TWI768152B - 生理訊號無線傳輸系統及其運作方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種兼容於核磁共振（MR）系統的生理訊號無線傳輸系統，該生理訊號無線傳輸系統包含一植入式感測裝置，以及與該植入式感測裝置無線連接的一能源中繼裝置。其中，該植入式感測裝置包含：一感測模組，具有至少一感測器；一資料傳輸模組，與該感測模組連接；以及一能源接收模組，與該感測模組和該資料傳輸模組連接。另一方面，該能源中繼裝置包含：一資料收發天線，與該資料傳輸模組無線連接；一微處理器，與該資料收發天線連接；一顯示模組，與該微處理器連接；一能源發射天線，與該能源接收模組無線連接，以及一能源發射模組，與該能源發射天線連接。

Description

生理訊號無線傳輸系統及其運作方法
本發明係關於一種生理訊號無線傳輸系統及其運作方法，尤指一種可感測顱內壓（Intracranial pressure, ICP）且兼容於核磁共振（Magnetic Resonance, MR）系統的生理訊號無線傳輸系統及其運作方法。
核磁共振影像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）若由經過訓練的醫師判讀這些影像，可產生有助於診斷的資訊。此系統也可用在介入治療過程中使用 MR 相容系統進行成像。但是，核磁共振檢查不適合用於檢查裝有電子植入物或導電植入物、或內含鐵磁性異物之金屬的患者。
目前植入式感測接收器在進入核磁共振（MR）系統之前，必須先斷開連接的所有電纜和患者監護設備，並且需要特殊固定植入器械以確保患者在核磁共振檢查過程中的安全。例如，必須將數米長的感測器導線和電氣連接器放置成特定的幾何形狀，以盡量減少感測器被強力磁場加熱的可能性。
而可充電植入式感測器或無線傳輸感測器為主動式植入物，意即此裝置內含有導磁金屬物質或可充電電池，嚴重情況可能導致植入物在體內發生移動或產生拋物狀加速運動。
為了藉決上述的缺失，本發明提出一種可兼容於核磁共振（MR）系統的生理訊號無線傳輸系統，包含：一植入式感測裝置，以及與該植入式感測裝置無線連接的一能源中繼裝置。
其中，該植入式感測裝置包含：一感測模組，具有至少一感測器，該感測模組用以監測至少一生理訊號；一資料傳輸模組，與該感測模組連接，該資料傳輸模組傳送該至少一生理訊號；以及一能源接收模組，與該感測模組和該資料傳輸模組連接，該能源接收模組提供該感測模組和該資料傳輸模組一工作電壓。
另一方面，該能源中繼裝置包含：一資料收發天線，與該資料傳輸模組無線連接，該資料收發天線收發該至少一生理訊號；一微處理器，與該資料收發天線連接；一顯示模組，與該微處理器連接，該顯示模組顯示該至少一生理訊號；一能源發射天線，與該能源接收模組無線連接；以及一能源發射模組，與該能源發射天線連接，該能源發射模組可產生815MHz至5.8GHz的一射頻信號。
進一步而言，本發明提出的生理訊號無線傳輸系統還可包含一外部監控裝置，與該能源中繼裝置無線連接。該外部監控裝置包含：一資料接收單元，與該資料收發天線無線連接，該資料接收單元接收該至少一生理訊號；一微處理單元，與該資料接收單元連接；以及一顯示單元，與該微處理單元連接，該顯示單元顯示該至少一生理訊號。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
本發明提出了一種可兼容於核磁共振（MR）系統的生理訊號無線傳輸系統，該生理訊號無線傳輸系統移除了傳統感測裝置中的電池或導磁金屬，而採用無線充電的方式提供系統訊號監測及資料傳輸的能源，以避免感測裝置在進行核磁共振掃描的同時，電流磁場受到激發所產生的危險。
請參照第一圖，其為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統示意圖。如第一圖所示，本實施例之生理訊號無線傳輸系統1主要包含一植入式感測裝置10，以及與該植入式感測裝置10無線連接的一能源中繼裝置20。透過植入式感測裝置10感測人體的生理訊號，並將該些訊號傳送至能源中繼裝置20後顯示於屏幕；另一方面，能源中繼裝置20亦可以無線且非接觸的方式提供植入式感測裝置10訊號監測及資料傳輸所需的能源。
