导尿管PH传感器
阅读：948发布：2021-10-26
专利汇可以提供导尿管PH传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的 实施例 涉及用于感测尿液pH的系统。该系统的非限制性示例包括用于插入患者膀胱中的 导尿 管，其中该 导尿管 包括内腔。该系统还包括连接到导尿管的收集容器。该系统还包括基于FET的pH感测设备，其包括pH感测表面和参考 电极 ，其中pH感测表面和参考电极具有暴露于内腔的表面。这样的实施例可以有利地提供尿液的实时、灵敏的测量，以便利用小型化的基于FET的pH 传感器 及时检测和监测对象的生理状况。，下面是导尿管PH传感器专利的具体信息内容。
1.一种用于感测尿液pH值的系统，所述系统包括：
用于插入患者的膀胱中的导尿管，其中所述尿导管包括内腔；
通信地耦合到所述导尿管的收集容器；以及
基于晶体管的pH感测设备，所述基于晶体管的pH感测设备包括pH感测表面和参考电极，其中所述pH感测表面和所述参考电极具有暴露于所述内腔的表面。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于FET的pH感测设备进一步包括信号处理器。
3.根据权利要求2所述的系统，进一步包括与所述基于晶体管的pH传感器和所述信号处理器通信的放大器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于晶体管的pH感测设备进一步包括无线发射器。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括显示器。
6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括第二基于晶体管的pH感测设备，所述第二基于晶体管的pH感测设备包括第二pH感测表面和第二参考电极，其中所述第二pH感测表面和所述第二参考电极具有暴露于所述收集容器的表面。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于晶体管的pH感测设备包括pH传感器阵列。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于晶体管的pH传感器被集成在所述导尿管内。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于晶体管的pH传感器进一步包括形成在源极、漏极和栅极电介质上的氧化物层。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述pH感测表面包含氧化铪。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述基于晶体管的pH传感器是基于FET的传感器。
12.一种用于感测尿液pH的系统，所述系统包括：
用于插入患者的膀胱中的导尿管，其中所述尿导管包括内腔；
通信地耦合到所述导尿管的收集容器；以及
包括连接到BJT设备的基极的参考电极和pH感测表面的pH感测设备，其中所述BJT设备进一步包括集电极和发射极，并且其中所述pH感测表面和所述参考电极具有暴露于所述内腔的表面。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测设备进一步包括信号处理器。
14.根据权利要求13所述的系统，进一步包括与所述pH感测设备和所述信号处理器通信的放大器。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测设备进一步包括无线发射器。
16.如权利要求12所述的系统，进一步包括显示器。
17.根据权利要求12所述的系统，进一步包括第二pH感测设备，所述第二pH感测设备包括第二pH感测表面和第二参考电极，其中所述第二pH感测表面和所述第二参考电极具有暴露于所述收集容器的表面。
18.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测设备包括pH传感器阵列。
19.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测设备被集成在所述导尿管内。
20.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测表面包含TiN。
21.根据权利要求12所述的系统，其中所述pH感测设备是一次性的。
22.一种用于感测尿pH的方法，所述方法包括：
接收来自应用于导尿管中的新鲜尿液的所述导尿管中的pH传感器的信号，其中所述pH传感器包括感测表面、集电极和参考电极；
