TWI844398B - 整合式心音超音波感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種整合式心音超音波感測裝置，包括一壓電感測器，貼附心臟位置後，進行心音及超音波偵測；一振膜，配置於一電路板上；以及壓電感測器設置於隔音環下方。

Description

整合式心音超音波感測裝置

本發明涉及一種超音波技術，特別是一種貼附式體內成像裝置及其方法。

一般而言，血管異常是心臟病、腦血管病變或高血壓等疾病的前兆，且上述疾病在國人死因的排行中均佔有相當高的比例。因此，若能在血管發生微恙時準確地發現並予以處理，即可降低血管異常所帶來的風險。

醫護人員在判斷患者的血管是否具有異常時，會透過超音波顯像裝置對病患之特定部位的血管進行分析，以判斷患者之特定部位的血管是否具有栓塞等異常狀況。惟，人體血管數以萬計，在操作超音波顯像裝置之前，若沒有簡單判斷血管異常的可能發生處，醫護人員必須單獨操作超音波顯像裝置而在眾多的血管中逐一檢測，繁複的檢測過程不僅令醫者心力交瘁，冗長的分析程序更令患者身心俱疲。亦即，傳統的血管逐條檢測的方式，不僅需要解決血管介面的問題，而且檢測時間久，解讀也困難。此外，除了超音波顯像裝置過於龐大無法攜帶之外，病患必須醫護人員的輔助才能進行檢測，無法隨時監控自己身體的狀況。

有鑑於此，本發明提供一種貼附式體內成像裝置及其方法，以解決傳統的超音波顯像裝置或者是手持式超音波量測裝置，對於血管、心臟、肝臟等器官的檢測效率不佳，以及無法隨時監控的問題。

基於上述，本發明提出貼附式體內成像裝置，利用平面超音波感測器本身的可撓性，可將其貼附於身體上，達成隨時監控身體狀況的目的。

本發明之貼附式體內成像裝置係透過平面超音波感測器以發出超音波，並且透過光電感測器之發光元件以發光，以達到偵測血管流速、孔徑大小之影像的效果。

在本發明之中，貼附式體內成像裝置除了可以隨時監控之外，還可以解決以往對於血管、心臟、肝臟等器官的檢測效率不佳等問題。

根據本發明之一觀點，提出一種貼附式體內成像裝置，包括：一軟質繞曲式基底；一第一電極層，配置於軟質繞曲式基底之上；一超音波換能器陣列，配置於第一電極層之上；一偏壓電極層，配置於該超音波換能器陣列之上；以及，一薄膜電晶體層，配置於該偏壓電極層之上，包含像素電路之陣列，每一該像素電路包括至少一個薄膜電晶體元件；當軟質繞曲式基底貼附於身體一部位後，超音波換能器陣列發出超音波至該部位，並於超音波換能器陣列接收反射 後的超音波，以對該部位進行成像。

根據本發明之一觀點，貼附式體內成像裝置包含超音波發射器層及超音波接收器層，一軟質繞曲式基底配置於偏壓電極層之上；當軟質繞曲式基底貼附於身體一部位後，超音波發射器層發出超音波至該部位，並於超音波接收器層接收反射後的超音波，以對該部位進行成像。其中該部位包含頸部、胸部、心臟、肺臟、肝臟所在之處。

根據本發明之另一觀點，貼附式體內成像裝置包含一光電感測器，以產生一感測訊號，當該貼附式體內成像裝置貼附於身體的某一部位之後，光電感測器得以感測該部位以產生該感測訊號，一平面超音波感測器之第一壓電層可發出超音波至該部位，並於第二壓電層接收反射後的超音波，以對該部位進行體內的成像。其中該部位包含頸部、胸部、心臟、肺臟、肝臟所在之處。

根據本發明之又一觀點，上述貼附式體內成像裝置，更包含處理器，耦接超音波感測器、超音波控制器和光電感測器；光電控制器，耦接處理器，以控制光電感測器；通訊構件，耦接處理器。

根據本發明之另一觀點，上述貼附式體內成像裝置，光電感測器包含一發光組件與一光偵測器；發光組件包含微發光二極體陣列。

根據本發明之再一觀點，一種整合式心音超音波感測裝置，包含： 一壓電感測器，於該整合式心音超音波感測裝置貼附於使用者心臟位置之後，得以進行心音及超音波偵測；一振膜，配置於一電路板之上；以及，一隔音環，與電路板形成共振腔，其中壓電感測器設置於隔音環下方。上述壓電感測器之壓電發射器層之中配置超音波發射器以及心音振動接收器。

