專利名稱：提高生物傳感器讀取值分辨度的方法
技術領域：
本發明有關一種生物傳感器測量值取樣方法；特別是有關一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法。
(2)背景技術近幾年來，利用特定酵素催化反應的各種生物傳感器已經被發展出來使用于醫療用途上。這種生物傳感器的一種用途是用于糖尿病的治療上，以幫助糖尿病患者控制本身的血糖含量(血液中葡萄糖濃度)在正常的范圍內。對于住院糖尿病患者而言，其可在醫生的監督下控制本身的血糖含量在正常范圍內。但對于非住院糖尿病患者而言，在缺乏醫生直接監督的情況下，病患本身能自我控制血糖含量則變得非常重要。
血糖含量的自我控制可藉由飲食、運動及用藥來達成。這些治療方式通常在醫生的監督下同時采用。當糖尿病患者本身能夠檢測其血糖含量是否在正常范圍時，可幫助患者更有效地自我控制其血糖含量。
圖1顯示一種可供患者自行檢測血糖含量的血糖計，其包括一主測試單元10及一供測量血糖含量的生物芯片12。參圖2所示，是生物芯片12構件分解示意圖，其包括前端設有一電極部1221的一條狀基板122。電極部1221上方覆蓋一反應層124、一隔件126及一蓋板128。電極部1221設有一操作電極1222及一對應電極1224包圍此操作電極1222。操作電極1222及對應電極1224是分別電性連接至位于條狀基板122尾端的一導線1226及導線1228。覆蓋于電極部1221上方的反應層124含有鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)及氧化酶(oxidase)，例如葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)。
在使用上述血糖計時，是先將生物芯片12插入主測試單元10。然后，患者可以刺胳針扎刺自己的皮膚以滲出血滴，再將滲出的血滴直接滴在已插進主測試單元10的生物芯片12端部。此血滴被吸入位于電極部1221上方的反應層124，而將反應層124溶解，以進行一酵素催化反應，如下列反應式所示
一預定量的亞鐵氰化鉀(potassium ferrocyanide)是相應血液樣品中的葡萄糖濃度而產生。經過一段預定時間后，一作用電壓Vref施予在生物芯片12上，以電化學反應地氧化亞鐵氰化鉀，以釋出電子，而產生一相應的反應電流通過操作電極1222。此反應電流正比于酵素催化反應產生的亞鐵氰化鉀濃度或正比于血液樣品中的葡萄糖濃度。藉由測量此一反應電流即可獲得血液樣品中的葡萄糖濃度。
圖3是圖1所示的血糖計的控制電路示意圖，其中生物芯片12的電極部1221可視做一電阻Rs，作用電壓Vref可由一電池供應。生物芯片12產生的一反應電流I是隨時間變化而逐漸衰減，形成一條相應血液樣品中葡萄糖濃度的一條放電曲線。另外，每一時間點的反應電流I經由一具有一放大電阻Rf的電流/電壓轉換器32轉換成一輸出電壓Vout。因此，隨時間變化而逐漸衰減的反應電流I經過電流/電壓轉換器32后，成為一條電壓-時間放電曲線。此一電壓-時間放電曲線中每一時間點對應的一電壓經一模擬數字轉換器34轉換成一組數字信號。一微處理器(microcomputer)36是讀取來自模擬數字轉換器34的這些數字信號，并根據這些數字信號，求得血液樣品中的一葡萄糖濃度值，再經由一液晶顯示器38將此葡萄糖濃度值顯示出來，供患者參考。
上述習知血糖計所測得的血液中葡萄糖濃度的電壓-時間放電曲線中，每一輸出電壓Vout僅能測至個位數(即僅能測出整數值)，電壓值范圍在0~255mv之間，使得習知血糖計血糖含量讀取值的分辨度受到限制。也就是說，習知血糖計所測得的每一輸出電壓無法準確至小數點以下，而使得血糖計的血糖含量讀取值分辨度無法提高。
據此，亟待提供一種生物傳感器測量值取樣方法，其可克服習知生物傳感器讀取值分辨度受到限制的缺點。
(3)發明內容本發明的主要目的是提供一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其是利用多次取樣求平均值的方法，使測量值輸出信號可以準確至小數點以下，以提高生物傳感器讀取值的分辨度。
本發明的另一目的是提供一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其不需增加額外的組成構件，可達到降低成本的目的。
本發明的又一目的是提供一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其是利用選取檢體中一特定成份放電曲線中相鄰不同時間點個別測量值求其平均值的方法，以降低測量值輸出信號的雜訊干擾。
