積分調變類比數位轉換模組151轉換成數位生理訊號以供數位控制器100進行數位化處理。

類比濾波器1501之設計可包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶拒濾波器或上述濾波器的組合，例如串接組合，但不侷限於此。前級放大器1502或後級放大器1502之設計可包括開迴路放大器或閉迴路放大器，但不侷限於此。類比濾波器1501之設計可為連續時間式處理電路或離散時間式處理電路，但不侷限於此。

接著，請返回圖7，該調控器1’中的三角積分調變(Sigma-Delta modulation)類比數位轉換模組151具有自動校正動態範圍及低功耗的特性，係動態監測該類比前端訊號處理模組150所傳來的生理訊號強度，該生理訊號強度改變，可降低或提升系統階數，或改變前饋係數，以節省系統功耗。該三角積分調變類比數位轉換模組151藉由動態延伸演算法將欲輸出至該數位控制器100所處理的生理訊號與該類比前端訊號處理模組150所傳來的生理訊號進行比較以及算出多組動態範圍曲線，並由該數位控制器100依此擷取出適合之系統階數與前饋係數之組合進行儲存；該數位控制器100輸入一預設訊號並給予一組系統階數與前饋係數進行系統電路調整與初始化；動態監測三角積分調變類比數位轉換模組151輸出訊號強度，當該數位控制器100監測到該輸出的生理訊號強度變化不超過一預設值時，則保持初始前饋係數與系統階數，否則進行前饋係數、系統階數切換，直至系統穩定並達到功耗/效能平衡。在寬動態延伸演算法中，透過調整架構與前饋係數來達成輸出高解析度的要求，而引入可調式之系統架構的應用情境為：當系統輸出訊號強度夠大時則沒有使用高階三角積分調變技術進行類比數位轉換之必要性，亦即使用低階架構可以有效減少系統之功率消耗；反之，當輸出訊號強度較弱時則進行階數提升以提升系統表現。因此，該三角積分調變類比數位轉換模組151注重於整體效能的表現，特別是著重於擁有良好的訊號解析度與低功耗設計技術。

除了透過上述檢測單元15降低生理訊號檢測處理上的功率消耗以及上述調控端無線傳輸單元13利用了諧波檢測的技術來達成解調變，因此可以大幅簡化無線射頻接收模組的複雜度，降低系統功率消耗外，低功率的電源供應，減少元件上的能量損耗是必要的，如圖9所示，為上述圖7電源管理單元16的系統架構圖。該電源管理單元16用以將接收到的電源輸入來提供給後端電路(包括如圖7所示的數位控制器100、調控端無線傳輸單元13、刺激單元14、檢測單元15)使用，該電源管理系統16包括：整流單元160、穩壓單元164及升壓單元162，該電源輸入可為太陽能、熱能、聲波能、射頻能、交流電能或壓電振能等之輸入。在此須特別說明的是，圖9所示的電源管理單元16所示的系統架構並不限於此實施例，換句話說，該電源管理單元16的另一實施例中，該電源管理單元16應用於將輸入能量整流成比輸入低的直流電壓以對上述後端電路進行供電處理時，則只需具備該整流單元160及穩壓單元164，舉例而言，可利用手機透過耳機孔聲道產生能量，經由該整流單元160將音頻交流訊號轉成直流電壓；該電源管理單元16的再一實施例中，若該電源管理單元16應用於將輸入能量整流成比輸入高的直流電壓以對上述後端電路進行供電處理時，則只需具備該升壓單元162及穩壓單元164，端視所需的實施形態而有不同的變化例。

請一併參考圖10，其為圖9所示之整流單元160的基本架構，本實施例之整流單元160例如是全波橋式整流器，該整流單元160包括：若干功率元件(1600~160n)以及用以減少輸出電壓漣波的穩壓電容1609。該整流單元160的各功率元件(1600~160n)包括：一具導通路徑切換功能的電晶體、電流調節器1604以及電壓調節器1607，透過該電流調節器1604以及電壓調節器1607以解決習知全波橋式整流器之MOS電晶體基板的漏電流和閂鎖效應(latch up)，如圖所示，電流調節器1604包括：動態基板選擇電路1605及反向漏電流抑制電路1606，該電壓調節器1607具有自適應電壓控制電路1608，其中輸入能量係由輸入電壓以及輸入電流相乘組成，而輸出能量係由輸出電壓以及輸出電流相乘組成。該功率元件(1600~160n)用以將輸入的能量利用導通路徑的切換，並經由該穩壓電容1609將欲輸出的直流電壓整流成具低漣波的直流電壓，該電流調節器1604透過動態基板選擇電路(Dynamic Bulk Switching Circuit)以動態選擇基板電位，減少基板因寄生電晶體產生的漏電流，並利用反向漏電流抑制電路1606快速開關本端的功率元件1603，減少本端功率元件在輸入波形暫態的反向漏電流以及電流消耗等，因此使輸出電流達到最大化。該電壓調節器1607透過自適應電壓控制電路(Adaptive Voltage Controller；AVC)1608利用電晶體將輔助電容放電，將本端功率元件1603的導通電阻降低，達到降低輸入電壓與輸出電壓的電壓差，減少本端功率元件1603上的損耗，使輸出電壓最大化，因此便能達成高能量轉換效率整流器。