100,200,304:平面超音波感測器

102:超音波換能器陣列

103:軟質繞曲式基底

104,204:第一電極層

106,206:第二電極層

108,208:薄膜電晶體層

110:背層

112,218:待偵測部位

114,220:貼附區域

202:壓電發射器層

210:像素輸入電極

212:壓電接收器層

214:接收器偏壓電極

216:軟質繞曲式基底

300:貼附式體內成像裝置

302:處理器

306:超音波控制器

308:光電感測器

310:通訊構件

312:光電控制器

314:儲存媒體

400:整合式心音超音波感測裝置

402:振膜

404:膠框

406:電路板

408:壓電感測器

410:線路

412:人體皮膚

414:心臟

〔第一圖〕顯示根據本發明之一個實施例所提出之貼附式體內成像裝置之平面超音波感測器之示意圖。

〔第二圖〕顯示根據本發明之另一個實施例所提出之貼附式體內成像裝置之平面超音波感測器之示意圖。

〔第三圖〕顯示根據本發明之一個實施例所提出之貼附式體內成像裝置之功能方塊示意圖。

〔第四圖〕顯示根據本發明之另一個實施例所提出之整合式心音超音波感測裝置之示意圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可 廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。

第一圖顯示根據本發明之一個實施例所提出之貼附式體內成像裝置之平面超音波感測器之截面示意圖。所謂體內成像指的是利用本發明裝置，擷取體內器官、組織等影像資訊，於外部裝置上經過成像處理，而可以顯示於顯示器或類似裝置上。貼附式體內成像裝置係貼附、包覆或是纏繞、穿戴於身上的某一待測部位，例如頸部、胸腔(例如靠心臟、肝臟、胰臟、肺臟)等部位，以對待測部位成像。貼附式體內成像裝置的下方塗佈一層可與肌膚接觸的抗過敏凝膠，用於判斷是否貼附完成。其中，貼附式體內成像裝置包含平面超音波感測器，可以參考第一圖與第二圖。如第一圖所示，平面超音波感測器100包含一超音波換能器(transducer)陣列102。超音波換能器陣列102之兩側設置有第一電極層104與第二電極層106。第一電極層104配置於一軟質繞曲式基底103之上。第一電極層104上配置有複數個電極單元。第二電極層106為偏壓電極層，配置於超音波換能器陣列102之上，其上具有與第一電極層104相對應的電極單元。薄膜電晶體(Thin Film Transistor)層108配置於第二電極層106之上。薄膜電晶體層108為一基板，其上包含像素電路陣列(pixels array)，每一像素電路包括至少一個TFT元件。超音波換能器陣列102為一壓電層，壓電層為壓電材料，其可選自聚二氟亞乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)及鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)中的至少一種。本發明之壓電層採用可撓性的壓電薄膜，例如聚二氟亞乙烯薄膜，使得平面超音波感測器100為可撓性的超音波感測器，以利於貼附於身上的某一待偵測部位112之上。平面超音波感測器100可以利用其所接收之信號，以建構待偵測部位112之貼附區域114之數位影像。薄膜電晶體層108包含複數個矩陣排列的薄膜電晶體，以形成薄膜電晶體陣列。舉例而言，每一薄膜電晶體包括形成於壓電層102之一側上的閘極、覆蓋閘極的絕緣層以及形成於絕緣層上的通道層，以及形成於通道層上的源極和汲極。在一實施例之中，薄膜電晶體為有機薄膜電晶體(OTFT)。第二電極層106為一偏壓電極。壓電層102兼具超音波感測信號的發送與接收功能。亦即，本實施例之平面超音波感測器100，從壓電層102發射超音波並且接收反射後的超音波，屬於自打自收超音波的結構。舉例而言，一超音波控制器(驅動IC)可與第一電極層104及第二電極層106電連接，以控制壓電層102於不同時段中分別進行超音波感測信號的發送與接收。在一實施例之中，壓電層102、薄膜電晶體陣列108、第一電極層104、第二電極層106、背層110均為透明的，其透光度均大於95%，使得平面超音波感測器100為透明的，背層110可用以吸收反射的超音波。在一實施例之中，第一電極層104、第二電極層106之材料可選自氧化銦錫(ITO)、氧化鋅(ZnO)、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)，PEDOT)、奈米碳管(Carbon Nanotube，CNT)、奈米銀線(Ag nano wire，ANW)以及石墨烯(graphene)中的一種。