根據以上所述的目的，本發明提供一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法。本發明方法包括施予一檢體于一生物傳感器的一生物芯片上，該檢體中一特定成份經該生物芯片傳感產生一電壓-時間放電曲線。以此電壓-時間放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取時間t0鄰近數個不同時間對應的個別電壓，求得中心電壓V0與這些被選取的個別電壓的一平均電壓，以此平均電壓作為時間t0對應的一輸出電壓。根據上述步驟，求得此電壓-時間放電曲線中一放電終點時間前每一時間對應的一平均電壓，以供做每一時間的一輸出電壓。將此電壓-時間放電曲線中每一時間對應的一輸出電壓轉換成一組二值化數字信號。根據這些二值化數字信號，求得相應檢體中此特定成份濃度的一讀取值。
本發明方法是對檢體中一特定成份的電壓-時間放電曲線選取數個相鄰不同時間點的電壓，求得一電壓平均值，并以此電壓平均值作為這些相鄰時間點之間一中心時間點的一測量輸出值，藉以使每一測量輸出值可以準確至小數點以下，以提高生物傳感器的讀取值分辨度，同時降低每一測量值輸出信號的雜訊干擾。
本發明的目的及諸多優點藉由以下具體實施例的詳細說明，并參照附圖將趨于明了。
(4)
圖1是一習知的血糖機外觀示意圖；圖2是圖1所示的血糖機的一生物芯片構件分解示意圖；圖3是圖1所示的血糖機的控制電路示意圖；圖4是本發明一檢體中一特定成份的放電曲線圖；圖5是本發明一第一較佳具體實施例的步驟流程圖；及圖6是本發明一第二較佳具體實施例的步驟流程圖。
(5)具體實施方式
本發明使用的生物傳感器(biosensor)的組成構件與一般利用特定酵素反應原理的生物傳感器組成構件相同。本發明的生物傳感器仍包括圖1至3所示習知生物傳感器的主要構件，即包括一具有一電阻Rs的生物芯片12、一電壓供應源30、一具有一放大電阻Rf的電流/電壓轉換器32、一模擬數字轉換器34、一微處理器36及一顯示器38。本發明生物傳感器測量一檢體中一特定成份含量的原理與圖1的習知生物傳感器采用的原理相同，皆是將檢體施予在已插入生物傳感器的主測試單元10的生物芯片12上，并且利用欲檢測的特定成份與生物芯片12的反應層124所含酵素之間的酵素催化反應結果，來測量此特定成份的含量。因此，本發明的生物傳感器可隨生物芯片12的反應層124所含的酵素成份不同，而用以測量不同生物檢體中的不同特定成份。例如，生物芯片12的反應層124含有葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)時，此生物傳感器可用以測量血液樣品中的葡萄糖濃度。生物芯片12的反應層124含有乳酸氧化酶(lactate oxidase)時，此生物傳感器可用以測量唾液中的乳酸(lactic acid)濃度。生物芯片12的反應層124含有膽固醇氧化酶(cholesterol oxidase)時，此生物傳感器可用以測量血液樣品中的膽固醇濃度。以測量血液中的葡萄糖濃度為例，當血液樣品滴在本發明生物傳感器的生物芯片12上時，血液樣品中的葡萄糖與生物芯片12的反應層124上的鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)在葡萄糖氧化酶的催化反應下進行氧化還原反應，產生與血液樣品中葡萄糖濃度成正比的一預定量的亞鐵氰化鉀(potassium ferrocyanide)。因此，檢體例如血液樣品在生物芯片12上一預定時間后，即檢體的特定成份例如血液樣品中的葡萄糖的酵素催化反應完成后，電壓供應源30，例如一電池，即施予一作用電壓Vref于生物芯片12上，藉以使生物芯片12相應此特定成份含量產生一反應電流I，例如此一作用電壓Vref使相應血液樣品中葡萄糖濃度的一預定量的亞鐵氰化鉀進行氧化反應，以釋出電子，而產生相應的反應電流I。此一反應電流I隨時間變化而逐漸衰減，并且每一時間點的反應電流I經電流/電壓轉換器32轉換成一輸出電壓Vout。因此，檢體中此特定成份經生物芯片12傳感后，生物傳感器可測量到相應此特定成份濃度的一條電壓-時間放電曲線。此一電壓-時間放電曲線中每一時間點對應的一輸出電壓Vout經由模擬數字轉換器34轉換成一組二值化數字信號(binary digitized data)。微處理器36根據此一電壓-時間放電曲線的一放電終點時間及此放電終點時間以前所有時間點對應的二值化數字信號以決定相應血液樣品中葡萄糖濃度的一讀取值。此一讀取值經由顯示器38例如液晶顯示器顯示出來。
另一方面，本發明的生物傳感器可根據檢體中一特定成份經生物芯片12傳感后，相應產生的一最大輸出電壓Vout及內建于微處理器36的一輸出電壓-特定成份放電曲線對映表，選擇相應此最大輸出電壓Vout的一標準的特定成份放電曲線。此一對映表中的每一特定成份放電曲線是為一電壓-時間放電曲線。再根據此標準的特定成份放電曲線，以決定其相應的放電終點時間。微處器36即根據所選擇的標準的特定成份放電曲線及其放電終點時間決定檢體中此特定成份的含量。