除此之外，本實施例之生理訊號無線傳輸系統1還可包含一外部監控裝置30與該能源中繼裝置20無線連接，該外部監控裝置30可遠端接收能源中繼裝置20所傳送的生理訊號並顯示於屏幕，使得遠端操作人員亦能實時監控該人體的生理訊號數值。
以下將針對本實施例之植入式感測裝置10系統架構及其連接關係做進一步說明。
首先，請參照第二圖，其為本發明較佳實施例之植入式感測裝置示意圖。如第二圖所示，本實施例之植入式感測裝置10包含有植入人體體內的一感測模組11，與該感測模組11連接的一資料傳輸模組12，以及分別與該感測模組11和該資料傳輸模組12連接的一能源接收模組13。
其中，該感測模組11具有至少一感測器（圖未示），用以監測該人體的至少一生理訊號，而該至少一感測器可以是偵測人體顱內壓力的顱內壓（ICP）感測器、偵測人體收縮/舒張壓力血壓感測器、偵測人體血液氧氣的血氧感測器、偵測人體體溫的溫度感測器、偵測人體脈搏跳動頻率的脈搏感測器或偵測人體呼吸/心跳頻率的呼吸心跳感測器。
具體而言，本實施例之感測模組11係於直徑小於5毫米（例如2.5毫米），壁厚為0.25毫米，內部空腔半徑為0.75毫米的金屬導管載體內置入顱內壓（ICP）感測器並覆以固定膠固定後，將該感測模組11植入人體頭顱內，用以偵測頭顱內腦部之顱內壓與生理值變化訊號，並將該些生理訊號傳送至體外的資料傳輸模組12。其中，為使金屬導管載體可與欲感測部位之壓力做出區隔，該金屬導管載體須為封閉狀態，且將其內部之大氣壓力控制在常壓的狀態下。
再者，請同時參照第三圖，其為本發明較佳實施例之資料傳輸模組示意圖。如第三圖所示，本實施例之資料傳輸模組12包含一微處理單元122；一差動放大單元124，與該微處理122單元連接；一電壓調節單元126，分別與該微處理單元122和該差動放大單元124連接；以及一資料傳輸天線128，與該微處理單元122連接。
其中，該資料傳輸模組12的差動放大單元124可接受來自感測模組11（可同時參照第二圖）所傳送的生理訊號，更進一步來說，由於感測模組11多半發出的（生理）訊號係用於偵測外界之物理訊號，例如將溫度或壓力等數值轉換成電壓，屬於類比訊號。因此，需透過差動放大單元124有系統的將各種類比訊號放大後，藉由微處理單元122將類比訊號轉換為數位訊號，同時資料傳輸模組12將轉換後的該些數位訊號以加密封包的形式透過資料傳輸天線128傳送至外部。具體而言，本實施例中所採用的資料傳輸天線128可以是藍芽天線、Wi-Fi天線或ZigBee天線，本發明不以此為限。
而分別與該微處理單元122和該差動放大單元124連接的電壓調節單元126則接收能源接收模組13（可同時參照第四圖）所傳送的工作電壓，並保持該工作電壓的穩定性，同時分配至微處理單元122和差動放大單元124。電壓調節單元126的電阻會因應負載（即微處理單元和差動放大單元）和輸入工作電壓的變化，以達到輸出的電壓穩定不變。其運作方式尤如不停自動調節電阻值的可變電阻，使輸入電壓調節單元的電壓與負載導出的分壓維持固定；而過程中因輸出與輸入電壓差而產生的能量則以熱的形式消散掉。
最後，請同時參照第四圖，其為本發明較佳實施例之能源接收模組示意圖。如第四圖所示，該能源接收模組13包含：一能源接收天線138；一阻抗匹配單元136，與該能源接收天線138連接；一電壓整流單元134，與該阻抗匹配單元136連接；一升壓轉換單元132，與該電壓整流單元134連接；以及一儲能單元130，與該升壓轉換單元132連接。
其中，前述之能源接收天線138可以接受來自外部的射頻訊號，並經由與能源接收天線138連接的該阻抗匹配單元136，將所有射頻訊號傳送至電壓整流單元134，使用阻抗匹配單元136的目的在於，阻抗匹配單元136能夠將所有高頻的微波信號（在此為射頻訊號）皆能傳送至負載點（在此為電壓整流單元134），且幾乎不會有信號反射回源點（在此為能源接收天線138），進而提升能源轉換效益。而電壓整流單元134可將接收到的射頻訊號經過射頻-直流（RF-DC）轉換電路轉化為直流電壓，再透過與電壓整流單元134連接的升壓轉換單元132，將轉化後的直流電壓提升為穩定的3.0至4.5伏特（V）（較好的是3.8伏特）的工作電壓，並提供至前述之資料傳輸模組12和感測模組11使用，而多餘的工作電壓亦可儲存於儲能單元130中，以備後續提供電力之用。