如第二圖所示，其為另一實施例之平面超音波感測器200，包含一軟質繞曲式基底(貼附層)216之下的超音波發射器及超音波接收器。超音波發射 器可為包括實質上平面的壓電發射器層202之超面波產生器。壓電發射器層202之兩側設置有第一電極層204與第二電極層206。可藉由以下操作產生超音波：經由第一電極層204及第二電極層206將電壓施加至壓電發射器層202，以產生超音波。第一電極層204上配置有複數個電極單元。第二電極層206為偏壓電極層，配置於壓電發射器層202之上，其上具有與第一電極層204相對應的電極單元。壓電發射器層202為壓電材料。此超音波朝向待偵測部位(貼附部位)218行進，穿過軟質繞曲式基底216。此超音波之未被待偵測部位吸收之部分可被反射穿過軟質繞曲式基底216而傳回，而由超音波接收器接收。第一電極層204及第二電極層206可為金屬化電極，例如為塗佈壓電發射器層202之兩側的金屬層。

超音波接收器可包括薄膜電晶體層208上之像素電路陣列，及壓電接收器層212。在一些實施中，薄膜電晶體層208為一基板，其上包含像素電路陣列，每一像素電路包括至少一個TFT元件，或額外電路元件，例如二極體、電容器及其類似者。每一像素電路可以將在接近像素電路之壓電接收器層212中產生之電荷轉換成電信號。每一像素電路可包括將壓電接收器層212電耦接至像素電路之像素輸入電極。像素輸入電極層210，配置於薄膜電晶體層208之上。壓電接收器層212，配置於像素輸入電極層210之上。接收器偏壓電極214係配置於壓電接收器層212之上。軟質繞曲式基底216配置於接收器偏壓電極214之上。接收器偏壓電極214可為金屬化電極且可接地或經加偏壓以控制將那些信號傳遞至TFT陣列。藉由壓電接收器層212將自軟質繞曲式基底216之曝露(頂)表面反射之超音波能轉換成局部電荷，再透過像素輸入電極210收集此局部電荷，以將其傳遞至底層像素電路。藉由像素電路放大該等電荷，以提供至超音波控制器(可參 考第三圖)，以進行後續的成像。

超音波控制器耦接至超音波發射器及超音波接收器，以控制超音波發射器產生一或多個超音波之計時信號。超音波控制器可與第一電極層204及第二電極層206電連接，以及與接收器偏壓電極214及薄膜電晶體層208上之像素電路電連接，以控制壓電發射器層202和壓電接收器層212之超音波感測信號的發送與接收。軟質繞曲式基底216包括可撓性材料。壓電發射器層202及壓電接收器層212中之每一者之厚度可以選擇以利於產生及接收超音波。

第三圖顯示本發明之另一實施例之貼附式體內成像裝置之功能方塊圖。在本實施例之中，貼附式體內成像裝置300，包含：處理器302、平面超音波感測器304、超音波控制器306、光電感測器308、通訊構件310、光電控制器312以及儲存媒體314。處理器302耦接平面超音波感測器304、超音波控制器306、光電感測器308、通訊構件310、光電控制器312以及儲存媒體314，用以控制這些元件。

光電感測器308係用以感測一待測血管或器官部位(例如，心臟、肺臟、肝臟、胰臟等)，以產生一感測訊號。在一實施例之中，光電感測器308包含一光電基板、一發光組件與一光偵測器，光電基板之表面設置有一發射區及一接收區，其中發光組件設置於發射區以利於朝待測血管或器官部位發射光線，而光偵測器設置於接收區以利於接收由待測血管或器官部位所反射之光線，並根據此反射光線而產生感測訊號。

舉一實施例而言，發光組件包含微發光二極體陣列(mini LED array)，可發出數種不同波長之光線(紅光出光段、綠光出光段及藍光出光段)，以利於朝受測者之待測血管或器官部位發出數種不同波長之光線時，即使有部分光線因自身波長之特性而無法順利通過人體組織，仍有部分光線可依自身波長之特性而順利照射至待測血管或器官部位，以順利產生感測訊號。藉由微發光二極體陣列的設置，可使得發光組件具有較低耗能，且可縮小發光組件整體體積，還能透過更精細的光線以準確照射待測部位。

光電控制器312電性連接光電感測器308，以用於控制數個出光段沿掃描方向依序發出不同波長之光線。換言之，光電控制器312可控制微發光二極體陣列，以依序發光、隨機發光或者是全面性發光。依此，當數個出光段朝待測血管或器官部位發出不同波長之光線時，光偵測器可以完整地接收由待測血管或器官部位所反射的光線，使得光偵測器可以適當地根據反射光線而產生感測訊號，具有提升感測準確度的效果。

