TWI823555B - 三酸甘油脂光學檢測系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種三酸甘油脂光學檢測系統，係部份地整合在一馬桶座墊之中，且包括：複數個光學檢測模組和一運算控制單元，其中各所述光學檢測模組包括一第一發光源、一第二發光源以及一光學感測器。該光學感測器分別接收由該第一發光源和第二發光源於使用者皮膚(尤其是大腿皮膚)所產生的光訊號，並由此產生一自適應校正比對函數之感測信號，該感測信號最後經由該運算控制單元轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，傳送至一顯示單元。上述三酸甘油脂光學檢測系統，不需進行侵入式抽血，就能夠自動檢測三酸甘油脂，使得該系統可成為一便利之居家健康監護裝置。
Description
本發明係關於三酸甘油脂光學檢測系統之技術領域，尤指一種設置於馬桶座墊上之三酸甘油脂光學檢測系統和包含該系統的馬桶。
三酸甘油脂(Triglycerides，簡稱TG)俗稱中性脂肪，是人體內的一種血脂肪。當人進食時，身體會把它不需要馬上使用的任何熱量轉化為三酸甘油脂，並將這些三酸甘油脂儲存在脂肪細胞中。之後，荷爾蒙會於兩餐之間釋放出三酸甘油脂作為能量。若人體經常性攝入的熱量超過所燃燒的熱量，特別是來自高碳水化合物食物的熱量，則可能會有高三酸甘油脂情形發生，即高三酸甘油脂血症(hypertriglyceridemia)，形成內臟脂肪與皮下脂肪，導致肥胖、脂肪肝、心血管疾病等。血液中偏高的三酸甘油脂通常是罹患動脈粥狀硬化、心血管疾病及腦中風的高危險群，因此三酸甘油酯濃度可做為評估心血管疾病風險的生化指標之一。
一般而言，正常成人的三酸甘油脂正常值係小於150mg/dL，邊緣性偏高值為150至199mg/dL，高危險值為200至499mg/dL，超高危險值則為大於500mg/dL。通常三酸甘油脂之數值均需經由抽血檢查才能夠得知，而習知之抽血檢測技術，受檢者必
須於採檢前空腹8至10小時後，對受檢者進行侵入式抽血檢驗；且必須在專業醫療院所進行，並經由生化分析進行檢測才能得知結果。因此，經由抽血之三酸甘油脂檢測方式，缺乏即時性，無法即時(Real-Time)監控人體內之三酸甘油脂濃度，達成居家即能健康監護的目的，以預防及降低疾病發生的機率。
雖然目前三酸甘油脂之抽血檢驗方式多需要於空腹時進行，但是通常飲食後三酸甘油脂濃度會明顯上升，且於發生心血管疾病或腦中風的當下，亦並非都是空腹的情況。因此能夠即時、隨機或不侷限於空腹情況下，進行三酸甘油脂的檢測是具有一定程度上的醫學意義，來幫助預防及降低心血管疾病的發生。
由前述說明可知，習知的三酸甘油脂之抽血檢測方式，受限於檢測實施地點和實施方式的因素，無法即時的監控三酸甘油脂於人體內的情況，故而仍有改進的空間。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之三酸甘油脂光學檢測系統。
本發明之主要目的在於提供一種三酸甘油脂光學檢測系統，該系統可以部份地整合於一馬桶座墊之中，或整合於一馬桶中；當使用者坐在馬桶座墊上時，以一光源投射至大腿局部皮膚，所投射之光會穿透部分皮膚深度，而後所產生的散射光會被一光學感測器所接收，再利用所接收的散射光進行三酸甘油脂訊號強度之分析。特別地，為因應不同使用者其皮膚表面特徵(如：膚色、皮膚粗糙度、毛髮數量之多寡等)，所造成的投射光被吸收程度的多寡之變異與被直接散射程度上之變異，而導致的檢測誤差，本發明另針對皮膚表面特徵進行一種自適應補
償，改善及強化三酸甘油脂光學檢測的精準度。此外，本發明之三酸甘油脂光學檢測系統為一種不需進行侵入式抽血行為，就能夠即時的自動檢測使用者的三酸甘油脂情況的居家健康監護裝置，協助使用者監測自身健康狀況，進而主動提示立即調整飲食，以減緩血液中三酸甘油脂含量的增加，從而預防及降低心血管疾病的發生。