向所述集电极施加零电压；
向所述参考电极施加零电压；
向发射极施加电压；以及
测量所述集电极的集电极电流。
23.一种用于感测尿pH的方法，所述方法包括：
将pH感测设备放置为与患者的尿液接触，其中所述设备包括：
用于插入患者的膀胱中的导尿管，其中所述尿导管包括内腔；
连接到所述导尿管的收集容器；以及
基于晶体管的pH感测设备，所述基于晶体管的pH感测设备包括pH感测表面和参考电极，其中所述pH感测表面和所述参考电极具有暴露于所述内腔的表面；以及确定患者的实时尿液pH。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括：
将所述患者的实时尿液pH与患者的先前尿液pH进行比较以确定所述患者的潜在生理变化；以及
将所述潜在生理变化的确定输出到用户界面。
25.一种用于感测尿pH的方法，所述方法包括：
将pH感测设备放置为与患者的尿液接触，其中所述设备包括：
用于插入患者膀胱中的导尿管，其中所述尿导管包括内腔；
连接到所述导尿管的收集容器；以及
包括连接到BJT设备的基极的参考电极和pH感测表面的pH感测设备，其中所述BJT设备还包括集电极和发射极，并且其中所述pH感测表面和所述参考电极具有暴露于所述内腔的表面；以及
基于来自所述pH感测设备的信号确定所述患者的实时尿液pH。
导尿管PH传感器
背景技术
[0002] 在健康受试者的身体中，通过广泛的一系列生理机制，可以密切调节pH并保持在窄范围内。体液pH的变化可以指示受试者生理状况的变化。这种pH变化可能具有诊断和治疗意义。因此，检测尿液中的pH可有助于诊断和监测患者健康状况。
[0003] 虽然尿液pH的点测量可能很简单，但获得样品的实时准确的pH会带来一些挑战。例如，可以在患者的床边使用具有颜色指示剂的pH敏感棒进行快速确定pH的常规方法。但是，这些指标可能缺乏足够的灵敏度来响应与生理变化相关的尿液pH变化。尽管通过将样本提交给实验室可以获得更高的尿样pH灵敏度，但这种方法可能缺乏及时性，并且不适合实时患者监测。此外，尿液pH测量的及时性可能是重要的，因为由于尿中存在细菌，尿液的pH可能随时间变化。因此，引入延迟的尿液pH分析方法可能会导致不准确的信息并且不能始终代表患者的生理状态。仍然需要及时、敏感的尿液pH测量来诊断和治疗患者。
发明内容
[0004] 本发明的实施例涉及用于感测尿液pH的系统。该系统的非限制性示例包括用于插入患者膀胱中的导尿管，其中导尿管包括内腔。该系统还包括可通信地连接到导尿管的收集容器。该系统还包括基于晶体管的pH感测设备，其包括pH感测表面和参考电极，其中pH感测表面和参考电极具有暴露于内腔的表面。本发明的这些实施例可以有利地提供尿液的实时、灵敏的测量，以便利用小型化的基于晶体管的pH传感器及时检测和监测对象的生理状况。
[0005] 本发明的实施例涉及用于感测尿液pH的系统。该系统的非限制性示例包括用于插入患者膀胱中的导尿管，其中导尿管包括内腔。该系统还包括可通信地连接到导尿管的收集容器。该系统还包括pH感测设备，其包括连接到BJT设备的基极的参考电极和pH感测表面。BJT设备还包括集电极和发射极。pH感测表面和参考电极具有暴露于内腔的表面。本发明的这些实施例可以有利地提供尿液的实时、灵敏的测量，以便利用小型化的基于BJT的pH传感器及时检测和监测对象的生理状况。
[0006] 本发明的实施例涉及用于感测尿pH的方法。该方法的非限制性示例包括接收来自应用于管道中的新鲜尿液的导管管道中的pH传感器的信号。pH传感器包括感测表面、集电极和参考电极。该方法还包括向集电极施加零电压。该方法还包括向参考电极施加零电压。该方法还包括向发射极施加电压。该方法还包括测量来自集电极的集电极电流。本发明的这些实施例可以提供用于确定导管系统中的尿液pH的高灵敏度的pH测量。
[0007] 本发明的实施例涉及用于感测尿液pH的方法。该方法的非限制性示例包括将pH感测设备与患者的尿液接触。该设备可以包括用于插入患者膀胱中的导尿管。导尿管包括内腔。该系统还可以包括连接到导尿管的收集容器。该系统还可以包括基于晶体管的pH感测设备，其包括pH感测表面和参考电极。pH感测表面和参考电极具有暴露于内腔的表面。本发明的这些实施例可以提供用于确定导管系统中的尿液pH的高灵敏度的pH测量。
[0008] 本发明的实施例涉及用于感测尿pH的方法。该方法的非限制性示例包括将pH感测设备与患者的尿液接触。该设备包括用于插入患者膀胱中的导尿管。导尿管包括内腔。该设备还包括连接到导尿管的收集容器。该设备还包括pH感测设备，pH感测设备包括连接到BJT设备的基极的参考电极和pH感测表面。BJT设备还包括集电极和发射极。pH感测表面和参考电极具有暴露于内腔的表面。该方法还包括确定患者的实时尿液pH。本发明的这些实施例可以有利地提供尿液的实时、灵敏的测量，以便利用小型化的基于BJT的pH传感器及时检测和监测对象的生理状况。