處理器302係電性連接光電感測器308以接收感測信號，並將感測信號轉換為一血管流態資料，並在血管流態資料位於一基準流態範圍內時產生並輸出一驅動訊號。處理器302根據感測訊號以判斷血液的吸光情況，而推算血液流速、血管大小或含氧量等。血管流態資料包含血液流速值、血液含氧量，而基準流態範圍設定一基準流速範圍、一基準含氧量範圍以判定異常的範圍。依此，處理器302可根據光電感測器308所產生之感測結果，簡單找出血管異常的可 能發生處，並在判斷待測血管具有異常時輸出驅動訊號，使平面超音波感測器304可以快速偵測血管異常的可能發生處，而提升檢測效率的效果。

超音波控制器306可自超音波接收器以接收經反射超音波能之信號。超音波控制器306可以利用超音波接收器所接收之輸出信號，並透過處理器302以建構待偵測部位218之貼附區域220之數位影像。在一些實施中，超音波控制器306亦可隨時間相繼地對輸出信號進行取樣，以偵測頸部血管中的血流動，或者其他身體器官的影像。平面超音波感測器304係電性連接處理器302，以在接收驅動訊號後，係偵測待測血管以產生一血管口徑資料。平面超音波感測器304例如為第一圖或第二圖的例子，可在進行血管攝影的同時，計算待測血管的口徑以作為血管口徑資料，甚至可在待測血管的口徑大於或不大於一口徑標準值時分別輸出不同之警示訊息。依此，本發明可透過光電感測器308簡單找出血管異常的可能發生處，並在判斷待測血管具有異常時，透過處理器302驅動平面超音波感測器304以進一步偵測血管異常的可能發生處，除了可以即時監控之外，還可以提升檢測效率的效果。在另一例子中，透過光電感測器308以及平面超音波感測器304也可以偵測身體的其他器官，例如心臟、肺臟、肝臟、胰臟等，的影像，並找出其異常的可能發生位置。超音波的影像的處理為成熟之技術，可以透過處理器的運算以達成，此處不再贅述。

一顯示器可以從處理器302接收並顯示血管流態資料、血管口徑資料，用以顯示血管流態資料或血管口徑資料，供相關人員(例如該待測者或醫護人員)透過顯示器觀看光電感測器308及平面超音波感測器304的感測結果。

根據另一實施例，本發明之超音波成像方法包含下列步驟：以超音波控制器306控制脈衝重複時間間隔(pulse repetition interval，PRI)以發射複數個超音波訊號至待偵測部位(貼附部位)；然後，以平面超音波感測器304接收超音波訊號之複數個反射訊號；隨後，以一人工智能(AI)或神經網路將反射訊號分離為一血流訊號以及一雜波訊號；之後，根據血流訊號計算一血流參數；然後，再根據血流參數判斷一血管位置；最後，根據血流參數以及血管位置調整反射訊號對應之一影像訊號，據以產生一超音波影像。上述計算係透過處理器302來執行。神經網路可為卷積神經網路(Convolution Neural Network，CNN)或其它類似神經網路。神經網路係已預先被訓練好，用以將超音波訊號之反射訊號分離為血流訊號以及雜波訊號。在一例子中，可以預先準備複數組訓練樣本，其中每一組訓練樣本分別包含多組超音波訊號之反射訊號，以及由此超音波訊號之反射訊號分離出之血流訊號與雜波訊號。接著，再將訓練樣本輸入神經網路，以對神經網路進行將超音波訊號之反射訊號分離為血流訊號以及雜波訊號的訓練。

平面超音波感測器304之驅動電路可以透過主動式或被動式的驅動方式以發射或接收超音波。舉一實施例而言，發光陣列的影像顯示係由影像驅動IC所驅動控制，影像驅動IC係透過軟式連接線路以電連接至控制電路板。

在一實施例之中，貼附式體內成像裝置300之使用者可以透過通訊構件310與另一個裝置(例如：智慧型手機、平板電腦、貼附式體內成像裝置)通訊。舉例而言，通訊構件310可以透過無線網路來通訊，包含藍牙、WLAN、 Wifi、3G、4G、5G等各種無線規格的無線網路。

在一實施例之中，儲存媒體314可以儲存影像資料或應用軟體。儲存媒體314例如包含記憶體、電腦可讀媒體。記憶體上儲存有能夠由處理器運行的軟體或程式。記憶體包括非永久性記憶體，隨機存取記憶體(RAM)及/或非揮發性記憶體等形式，例如唯讀記憶體(ROM)或快閃記憶體(Flash RAM)。儲存媒體包括但不限於：相變記憶體(PRAM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、其他類型的隨機存取記憶體(RAM)或唯讀記憶體(ROM)，可用於儲存可以被計算裝置存取的資訊。