為達成上述目的，本發明提出所述一種三酸甘油脂光學檢測系統的一實施例，其係部分地整合在一馬桶坐墊之中，且包括：複數個光學檢測模組，設置於該馬桶座墊中，其中各所述光學檢測模組包括：一第一發光源，可產生一第一發射光，並且該第一發射光於一使用者的皮膚表面產生一第一散射光；一第二發光源，可產生一第二發射光，以及該第二發射光部分穿透該使用者的皮膚並產生一第二散射光；以及一光學感測器，用於接收該第一散射光和該第二散射光，並利用該第一散射光和該第二散射光產生一感測信號；以及一運算控制單元，耦接該複數個光學檢測模組，且包括一微處理器與一通信單元；其中，該微處理器被配置為控制該第一發光源產生該第一發射光、該第二發光源產生該第二發射光以及接收該光學感測器所產生之該感測信號，並將該感測信號轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，最後再透過該通信單元將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至一顯示單元。
在一實施例中，該第一發光源為一白光光源，該第二發光源為一近紅外線。
在一實施例中，該感測信號一自適應校正比對函數。
在一實施例中，該自適應校正比對函數係如下步驟所述：
步驟一：檢查該白光光源所產生之該第一散射光之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統中的該光學感測器計數；
步驟二：得一如下之常數C：C=(計數_白光)/(計數_基準線)
計數_基準線，係表示一般皮膚狀況的定義；
步驟三：檢查該近紅外線所產生之該第二散射光之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統中的該光學感測器計數；
步驟四：由步驟三來計算由於三酸甘油脂所導致之內部混濁度Y；以及
步驟五：顯示結果Y’=Y/C
若C>1，則皮膚顏色為白色或亮色，因此Y’<Y
若C<1，則皮膚顏色為深色、粗糙或多毛，因此Y’>Y。
在一實施例中，該近紅外線的波長係介於700至2500奈米；較佳為介於700至1100奈米。
在一實施例中，該運算控制單元係以有線傳輸的方式耦接該複數個光學檢測模組。在另一實施例中，該運算控制單元亦可以無線傳輸的方式耦接該複數個光學檢測模組。
在一實施例中，該通信單元為一乙太網路介面，且透過一區域網路及/或網際網路與該顯示單元通信，將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至該顯示單元。
在一實施例中，該通信單元為一第一無線信號傳輸介面，且與該顯示單元的一第二無線信號傳輸介面通信。
在一實施例中，該第一無線信號傳輸介面為選自於由藍芽通信介面、ZigBee通信介面、Wimax通信介面、NBIoT通信介面、LoRA通信介面、WiFi通信介面、4G行動信通介面、5G行動信通介面、和6G行動信通介面所組成群組之中的任一者。
在一實施例中，該顯示單元為選自於由智慧馬桶控制面板、智慧型手機、平板電腦、智慧型手錶、智慧手環、門口機、桌上型電腦、筆記型電腦、一體式(All-in-one)電腦、和伺服器電腦所組成群組之中的任一者。而該等顯示於上述電子或電腦裝置上的三酸甘油脂檢測數值，可進一步被上傳至雲端儲存和進一步由健康醫療機構做分析，提供使用者適當的健康照護建議或採取必要的醫療措施，以預防或降低心血管疾病的發生。
在另一實施例中，本發明進一步提供一種包含如上所述的三酸甘油脂光學檢測系統之馬桶。
1:三酸甘油脂光學檢測系統
2:馬桶
21:馬桶座墊
11:光學檢測模組
11C:透明上蓋
111:第一發光源
111E:第一發射光
111S:第一散射光
112:第二發光源
112E:第二發射光
112S:第二散射光
113:光學感測器
12:運算控制單元
120:微處理器
121:通信單元
13:顯示單元
14:輸入單元
S1~S6:步驟
圖1為包含本發明之三酸甘油脂光學檢測系統的馬桶的立體圖；圖2為本發明之三酸甘油脂光學檢測系統之光學檢測模組與馬桶座墊的立體分解圖；圖3為圖1所示之光學檢測模組的側剖視圖；圖4為本發明之三酸甘油脂光學檢測方法的檢測結果與傳統抽血檢查結果相互比對之實驗數值分析圖；圖5為本發明之三酸甘油脂光學檢測方法的流程圖；以及圖6為本發明之三酸甘油脂光學檢測系統的方塊圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種三酸甘油脂光學檢測系統，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