[0010] 附图简要说明
[0012] 图1描绘了图示根据本发明的一个或多个实施例的处理系统的一个示例的框图。
[0013] 图2描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统。
[0014] 图3描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统。
[0015] 图4描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统。
[0016] 图5是描绘根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统的溶液电压对漏极电流的图表。
[0017] 图6描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统。
[0018] 图7描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性系统。
[0019] 图8描绘了根据本发明的一个或多个实施例的示例性方法的流程图。
[0020] 这里描绘的图是说明性的。在不偏离本发明的精神的情况下，可以对其中所描述的图或操作进行许多变化。例如，可以以不同的顺序执行操作，或者可以添加、删除或修改操作。而且，术语“耦合”及其变体描述了具有两个元件之间的通信路径，并且不意味着元件之间的并且在它们之间没有中间元件/连接的直接连接。所有这些变化都被认为是说明书的一部分。
[0021] 在附图和以下实施例的详细描述中，图中所示的多种元件设置有两位或三位数字的附图标记。除少数例外情况外，每个附图标记的最左边的数字对应于其中首先描述其元素的附图。
具体实施方式
[0022] 这里参考相关附图描述本发明的各种实施例。在不偏离本发明的范围的情况下可以设计出本发明的替代实施例。在下面的描述和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下面，相邻等)。除非另有指定，否则这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不意在限制在这方面。因此，实体的耦合可以指代直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。此外，这里描述的各种任务和处理步骤可以被结合到具有未在此详细描述的附加步骤或功能的更复杂的过程或流程中。
[0023] 以下定义和缩写将被用于解释权利要求书和说明书。如本文所使用的，术语“包括comprises”、“包括comprising”、“包含includes”、“包含including”、“具有has”、“具有having”、“包含containing”或其任何其他变化意在涵盖非排他性包含。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、工艺、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的或者此类组合物、混合物、工艺、方法、物品或装置所固有的其它元素。
[0024] 此外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例，实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不必被解释为优选或优于其他实施例或设计。术语“至少一个”和“一个或多个”可以包括大于或等于1的任意整数，即1、2、3、4等。术语“多个”可以包括大于或等于2的任意整数，即2、3、4、5等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。
[0025] 术语“大约”、“基本上”、“近似地”及其变体旨在包括基于提交申请时可用设备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“大约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
[0026] 为了简洁起见，与本发明的制造和使用方面相关的常规技术可能或可能不会在此详细描述。具体而言，用于实现这里描述的各种技术特征的计算系统和特定计算机程序的多个方面是众所周知的。因此，为了简洁起见，许多常规的实施细节仅在本文中被简要地提及或者被完全省略，而没有提供众所周知的系统和/或过程细节。