本發明生物傳感器的作用原理雖與一般生物傳感器作用原理無異，然而本發明是在于提供一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其是利用選取檢體中一特定成份放電曲線中數個相鄰不同時間點的個別電壓，求得一平均電壓，以供做這些相鄰不同時間點中被選擇的一中心時間點的一輸出電壓，進而提高此一中心時間點輸出電壓的分辨度。本發明即藉上述多次取樣求平均值的方法，以提高此特定成份放電曲線中每一時間點的輸出電壓的分辨度。
本發明提高生物傳感器讀取值分辨度的方法將藉由以下較佳具體實施例配合所附圖式予以詳細說明。
參照圖4及圖5，圖4是顯示檢體中一特定成份經本發明生物傳感器傳感后相應產生的一條電壓-時間放電曲線。圖5是本發明一第一較佳具體實施例的步驟流程圖。本發明第一較佳具體實施例將配合圖1至3所示的生物傳感器詳細說明如下。首先，在步驟501，施予一檢體于本發明生物傳感器的一生物芯片12上。此檢體中一特定成份經生物芯片12傳感產生一電壓-時間放電曲線，如圖4所示。接著，在步驟502，以此電壓-時間放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取時間t0鄰近的三個不同時間t1、t2及t3對應的個別電壓V1、V2及V3。在步驟503，求得此四個電壓V0、V1、V2及V3的一平均電壓，以此平均電壓作為時間t0對應的一輸出電壓。舉例而言，以時間t0對應的電壓值101毫伏特(mv)為一中心電壓，選取鄰近時間t0的三個不同時間點t1、t2及t3對應的電壓值103毫伏特、100毫伏特及99毫伏特。接著，求得此四個電壓值的一平均電壓值為100.75毫伏特，即以此平均電壓值100.75毫伏特作為時間t0對應的一輸出電壓Vout。時間t0的輸出電壓100.75毫伏特經模擬數字轉換器34轉換成一組二值化數字信號，其中100毫伏特是以前八個位元(20，21，22，…..27)表示，而0.75毫伏特是以后兩個位元(2-1，2-2)表示。因此，時間t0的輸出電壓100.75毫伏特的十位元數字信號即為(0110010011)。生物傳感器對于時間t0所能測量到的輸出電壓原僅能至個位數，藉步驟502至503的方法即可使時間t0的輸出電壓解析至小數點以下兩位。另外，時間t0的輸出電壓的位元數也可從八位元提高分辨度至十位元。另外，步驟502相對于時間t0的時間取樣間隔可為毫秒(ms)或微秒(μs)，而取樣方式除選取時間t0的中心電壓前一個電壓及其后兩個電壓外，亦可選取時間t0的中心電壓前兩個電壓及其后一個電壓、時間t0的中心電壓前三個電壓或時間t0的中心電壓后三個電壓。
接下來，在步驟504，根據步驟502至503，求得此電壓-時間放電曲線中一放電終點時間前每一時間點對應的一平均電壓，以供作每一時間點的一輸出電壓。在步驟505，將此電壓-時間放電曲線中放電終點時間前每一時間點對應的一輸出電壓經模擬數字轉換器34轉換成一組二值化數字信號。之后，在步驟506，微處理器36根據這些二值化數字信號，求得相應檢體中此特定成份濃度的一讀取值，再由顯示器38例如液晶顯示器將此讀取值顯示出來。根據步驟502至504即可提高檢體中此特定成份的放電曲線中每一時間點的輸出電壓分辨度至小數點以下兩位，進而提高相應檢體中此特定成份濃度的讀取值分辨度。另外，藉步驟502至504同時可降低每一時間點輸出電壓的雜訊干擾。
圖6是本發明一第二較佳具體實施例的步驟流程圖，同樣地將配合第一至三圖所示的生物傳感器詳細說明如下。首先，在步驟601，施予一檢體于本發明生物傳感器的一生物芯片12上，此檢體中一特定成份經生物芯片12傳感產生一隨時間變化逐漸衰減的反應電流I，經電流/電壓轉換器32轉換，產生一最大輸出電壓Vout。接著，在步驟602，根據生物傳感器所測得的此一最大輸出電壓Vout及內建于微處理器36的一輸出電壓-特定成份放電曲線對映表，選擇相應此最大輸出電壓Vout的一標準的特定成份放電曲線，此標準的特定成份放電曲線為一電壓-時間放電曲線，并且相應一放電終點時間。接下來，在步驟603，以此標準的特定成份放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取時間t0鄰近的三個不同時間t1、t2及t3對應的個別電壓V1、V2及V3。在步驟604，求得此四個電壓V0、V1、V2及V3的一平均電壓，以此平均電壓作為此時間t0對應的一輸出電壓。本發明第二較佳具體實施例的步驟603是相同于第一較佳具體實施例步驟502，其相對于時間t0的時間取樣間隔可為毫秒(ms)或微秒(μs)，而取樣方式除選取時間t0的中心電壓前一個電壓及其后兩個電壓外，亦可選取時間t0的中心電壓前兩個電壓及其后一個電壓、時間t0的中心電壓前三個電壓或時間t0的中心電壓后三個電壓。接著，在步驟605，根據步驟603至604，求得此標準的特定成份放電曲線的放電終點時間前每一時間點對應的一平均電壓，以供做每一時間點的一輸出電壓。接下來，在步驟606，經由模擬數字轉換器34將此標準的特定成份放電曲線的放電終點時間前每一時間點對應的一輸出電壓轉換成一組二值化數字信號。在步驟607，微處理器36根據這些二值化數字信號，求得相應檢體中此特定成份濃度的一讀取值，并由顯示器38例如液晶顯示器顯示出來。