第一實施例
圖1顯示整合有本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1的一馬桶2的立體圖，且圖2顯示本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1之光學檢測模組11與馬桶座墊21的立體分解圖。如圖1與圖2所示，本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1係部分地整合在一馬桶座墊21之中，且包括：複數個光學檢測模組11以及耦接該複數個光學檢測模組11的一運算控制單元12，其中各所述光學檢測模組11係設置於該馬桶座墊21中，且如圖6所示，該運算控制單元12包括一微處理器120與一通信單元121。進一步參照圖3，各所述光學檢測模組11包括：一第一發光源111、
一第二發光源112以及一光學感測器113；其中該第一發光源111可產生一第一發射光111E，並且該第一發射光111E於一使用者的皮膚表面產生一第一散射光111S；其中該第二發光源112，可產生一第二發射光112E，以及該第二發射光112E部分穿透該使用者的皮膚並產生一第二散射光112S。此外，該光學感測器113係用於接收該第一散射光111S和該第二散射光112S，並利用該第一散射光111S和該第二散射光112S產生一感測信號。此外，該微處理器120被配置為控制該第一發光源111產生該第一發射光111E、控制該第二發光源112產生該第二發射光112E、接收該光學感測器113所產生之該感測信號，並將該感測信號轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，最後再透過該通信單元121將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至一顯示單元13。
在一可行的實施例中，於所述之三酸甘油脂光學檢測系統1中，該第一發光源111為一白光光源，該第二發光源112為一近紅外線，並且該近紅外線的波長係介於700至1100奈米。
此外，於上述實施例中，該感測信號係一自適應校正比對函數，且該自適應校正比對函數係如下步驟所述：
步驟一：檢查該白光光源所產生之該第一散射光111S之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統1中的該光學感測器113計數；
步驟二：得一如下之常數C：C=(計數_白光)/(計數_基準線)
計數_基準線，係表示一般皮膚狀況的定義，
其中計數_基準線假設為2670，計數_白光檢測數值如為2800，則C=2800/2670=1.05；
步驟三：檢查該近紅外線所產生之該第二散射光112S之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統1中的該光學感測器113計數；
步驟四：由步驟三來計算由於三酸甘油脂所導致之內部混濁度Y；以及
步驟五：顯示結果Y’=Y/C
若C>1，則皮膚顏色為白色或亮色，因此Y’<Y
若C<1，則皮膚顏色為深色、粗糙或多毛，因此Y’>Y；其中C除了象徵膚色與毛髮等表面特徵的差異之外，也代表坐姿對量測機器造成的變異，例如C>1代表膚色較白較亮之外，也可能源自於檢測區的皮膚壓迫於便座表面而較為緊繃；C<1代表膚色較暗或毛髮較多之外，也可能源自於檢測區的皮膚較為鬆弛；其中，如圖4所示，Y軸為抽血(實際)檢測值，X軸為光學計算值，兩軸擬合出來的結果為一虛線，該虛線為一X-Y函數，Y為內部(血液)混濁度光學預測值，X為光學實測的計算值，兩者的函數可為指數關係、乘冪關係、多項式關係等。透過該X-Y函數的運算，就可以預測出本案光學非侵入式之三酸甘油脂光學檢測系統所檢測出來的內部(血液)混濁度數值；並且，此函數係經由本發明的數據歸納與整理而得出。