[0027] 此外，与半导体器件和集成电路(IC)制造有关的传统技术在此可能或可能不会被详细描述。此外，这里描述的各种任务和处理步骤可以被结合到具有未在此详细描述的附加步骤或功能的更全面的步骤或过程中。具体而言，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各个步骤是众所周知的，因此为了简洁起见，许多常规步骤将仅在此简要地提及或者将被完全省略，而不提供众所周知的过程细节。
[0028] 为了便于描述附图中描绘的一个元件或特征与另一个元件或特征之间的关系，本文中可以使用空间相对术语，例如“下方(beneath)”、“下方(below)”、“下方(lower)”、“上方(above)”、“上方(upper)”等。将理解的是，空间相对术语旨在包括除了附图中描绘的方向之外的装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果附图中的设备翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方(below)”或“下方(beneath)”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，术语“下方”可以涵盖上方和下方的方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位)，并且相应地解释在此使用的空间相对描述符。
[0029] 现在转向与本发明的各个方面更具体相关的技术的综述，尿液pH可以是重要的临床指标。例如，尿液pH异常可以由肾功能障碍或由多种原因导致的全身性酸碱失调引起。例如，中毒、呼吸系统问题、尿路感染、组织灌注受损以及代谢紊乱(例如糖尿病)都可能导致尿液pH异常。在某些情况下，通过服用药物导致尿液pH升高可能是医疗治疗制度的一部分。因此，对受试者尿液进行准确且及时的pH测量可以在医学诊断和治疗过程中提供强有力的信息。
[0030] 虽然pH测量在某些情况下可以简单地进行，但是对个体的尿液的及时和准确的pH监测可能带来若干挑战。例如，尽管用石蕊试纸进行床边pH监测不能解释尿液pH的随时的pH变化，并且可能缺乏敏感性。尽管将尿液样本送至实验室进行pH测量可以导致pH测量的准确性和灵敏度提高，但这些方法仍然无法准确表示生理状态。尿液成分的变化，例如由于尿液中的微生物随时间增殖，可能引起pH的变化，从而其不再反映体内尿液的pH。此外，在尿液收集室内随着时间的推移收集尿液的监测pH的方法不能解释尿液中的随时的变化，达到在尿液到达尿液容器之前它们不监测尿液的程度，并且此外由于已经收集的尿液可以改变尿液pH。
[0031] 仍然需要提供及时和准确的尿液pH监测。此外，仍然需要在尿液离开患者身体之前或之后立即，并且在尿液与已经收集的尿液混合之前，提供对尿液pH的连续或间歇实时监测。
[0032] 现在转向本发明的各方面的概述，本发明的一个或多个实施例通过提供包括用于床边pH监测的灵敏的pH传感器的导管系统解决了传统方法的上述缺点。本发明的实施例包括导管系统内(例如导管管内)的pH传感器，以实时提供pH测量。例如，通过在导管管内提供pH传感器，pH读数可以是瞬时的和灵敏的，避免了对实验室测试的需要，并且避免了与先前的尿液样本例如在收集容器中混合。
[0033] 及时的pH测量可以为医疗专业人员提供关于患者健康的稳健信息，而没有可能由在测试之前已经被允许长时间放置的尿液样本中的细菌繁殖导致的伪影。
[0034] 本发明的上述方面通过包括嵌入或连接到用于从患者身体清除尿的导尿管或其他管道的微型pH传感器来解决常规方法的缺点。如本文所用，“导尿管”应理解为包括用于通过插入体内从身体排出尿液并在身体外部具有出口的管道。本发明的一些实施例中，基于场效应晶体管(field effect transistor，FET)的pH传感器被包括在导尿管系统内。在本发明的一些实施例中，基于双极结型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)的pH传感器被包括在导尿管系统内。
[0035] 参考图1，示出了用于实现本文的教导的处理系统100的实施例。这一实施例中，系统100具有一个或多个中央处理单元(处理器)101a、101b、101c等(统称或一般地称为处理器101)。在一个实施例中，每个处理器101可以包括精简指令集计算机(reduced instruction set computer，RISC)微处理器。处理器101通过系统总线113耦合到系统存储器114和各个其它组件。只读存储器(read only memory，ROM)102耦合到系统总线113并且可以包括基本输入/输出系统(basic input/output system，BIOS)，其控制系统100的一些基本功能。