在一實施例之中，貼附式體內成像裝置被構造為可以與外部裝置進行通訊，外部裝置可以是外部計算裝置、計算系統、行動裝置(智慧型手機、平板電腦、智慧手錶...等)、或其他電子裝置類型。

外部裝置包括計算核心、使用者介面、網際網路介面、無線通信收發器和儲存裝置。使用者介面包括一個或多個輸入裝置(例如，鍵盤、觸控螢幕、語音輸入裝置..等)、一或多個音頻輸出裝置(例如。揚聲器..等)及/或一或多個可視覺輸出裝置(例如，視頻圖形顯示器、觸控螢幕..等)。網際網路介面包括一或多個聯網裝置(例如，無線局域網(WLAN)裝置、有線LAN裝置、無線廣域網(WWAN)裝置..等)。儲存裝置包括快閃記憶裝置、一或多個硬碟驅動器、一或多個固態儲存裝置及/或雲端儲存器。

計算核心包括處理器和其他計算核心組件。其他計算核心組件包括視頻圖形處理單元、儲存器控制器、主存儲器(例如，RAM)、一或多個輸入/輸出(I/O)裝置介面模組、輸入/輸出(I/O)介面、輸入/輸出(I/O)控制器、周邊裝置介面、一或多個USB介面模組、一或多個網路介面模組、一或多個記憶體介面模組及/或一或多個周邊裝置介面模組。外部裝置處理通訊構件310所傳來的資料，以產生各種結果。

第四圖顯示根據本發明之另一個實施例所提出的整合式心音超音波感測裝置，其係將前述的平面超音波感測器整合至聽診器。在使用上，可以先做心音量測，當心音出現異常時，可直接進行心臟超音波檢查。整合式心音超音波感測裝置400包括一振膜402，於此振膜402上鍍上導電材料，將此振膜402以一膠框(隔音環)404與一電路板406封裝(其中，隔音環404與電路板406所形成共振腔，結合振膜402即形成麥克風構造)，一壓電感測器408設置於隔音環404下方，且經由一線路410電性地連接電路板406，透過與人體皮膚412接觸，可以用以量測因為振動而產生的電壓訊號。在本實施例之中，壓電感測器408整合了心音感測及超音波感測之振膜，除了可以用於輔助傳統電容式感測器對低頻訊號，例如第三、第四心音的頻率是介於20Hz附近，響應較差的缺失，也可以進行超音波感測。舉例而言，壓電感測器408的結構為第二圖之壓電發射器層202之中配置超音波發射器以及心音振動接收器，使得整合式心音超音波感測裝置400具有心音擷取以及超音波偵測兩種功能。

以一實施例而言，壓電感測器408可以形成於軟性襯底並製作成 貼片形式。其中，軟性襯底的最下方設置有複數個電極，可以用來判斷是否完成貼附。以一實施例而言，整合式心音超音波感測裝置400可以透過貼片直接貼附於使用者心臟414位置上方的皮膚412上，用以量測心音訊號。

上述感測裝置的設計主要是為了接收訊號，接收的訊號為心臟跳動的訊號。本發明所提出的整合式心音超音波感測裝置，可以分別由電容感測器以及壓電感測器接收心臟跳動的訊號，以及超音波訊號。於整合式心音超音波感測裝置中，電路板包含了數個放大器、濾波器、電源管理系統、身份辨識系統、藍芽以及處理器，以及第三圖所包含的元件等。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明及其效益進行詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明權利要求的範圍。

400:整合式心音超音波感測裝置

402:振膜

404:膠框

406:電路板

408:壓電感測器

410:線路

412:人體皮膚

414:心臟

Claims (10)

1. 一種整合式心音超音波感測裝置，包括：一壓電感測器，貼附心臟位置後，進行心音及超音波偵測；一共振腔，由膠框與電路板形成；一麥克風構造，由該共振腔結合振膜形成；其中該振膜，配置於該電路板上；以及其中該壓電感測器設置於該膠框下方。
2. 如請求項1所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該壓電感測器包含壓電發射器層。
3. 如請求項2所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該壓電發射器層配置超音波發射器。
4. 如請求項2所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該壓電發射器層配置心音振動接收器。
5. 如請求項1所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該振膜包含導電材料。
6. 如請求項5所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該振膜以該膠框與該電路板封裝。
7. 如請求項5所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該壓電感測器透過與皮膚接觸，量測因振動產生的電壓訊號。
8. 如請求項5所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該壓電感測器形成於軟性襯底並製作成貼片形式。
9. 如請求項8所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該軟性襯底下方包含複數個電極。
10. 如請求項1所述的整合式心音超音波感測裝置，其中該電路板包含身份辨識系統。