在另一可行的實施例中，於所述之三酸甘油脂光學檢測系統1中，該第二發光源112可進一步為一綠光、紅光或中紅外線。
在進一步可行的實施例中，如圖2和圖3所示，所述光學檢測模組11包括一透明上蓋11C，該第一發光源111和該第二發光源112所產生之該第一發射光111E和第二發射光112E，係經由該透明上蓋11C投射至使用者皮膚，而投射至使用者皮膚後所產生之該第一散射光111S和該第二散射光112S，亦經由該透明上蓋11C後，再由該光學感測器113接收；其中，該第一發射光111E和第二發射光112E，係經由該透明上蓋11C中具光線發散功能之部分，例如一發散透鏡投射至使用者皮膚；其中，該第一散射光111S和該第二散射光112S，係經由該透明上蓋11C中具聚光功能之部分，例如一聚光透鏡，再由該光學感測器113接收。
此外，如上所述本發明的實施例中，該通信單元121可為一乙太網路介面，且透過一區域網路及/或網際網路與該顯示單元13通信，將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至該顯示單元13。
進一步，該通信單元121為一第一無線信號傳輸介面，且與該顯示單元13的一第二無線信號傳輸介面通信，且該第一無線信號傳輸介面為選自於由藍芽通信介面、ZigBee通信介面、Wimax通信介面、NBIoT通信介面、LoRA通信介面、WiFi通信介面、4G行動信通介面、5G行動信通介面、和6G行動信通介面所組成群組之中的任一者。
此外，該顯示單元13可為選自於由智慧馬桶控制面板、智慧型手機、平板電腦、智慧型手錶、智慧手環、門口機、桌上型電腦、筆記型電腦、一體式(All-in-one)電腦、和伺服器電腦所組成群組之中的任一者。
更進一步，本發明之另一實施例係一種包含如上所述的三酸甘油脂光學檢測系統1之馬桶2。
第二實施例
本發明三酸甘油脂光學檢測系統1的基本原理為，當一光源，如第一實施例中所述之第二發光源112(LED或laser)發出特定波長(例如700至1100nm)光束之一近紅外線(NIR)，當該近紅外線穿透部分皮膚深度並且產生一散射光(即第一實施例中之第二散射光112S)，而後一光學感測器113接收該散射光，並以所接收的該散射光作為依據進行人體內三酸甘油脂濃度之分析。此外，因不同波長的光對皮膚組織的穿透深度會有所不同，所以於本實施例中選擇對皮膚具有較佳穿透性的近紅外線(波長700至1100nm)，作為主要的檢測光源。
若人體內含有較高之三酸甘油脂，則該光學感測器113會接收到強度較高的散射光；相反地，若人體內含有較少之三酸甘油脂，則該光學感測器113會接收到強度較低的散射光。
但因不同的使用者，其皮膚表面特徵的變異非常大，該等皮膚表面特徵的變異包括：膚色、皮膚粗糙度、毛髮數量的多寡等，皆會造成入射光(近紅外線)被吸收程度的多寡之變異與被直接散射程度上之變異，因此本案發明人認為有必要針對皮膚表面特徵對該光學感測器113所接收到的一光訊號(散射光)進行一種自適應補償(offset)，以強化所偵測到之三酸甘油脂的精準度。
因此於本發明中，新增一光源，如第一實施例中所述之第一發光源111(白光LED)，首先藉由該白光光源於使用者的皮膚表面產生一散射光(即第一實施例中之第一散射光111S)，而後該第一散射光111S被該光學感測器113所接收；接著如第一實施例中所述之第二發光源112(LED或laser)以特定波長(例如700至1100nm)的一近紅外線(NIR)穿透部分皮膚深度並且產生一散射光(即第一實施例中之第二散射光112S)，然後該第二散射光112S被該光學感測器113所接
收。而後，該光學感測器113利用所接收的光訊號(包括第一散射光111S和第二散射光112S)產生一自適應校正比對函數之感測信號，對因皮膚表面特徵之差異所產生的檢測誤差做一補償，而該自適應校正比對函數係如第一實施例中所述者。然後該感測信號再經由該運算控制單元12中的微處理器120判斷使用者的三酸甘油脂強度訊號或轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，最後再透過該通信單元121將所述三酸甘油脂強度訊號或三酸甘油脂檢測數值傳送至一顯示單元13。