[0036] 图1进一步描述了耦合到系统总线113的输入/输出(I/O)适配器107和网络适配器106。I/O适配器107可以是与硬盘103和/或磁带存储驱动器105或任何其他类似组件通信的小型计算机系统接口(mall computer system interface，SCSI)适配器。I/O适配器107、硬盘103以及磁带存储设备105在此统称为大容量存储器104。用于在处理系统100上执行的操作系统120可以存储在大容量存储器104中。网络适配器106将总线113连接到外部网络116，使得数据处理系统100能够与其他这样的系统进行通信。屏幕(例如显示监视器)115通过显示器适配器112连接到系统总线113，显示器适配器112可以包括图形适配器以改善图形密集型应用和视频控制器的性能。在一个实施例中，适配器107、106和112可以连接到经由中间总线桥(未示出)连接到系统总线113的一个或多个I/O总线。用于连接诸如硬盘控制器、网络适配器和图形适配器之类的外围设备的合适的I/O总线通常包括诸如外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，PCI)之类的公共协议。附加的输入/输出设备被示出为经由用户接口适配器108和显示器适配器112连接到系统总线113。键盘109、鼠标110和扬声器111全部通过用户接口适配器108互连到总线113，用户接口适配器108可以包括例如，将多个设备适配器集成到单个集成电路中的超级I/O芯片。
[0037] 在本发明的示例性实施例中，处理系统100包括图形处理单元130。图形处理单元130是专用电子电路，其被设计为操纵和改变存储器以加速用于输出到显示器的帧缓冲中的图像的创建。通常，图形处理单元130在操纵计算机图形和图像处理方面非常高效，并且具有高度并行的结构，使得其对于并行地处理大块数据的算法而言比通用CPU更有效。
[0038] 因此，如图1中所配置的那样，系统100包括处理器101形式的处理能力，包括系统存储器114和大容量存储器104的存储能力，诸如键盘109和鼠标110的输入装置，以及包括扬声器111和显示器115的输出能力。在一个实施例中，系统存储器114和大容量存储器104的一部分共同存储操作系统，例如来自IBM公司的 操作系统，以协调图1中所示的各个组件的功能。
[0039] 现在转到对本发明的各方面的更详细的描述，图2描绘了根据本发明实施例的尿液pH感测系统。如图2所示，系统200包括导尿管206和pH感测设备204。在本发明的一些实施例中，导尿管206包括位于系统远端的收集容器210。如图所示，导尿管206可以通过尿道202插入到膀胱208中。PH感测设备204可以附接到导尿管206或与导尿管206集成，使得通过导尿管206排出的尿可以在到达收集容器210的路上与pH感测设备204接触。因此，这样的系统可以有利地在尿液离开身体之前并且在它可以与之前的尿液样品混合之前提供尿液的及时pH测量。
[0040] 本发明的一些实施例中(图2中未示出)，在收集容器210内可以包括可选的附加的pH传感器，使得其可被放置成与收集容器210中的尿液接触。通过测量收集容器210中的pH并将其与通过位于导管内的传感器测量的pH进行比较，可以确定除尿液pH以外的其他生理信息。例如，通过测量收集容器210中的pH随时间的变化并将其与通过包括在导尿管206上或导尿管206内的pH传感器204测量的pH相比较，可以推断存在于尿液体积内的细菌的数量。
[0041] 本发明的一些实施例中，pH感测设备204被集成在导尿管206内。本发明的一些实施例中，pH感测设备204是可拆卸的或包括可拆卸部件。例如，pH感测设备204可以包括可拆卸的pH传感器或可拆卸的导线和/或可以无线地与外部设备(例如计算机或智能设备)通信。
[0042] 图3描绘了根据本发明的一些实施例的用于测量尿液的pH的示例性系统300。系统300可以包括pH传感器306。PH传感器306可以包括例如基于FET的pH传感器或基于BJT的pH传感器。系统300还可以包括与pH传感器306通信的信号处理器304。信号处理器304可以可选地经由放大器(图3中未示出)连接到pH传感器306。本发明的一些实施例中，可由pH传感器306产生并由信号处理器304处理并传输到外部设备310。外部设备310可任选地包括pH分析模块314，例如用于进一步分析和记录，以及用户界面，例如显示器312。