接續，將針對本實施例之能源中繼裝置20的系統架構及其連接關係做進一步說明。
請參照第五圖，其為本發明較佳實施例之能源中繼裝置示意圖。如第五圖所示，本實施例之能源中繼裝置20包含：一資料收發天線210，與前述之資料傳輸模組12（可同時參照第三圖）無線連接；一微處理器220，與該資料收發天線210連接；一顯示模組230，與該微處理器220連接；一能源發射天線280，與該能源接收模組13（可同時參照第四圖）無線連接；以及一能源發射模組260，與該能源發射天線280連接，該能源發射模組260可產生815MHz至5.8GHz的一射頻信號，並傳送至該能源接收模組13。
具體而言，本實施例之能源中繼裝置20為一獨立裝置，以無導線或轉接器的方式與前述之植入式感測裝置10（可同時參照第一圖）連接，且與該植入式感測裝置10進行資料以及能源的雙向傳輸。首先，舉以資料傳輸為例，植入式感測裝置10可透過感測模組11中每一個感測器所監測到人體的生理資訊（如顱內壓力、收縮/舒張壓力、體溫、脈搏跳動頻率或呼吸/心跳頻率等），透過資料傳輸模組12中的資料傳輸天線128，將該些生理資訊傳送至外部，並透過能源中繼裝置20包含的資料收發天線210進行接收；資料收發天線210收到該些生理資訊後，經由微處理器220進行生理資訊的比對換算，並透過顯示模組230將該些生理資訊顯示於屏幕上。在其他可能的實施例中，該微處理器220還可與一資料儲存單元240連接，該資料儲存單元240可以記錄所有生理資訊的歷史紀錄，以利於後續資訊的調閱與檢查。
其中，本實施例之生理資訊為顱內壓（ICP）感測器所偵測的人體顱內壓力值，顯示模組230則可以選用習知的液晶顯示模組，而本實施例中所採用的資料收發天線210可以是藍芽天線、Wi-Fi天線或ZigBee天線，本發明皆不以此為限。
另一方面，關於能源傳輸的具體運作方式如下。首先，能源中繼裝置20中的能源發射模組260可產生815MHz至5.8GHz（較好的是2.4 GHz）的一射頻信號，並透過與能源發射模組260連接的能源發射天線280將該射頻信號發送至外部。在其他可能的實施例中，能源發射模組260和能源發射天線280之間還可連接設有一能源放大器270，該能源放大器270為射頻功率放大器，可將功率較小的射頻訊號經放大至足夠的射頻功率後，再饋送至能源發射天線280。而植入式感測裝置10中能源接收模組13的能源接收天線138可接收該射頻訊號，並透過能源接收模組13一系列的訊號轉換、電壓整流以即電壓放大後，將該射頻訊號轉換至約為3.8伏特（V）的工作電壓，以提供整個植入式感測裝置10使用。
除此之外，能源中繼裝置20還可以包含有一交流/直流轉換單元250以及一蓄電池單元290。當能源中繼裝置20閒置時，可將該交流/直流轉換單元250與市電連接，對裝置20內的蓄電池單元290進行充電；能源中繼裝置20操作時，則以該蓄電池單元290提供能源中繼裝置20工作電壓。
最後，將針對本實施例之外部監控裝置30的系統架構及其連接關係做進一步說明。
請參照第六圖，其為本發明較佳實施例之外部監控裝置示意圖。如第六圖所示，本實施例之外部監控裝置30與該能源中繼裝置20（可同時參照第五圖）無線連接，該外部監控裝置30包含：一資料接收單元310，與能源中繼裝置20的資料收發天線210無線連接；一微處理單元320，與該資料接收單元310連接；以及一顯示單元330，與該微處理單元320連接。其中，該資料接收單元310接收經由資料收發天線210發送的該至少一生理訊號，再經由微處理單元320進行生理資訊的比對換算，並透過顯示單元330將該些生理資訊顯示於屏幕上。藉此，可讓第三方使用者以無線方式遠端監測植入式感測裝置10所測得的生理資訊，增加後續應用範圍。
除以上所述之生理訊號無線傳輸系統，本發明更提出一種生理訊號無線傳輸系統的訊號傳輸方法以及無線充電方法。首先，請參照第七圖，其為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統的訊號傳輸方法流程圖。如第七圖所示，該系統的訊號傳輸方法包含以下步驟：