參照圖4，經由實驗數值分析可以得知，上述實施例二中本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1的檢測結果，可產生與傳統抽血檢查相對應的相同效果；並且透過數據的收集與分析，本發明亦能夠建立出一套非侵入式之三酸甘油脂的光電檢測演算法，且其信心水準達到85%(R2=0.8551)。
進一步，如以下表一所示，本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1之光學計算值，經由該自適應校正比對函數對因皮膚表面特徵之差異所產生的檢測誤差做一補償後，所產生的三酸甘油脂檢測數值係對應於經由抽血檢查所得之數值，亦即非常接近抽血檢查的數值。因此由圖4和表1之結果可以得知，本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1所得之三酸甘油脂檢測數值可以充分反映使用者體內三酸甘油脂之濃度高低，具有代表性且值得信賴。
此外，於本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1中，該運算控制單元12中的微處理器120除了將該感測信號轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，並傳送至該顯示單元13來顯示外，如圖1所示，該顯示單元13亦可以依照不同的三酸甘油脂檢測數值，以下列燈號方式顯示不同三酸甘油脂濃度的等級：1.綠燈：即正常值，三酸甘油脂<150mg/dL；2.黃燈：即邊緣性偏高值，三酸甘油脂為150至199mg/dL；3.橘燈：即高危險值，三酸甘油脂為200至499mg/dL；4.紅燈：即超高危險值，三酸甘油脂>500mg/dL。
進一步而言，以上實施例之基本檢測原理，即該第二發光源112係利用近紅外線部分穿透皮膚進行三酸甘油脂濃度的檢測，但於進一步的實施例中，該第二發光源112實際上可以不限定僅使用近紅外線，舉凡綠光(500至600nm)、紅光(600至700nm)、中紅外線(~3至8μm)等光源，皆能穿透部分皮膚深度，皆可作為檢測三酸甘油脂之依據。
第三實施例
圖5顯示本發明之三酸甘油脂光學檢測方法的流程圖。如圖5及圖6所示，並進一步參照3，該方法流程係包括以下步驟：S1：經由一輸入單元14接收一開始檢測的指令，即本發明之三酸甘油脂光學檢測系統1透過該輸入單元14接收一使用者給予的檢測指令；其中該輸入單元14可為一實體按鍵、聲控模組和LCD觸控顯示器等，其與一運算控制單元12耦接；S2：該運算控制單元12於接收來自輸入單元14的該開始檢測的指令後，依序啟動與其耦接的一光學檢測模組11中之第一發光源111和第二發光源112分別產
生一第一發射光111E和一第二發射光112E，其中該第一發光源111為一白光LED，該第二發光源112為一近紅外線LED(NIR LED)或雷射(laser)；S3：該光學檢測模組11中之一光學感測器113依序分別接收該第一發射光111E和該第二發射光112E於投射於使用者大腿皮膚後，所產生的第一散射光111S和第二散射光112S；S4：該光學感測器113以其所接收之第一散射光111S和第二散射光112S產生一感測信號，並將該感測信號傳送至與其耦接之運算控制單元12；其中該感測信號係本發明如上所述之一自適應校正比對函數，並且該光學感測器113可為光二極體(Photodiode)、互補式金氧半感測器(CMOS sensor)、電荷耦合元件感測器(CCD sensor)或分光光度計(spectrophotometer)；S5：該運算控制單元12中之微處理器120依據該感測信號，以判斷使用者體內三酸甘油脂強度訊號或將該感測信號轉換為一個三酸甘油脂檢測數值；其中該微處理器120可以為ARM Cortex series的微處理器；以及S6：該運算控制單元12中之微處理器120將該三酸甘油脂強度訊號或三酸甘油脂檢測數值經由一通信單元121傳送至與其耦接之一顯示單元13；其中該顯示單元13可為一LED燈號或LCD觸控顯示器。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:三酸甘油脂光學檢測系統