本發明提高生物傳感器讀取值分辨度的方法可由軟件來執行，并不需增加額外的組成構件，可達到降低成本的目的。
以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并非用以限定本發明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或等效替換，均應包含在下述的權利要求所限定的范圍內。
權利要求
1.一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，包括施予一檢體于一生物傳感器的一生物芯片上，該檢體中一特定成份經該生物芯片傳感產生一電壓-時間放電曲線；以該電壓-時間放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取該時間t0鄰近的數個不同時間對應的個別電壓V1、V2及V3，求得該中心電壓V0與被選取的該電壓的一平均電壓，以該平均電壓作為該時間t0對應的一輸出電壓；根據該前一步驟，求得該電壓-時間放電曲線中一放電終點時間前每一時間對應的一平均電壓，以供做每一該時間的一該輸出電壓；將該電壓-時間放電曲線中每一該時間對應的一該輸出電壓轉換成一組二值化數字信號；及根據該二值化數字信號，求得相應該檢體中該特定成份濃度的一讀取值。
2.如權利要求1所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的電壓-時間放電曲線中每一時間對應的一電壓為一整數值。
3.如權利要求1所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的取樣時間間隔為毫秒。
4.如權利要求1所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的取樣時間間隔為微秒。
5.如權利要求1所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的生物傳感器測量的該檢體中的該特定成份是視該生物芯片的一酵素成份而定。
6.一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，包括施予一檢體于一生物傳感器的一生物芯片上，該檢體中一特定成份經該生物芯片傳感產生一最大輸出電壓；根據該最大輸出電壓及一輸出電壓-特定成份放電曲線對映表，選擇相應該最大輸出電壓的一特定成份放電曲線，該特定成份放電曲線為一電壓-時間放電曲線；以該特定成份放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取該時間t0鄰近的數個不同時間對應的個別電壓，求得該中心電壓V0與被選取的該電壓的一平均電壓，以該平均電壓作為該時間t0對應的一輸出電壓；根據該前一步驟，求得該特定成份放電曲線中一放電終點時間前每一時間對應的一平均電壓，以供作該每一時間的一該輸出電壓；將該特定成份放電曲線中每一該時間對應的一該輸出電壓轉換成一組二值化數字信號；及根據該二值化數字信號，求得相應該檢體中該特定成份濃度的一讀取值。
7.如權利要求6所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的特定成份放電曲線中每一時間對應的一電壓為一整數值。
8.如權利要求6所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的生物傳感器測量的該檢體中的該特定成份是視該生物芯片的一酵素成份而定。
9.如權利要求6所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的取樣時間間隔為毫秒。
10.如權利要求6所述的提高生物傳感器讀取值分辨度的方法，其特征在于，所述的取樣時間間隔為微米。
全文摘要
一種提高生物傳感器讀取值分辨度的方法。本發明方法包括施予一檢體于一生物傳感器的一生物芯片上，此檢體中一特定成分經生物芯片傳感產生一電壓－時間放電曲線。以此放電曲線中一時間t0對應的一電壓V0為一中心電壓，選取時間t0鄰近數個不同時間對應的個別電壓，求得中心電壓V0與這些被選取的個別電壓的一平均電壓，以此平均電壓作為時間t0對應的一輸出電壓。根據上述步驟，求得此放電曲線中一放電終點時間前每一時間對應的一平均電壓，以供做其個別輸出電壓。將此放電曲線中每一時間對應的一輸出電壓轉換成一組二值化數字信號。根據這些二值化數字信號，求得相應檢體中特定成分濃度的一讀取值。
文檔編號G01N33/66GK1515897SQ0310094
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月7日 優先權日2003年1月7日
發明者黃英俊, 王國任 申請人:力捷電腦股份有限公司