首先執行步驟（a），將一感測模組11植入一人體的體內以感測該人體的至少一生理訊號。其中，該感測模組11包含至少一感測器，而該至少一感測器可以是偵測人體顱內壓力的顱內壓（ICP）感測器、偵測人體收縮/舒張壓力血壓感測器、偵測人體血液氧氣的血氧感測器、偵測人體體溫的溫度感測器、偵測人體脈搏跳動頻率的脈搏感測器或偵測人體呼吸/心跳頻率的呼吸心跳感測器。
其中，該至少一生理訊號包含有顱內壓力、收縮/舒張壓力、體溫、脈搏跳動頻率或呼吸/心跳頻率等。本實施例係以將顱內壓（ICP）感測器植入人體頭顱內以測得其顱內壓力數值作為生理訊號。
接著執行步驟（b），一資料傳輸模組12透過差動放大單元124將各種類比訊號（生理訊號）放大後，藉由微處理單元122將類比訊號轉換為數位訊號，再經由資料傳輸天線128以無線方式將該至少一生理訊號傳送至一能源中繼裝置20。
再者執行步驟（c），該能源中繼裝置20的一資料收發天線210接收該至少一生理訊號，並透過一微處理器220進行該訊號的編碼轉換；再執行步驟（d），一顯示模組230顯示經過編碼轉換後的該至少一生理訊號。
另外，亦可在步驟（e）中，透過能源中繼裝置20的資料收發天線210發送該至少一生理訊號至一外部監控裝置30；最後執行步驟（f），該外部監控裝置30的資料接收單元310接受生理訊號後，透過一微處理單元320進行該至少一生理訊號的編碼轉換，最後以一顯示單元330顯示經過編碼轉換後的該至少一生理訊號。
最後，請參照第八圖，其為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統的無線充電方法流程圖。如第八圖所示，該系統的無線充電方法包含以下步驟：
首先在步驟（a）中，一能源中繼裝置20的一能源發射模組260產生815MHz至5.8GHz（較好的是2.4 GHz）的一射頻信號，並透過一能源發射天線280傳送至一植入式感測裝置10的一能源接收模組13中。再執行步驟（b）該能源接收模組13的一能源接收天線138接收該射頻信號，並透過一阻抗匹配單元136、一電壓整流單元134以及一升壓轉換單元132將該射頻信號轉換並提升至3.0至4.5伏特（V）（較好的是3.8伏特）的一工作電壓。最後在步驟（c）中，該能源接收模組13分別將該工作電壓提供至該植入式感測裝置10的感測模組11和資料傳輸模組12，以完成生理訊號無線傳輸系統1的充電。
透過以上步驟，可利用能源中繼裝置以無導線或轉接器的方式與植入式感測裝置連接，同時與該植入式感測裝置進行生理資訊以及能源的雙向傳輸，並將該些資訊同樣以無線方式傳送至遠端的外部監控裝置，藉此有效避免感測裝置在進行核磁共振掃描的同時，電流磁場受到激發所產生的危險。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
1:生理訊號無線傳輸系統10:植入式感測裝置11:感測模組12:資料傳輸模組122:微處理單元124:差動放大單元126:電壓調節單元128:資料傳輸天線13:能源接收模組130:儲能單元132:升壓轉換單元134:電壓整流單元136:阻抗匹配單元138:能源接收天線20:能源中繼裝置210:資料收發天線220:微處理器230:顯示模組240:資料儲存單元250:交流/直流轉換單元260:能源發射模組270:能源放大器280:能源發射天線290:蓄電池單元30:外部監控裝置310:資料接收單元320:微處理單元330:顯示單元
第一圖為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統示意圖。
第二圖為本發明較佳實施例之植入式感測裝置示意圖。
第三圖為本發明較佳實施例之資料傳輸模組示意圖。
第四圖為本發明較佳實施例之能源接收模組示意圖。
第五圖為本發明較佳實施例之能源中繼裝置示意圖。
第六圖為本發明較佳實施例之外部監控裝置示意圖。
第七圖為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統的訊號傳輸方法流程圖。
第八圖為本發明較佳實施例之生理訊號無線傳輸系統的無線充電方法流程圖。
1:生理訊號無線傳輸系統
10:植入式感測裝置
20:能源中繼裝置
30:外部監控裝置

Claims (9)