11:光學檢測模組
111:第一發光源
112:第二發光源
113:光學感測器
12:運算控制單元
120:微處理器
121:通信單元
13:顯示單元
14:輸入單元
Claims (7)
- 一種三酸甘油脂光學檢測系統，係部分地整合在一馬桶坐墊之中，且包括：複數個光學檢測模組，設置於該馬桶座墊中，其中各所述光學檢測模組包括：一第一發光源，可產生一第一發射光，並且該第一發射光於一使用者的皮膚表面產生一第一散射光；一第二發光源，可產生一第二發射光，以及該第二發射光部分穿透該使用者的皮膚並產生一第二散射光；以及一光學感測器，用於接收該第一散射光和該第二散射光，並利用該第一散射光和該第二散射光產生一感測信號；以及一運算控制單元，耦接該複數個光學檢測模組，且包括一微處理器與一通信單元；其中，該第一發射光為一白光，且該第二發射光的波長介於700奈米至2500奈米之間；其中，該微處理器被配置為控制該光學檢測模組之該第一發光源產生該第一發射光、控制該第二發光源產生該第二發射光以及接收該光學感測器所產生之一感測信號，並將該感測信號轉換為一個三酸甘油脂檢測數值，最後在透過該通信單元將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至一顯示單元； 其中，該感測信號係一自適應校正比對函數，並且該自適應校正比對函數係如下步驟所述：步驟一：檢查該白光光源所產生之該第一散射光之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統中的該光學感測器計數；步驟二：得一如下之常數C：C=(計數_白光)/(計數_基準線)計數_基準線，係表示一般皮膚狀況的定義；步驟三：檢查該第二發射光所產生之該第二散射光之反射率計數(counts)，該反射率計數由該三酸甘油脂光學檢測系統中的該光學感測器計數；步驟四：由步驟三來計算由於三酸甘油脂所導致之內部混濁度Y；步驟五：顯示結果Y’=Y/C若C>1，則皮膚顏色為白色或亮色，因此Y’<Y，若C<1，則皮膚顏色為深色、粗糙或多毛，因此Y’>Y。
- 如請求項1所述之三酸甘油脂光學檢測系統，其中，該第二發射光為選自於由綠光、紅光或中紅外線所組成群組之中的一種單色光。
- 如請求項1所述之三酸甘油脂光學檢測系統，其中，該通信單元為一乙太網路介面，且透過一區域網路及/或網際網路與該顯示單元通信，將所述三酸甘油脂檢測數值傳送至該顯示單元。
- 如請求項1所述之三酸甘油脂光學檢測系統，其中，該通信單元為一第一無線信號傳輸介面，且與該顯示單元的一第二無線信號傳輸介面通信。
- 如請求項4所述之三酸甘油脂光學檢測系統，其中，該第一無線信號傳輸介面為選自於由藍芽通信介面、ZigBee通信介面、Wimax通信介面、NBIoT通信介面、LoRA通信介面、WiFi通信介面、4G行動信通介面、5G行動信通介面、和6G行動信通介面所組成群組之中的任一者。
- 如請求項1所述之三酸甘油脂光學檢測系統，其中，該顯示單元為選自於由智慧馬桶控制面板、智慧型手機、平板電腦、智慧型手錶、智慧手環、門口機、桌上型電腦、筆記型電腦、一體式(All-in-one)電腦、和伺服器電腦所組成群組之中的任一者。
- 一種馬桶，其特徵在於，該馬桶的一座墊設置有如請求項1至6之中任一項所述的三酸甘油脂光學檢測系統。
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|---|---|---|---|
| TW111133943A TWI823555B (zh) | 2022-09-07 | 2022-09-07 | 三酸甘油脂光學檢測系統 |
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- 2022-09-07 TW TW111133943A patent/TWI823555B/zh active
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