接著，請參閱圖11，其為圖9所示之穩壓單元164的系統方塊圖，本實施例之穩壓單元164為低壓降線性穩壓器(Low dropout regulator；LDO)。該穩壓單元164包括：溫度曲率補償參考電壓電路1640及高穩定度線性穩壓電路1644。該溫度曲率補償參考電壓電路1640具有低電壓、高電源電壓抑制比、低功率消耗、低溫度係數的特性，適合應用大溫度範圍變動的環境中，該溫度曲率補償參考電壓電路1640包括：(N-1)階溫度曲率補償正向參考電壓電路1641、(N-1)階溫度曲率補償反向參考電壓電路1642及相加器1643。該溫度曲率補償參考電路1640由輸入電壓Vi觸發使其開始工作，該(N-1)階溫度曲率補償正向參考電壓電路1641係用以產生與溫度成正相關的(N-1)階溫度曲率補償正向參考電壓，而該(N-1)階溫度曲率補償反向參考電壓電路1642係用以產生與溫度成負相關的(N-1)階溫度曲率補償反向參考電壓，而該相加器1643用以將該(N-1)階溫度曲率補償正向參考電壓與該(N-1)階溫度曲率補償反向參考電壓進行電壓相加的補償機制，來達到適用於大溫度範圍之N階溫度曲率補償參考電壓Vref。

圖11所示的高穩定度線性穩壓電路1644，具有低電壓、高電源電壓抑制比、低靜態電流、高穩定度、低面積、低成本的特性，適合應用於整合型晶片，其包括：誤差放大器1645、穩定度提昇器1646、導通元件1647以及高阻抗回授網路1648。該整流單元160之穩壓電容1609輸出的直流電壓將做為溫度曲率補償參考電壓電路1640與高穩度線性穩壓電路1644的電源，上述該溫度曲率補償參考電路1640處理的N階溫度曲率補償參考電壓Vref以及該高阻抗回授網路1648輸出的回授電壓傳入該誤差放大器1645，且由該誤差放大器1645調整輸出一供該導通元件1647導通的導通電壓，該誤差放大器1645與該導通元件1647間插入穩定度提昇器1646提升整體電路之穩定度，由該導通元件1647將具漣波的輸入電壓轉換成平穩的直流電壓給後端電路，當輸出電壓隨該後端電路抽載變動時，輸出電壓透過該高阻抗回授網路1648反饋至該誤差放大器1645以及該穩定度提昇器1646來調整輸出電壓，並經由該導通元件1647傳送至該後端電路。其中將該誤差放大器1645操作在低偏壓電流模式及將該高阻抗回授網路1648以電晶體截止區的大阻抗方式實現，來達到低靜態電流之目的。

接著，請再返回上述圖9，以上述整流單元160以及穩壓單元164可以使該電源管理單元16應用於低直流電壓的調控器1'的供電處理，若將該電源管理單元16應用於將輸入能量整流成比輸入高的直流電壓以對上述後端電路進行供電處理時，如生醫系統的高壓刺激器，則可透過該電源管理單元16的升壓單元162以及穩壓單元164進行電源的處理。在此須提出說明的是，另一實施例中，若上述電源管理單元16應用於將輸入能量整流成比輸入低的直流電壓，在上述後端電路進行供電處理的路徑中，整流成比輸入低的直流電壓及高的直流電壓兩路徑下的穩壓單元164的電信號處理架構是一致的，如上述圖11所示，為簡化說明，在此不予重述該穩壓單元164，以下僅就升壓單元162進一步提出說明。如圖12所示，該升壓單元162具有高電壓轉換效率的特點，其包括：N級升壓級1620及交錯耦合輸出級1626，輸入的交流能量經過N級升壓級1620提高電壓，在通過交錯耦合輸出級1626輸出需求的高電壓，N級升壓級1620內部包括導通元件1621、電容1622、電荷轉移輔助電晶體1623以及動態控制輔助電晶體1624，輸入能量經由導通元件1621儲存於電容1622，經由電容1622另一端的電壓改變來提昇輸出電壓，利用電荷轉移輔助電晶體1623並聯導通元件1621，由後級的高電壓降低導通元件1621的跨壓。由於該電荷轉移輔助電晶體1623在暫態下會產生逆向漏電流路徑，因此利用動態控制輔助電晶體1624快速切換時脈，減少電荷轉移輔助電晶體1623的逆向漏電流，以提高能量轉換效率，而交錯耦合輸出級1626則是為了穩定輸出減少漣波。最後，再把轉換並除去漣波的電源信號傳送至後端的穩壓單元164，以進行如上述溫度補償以及轉換平穩直流電壓並傳給後端電路。

綜上所述，本發明具人工智慧與物聯網功能之醫療系統中的調控器在低功耗運作下，提供一般民眾做為居家醫材使用，且因具有物聯網功能可滿足遠端醫療之需求，且該醫療系統中的控制終端裝置之疾病分析模組提供有多種疾病辨識演算法，可提供醫師輔助診斷，加上該調控器中的數位控制器之開迴路單元以及閉迴路單元提供一種人工智慧預處理(AI pre-processing)，能使個人刺激效果達成最佳化。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如本發明的申請專利範圍所列。