  1. 一種與核磁共振(MR)系統兼容的顱內生理訊號無線傳輸系統，該顱內生理訊號無線傳輸系統包括一植入式感測裝置以及一能源中繼裝置，該能源中繼裝置係以無線方式與該植入式感測裝置連接，該植入式感測裝置包括：一感測模組，用以監測至少一生理訊號，該感測模組具有至少一感測器，係經配置於一封閉金屬導管載體內，藉此該至少一感測器係與顱內環境有所區隔；一資料傳輸模組，與該感測模組連接，該資料傳輸模組傳送該至少一生理訊號；以及一能源接收模組，與該感測模組和該資料傳輸模組連接，該能源接收模組提供該感測模組和該資料傳輸模組一工作電壓；該能源中繼裝置包括：一資料收發天線，與該資料傳輸模組無線連接，該資料收發天線收發該至少一生理訊號；一微處理器，與該資料收發天線連接；一顯示模組，與該微處理器連接，該顯示模組顯示該至少一生理訊號；一能源發射天線，與該能源接收模組無線連接；以及一能源發射模組，與該能源發射天線連接，該能源發射模組產生815MHz至小於但不等於2.4GHz的一射頻信號；其中，該能源接收模組更包括：一能源接收天線，接收該射頻信號； 一阻抗匹配單元，與該能源接收天線連接；一電壓整流單元，與該阻抗匹配單元連接；一升壓轉換單元，與該電壓整流單元連接，該升壓轉換單元提升該工作電壓至3.8伏特(V)；以及一儲能單元，與該升壓轉換單元連接，該儲能單元儲存該工作電壓。
  2. 如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統，更包含一外部監控裝置，與該能源中繼裝置無線連接，該外部監控裝置包含：一資料接收單元，與該資料收發天線無線連接，該資料接收單元接收該至少一生理訊號；一微處理單元，與該資料接收單元連接；以及一顯示單元，與該微處理單元連接，該顯示單元顯示該至少一生理訊號。
  3. 如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統，其中該至少一感測器為顱內壓(ICP)感測器、血壓感測器、血氧感測器、溫度感測器、脈搏感測器或呼吸心跳感測器。
  4. 如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統，其中該資料傳輸模組包括：一微處理單元；一差動放大單元，與該微處理單元連接；一電壓調節單元，分別與該微處理單元和該差動放大單元連接；以及一資料傳輸天線，與該微處理器連接。
  5. 如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統，其中該能源中繼裝置更包括： 一資料儲存單元，與該微處理器連接；以及一能源放大器，分別與該能源發射模組和該能源發射天線連接。
  6. 如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統，其中該資料收發天線為藍芽天線、Wi-Fi天線或ZigBee天線。
  7. 如請求項4所述之生理訊號無線傳輸系統，其中該資料傳輸天線為藍芽天線、Wi-Fi天線或ZigBee天線。
  8. 一種如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統的訊號傳輸方法，包括：(a)將該感測模組植入一人體的體內以感測該人體的該至少一生理訊號；(b)該資料傳輸模組以無線方式將該至少一生理訊號傳送至該能源中繼裝置；(c)該能源中繼裝置的該資料收發天線接收該至少一生理訊號，並透過該微處理器進行該至少一生理訊號的編碼轉換；(d)該顯示模組顯示經過編碼轉換後的該至少一生理訊號；(e)該資料收發天線發送該至少一生理訊號至一外部監控裝置；以及(f)該外部監控裝置的一微處理單元進行該至少一生理訊號的編碼轉換，並透過一顯示單元顯示經過編碼轉換後的該至少一生理訊號。
  9. 一種如請求項1所述之顱內生理訊號無線傳輸系統的無線充電方法，包括：(a)該能源中繼裝置的該能源發射模組產生815MHz至小於但不等於2.4GHz的該射頻信號並傳送至該植入式感測裝置的該能源接收模組； (b)該能源接收模組的該能源接收天線接收該射頻信號，並透過該阻抗匹配單元、該電壓整流單元以及該升壓轉換單元將該射頻信號轉換並提升至3.8伏特(V)的該工作電壓；以及(c)該能源接收模組分別提供該工作電壓至該植入式感測裝置的該感測模組和該資料傳輸模組。
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