[0043] 在本发明的一些实施例中，pH传感器306是嵌入在导管内腔或导管壁内的一次性传感器，这样传感器的至少一部分可以与流动的尿液接触。本发明的一些实施例中，包括电源、微处理器和无线发射器/接收器的控制单元可以无线地或者利用导线(例如可拆卸的导线)连接到pH传感器306。在本发明的一些实施例中，包括可重复使用的控制单元。可重复使用的控制单元可以定位在pH传感器306附近，使得其保持与pH传感器的通信。在本发明的一些实施例中，控制单元被固定到导管的外部(在使用时在身体外部)方面。
[0044] 本发明的一些实施例中，系统包括一个或多个基于FET的pH传感器。可以单独或在一个阵列内提供基于FET的pH传感器。
[0045] 图4示出了根据本发明的一个或多个实施例的基于FET的pH传感器400的示例性阵列。阵列400包括多个基于FET的pH传感器416，其各自可以包括FET硅衬底406以及源极402和漏极404。FET硅衬底406可以包括硅或掺杂硅，例如衬底406可以包括具有轻掺杂p型硅的绝缘体上硅晶片(silicon-on-insulator，SOI)。FET-pH传感器416可以包括氧化物层410。FET-pH传感器416包括在FET硅基底406顶上的栅极电介质420。基于FET的pH传感器阵列400包括参考电极418。参考电极418可以包括例如氯化银。包括pH感测表面412的参考电极418A的栅极408可以被嵌入氧化物层410之内或之上。
[0046] pH感测表面412和参考电极418中的每一个可以具有表面从外部到达基于FET的pH传感器416的表面，这样它们可以被放置成与尿液414接触，例如在导尿管的通道中或收集容器中。图4描绘了其中尿液414被放置成与pH感测表面412和参考电极418接触的实施例。
[0047] 源极402和漏极404可以由通常用于FET器件中的这些部件的材料构成，并且可以通过常规方法形成。源极402和漏极404形成在栅极608的相对侧上。例如，源极402和漏极404可以利用外延生长工艺形成，以将结晶层沉积到FET衬底406上。外延硅，硅锗和/或碳掺杂硅(Si:C)可以在沉积过程中通过添加掺杂剂或杂质来形成硅化物。取决于晶体管类型，外延源极/漏极可以掺杂有n型掺杂剂或p型掺杂剂。在本发明的一些实施例中，源极402和漏极404包括重度硼掺杂的源极和漏极区域。或者，可以通过将掺杂剂掺入到衬底406中来形成源极/漏极402/404。
[0048] 可以在源极402和漏极404以及栅极电介质420上以及栅极408周围形成氧化物层410。氧化物层410可以包括例如低k电介质氧化物。本发明的一些实施例中，氧化物层410包括原硅酸四乙酯(tetra-ethyl orthosilicate，TEOS)氧化物。
[0049] 栅极408和pH感测表面412可以是相同的材料或不同的材料，并且可以包括对pH敏感的任何绝缘材料。本发明的一些实施例中，栅极408和pH感测表面412是相同的材料。pH感测表面412包括pH敏感材料。本发明的一些实施例中，栅极和/或pH感测表面包括二氧化铪(HfO 2)、氧化铝(Al 2O 3)、氧化钒(V 2O 5)、氧化钛(TiO 2)、氧化钨、氮化钛(TiN)或其组合。本发明的一些实施例中，pH感测表面412(栅极的外表面)确定尿液的局部pH。本发明的一些实施例中，pH感测表面412由HfO 2或TiN组成。
[0050] pH感测412表面可以具有任意形状，包括例如针的形状。感测表面可以具有约5至约15微米(μm)，例如约5至约10μm或约5至约8μm的长度或直径。
[0051] 可以根据已知方法进行使用基于FET的pH传感器的pH感测。在操作中，根据本发明的一些实施例，感测信号是漏极电流ID。例如，可以通过将参考电极电压设置为等于栅极电压，将漏极设置为小电压(例如|30mV|)并将源极电压设置为0V来进行测量。可以设置硅衬底在其背面为0V。包括基于FET的pH传感器的设备可以被应用于解决方案，包括例如尿或参考或标准化溶液，使得感测表面和参考电极暴露于流体。漏极电流的测量可用于确定局部pH。
[0052] 本发明的一些实施例中，可以校准包括基于FET的pH传感器的设备以确定感测信号对电压和pH的依赖性。校准后，可以在固定电压下测量漏极电流，并从中计算出pH。
[0053] 图5是描绘用于本发明实施例中的示例性基于FET的pH传感器的漏极电流(ID)与栅极电压VSOL的关系图。图5展示感测信号(ID)对栅极电压和pH的依赖性。可将已知pH值为5、6和8的缓冲溶液(例如100mM浓度的磷酸盐缓冲液)各自施加到基于FET的pH传感器，例如用于本发明的实施例中的基于FET的pH传感器。相对于栅极电压VSOL，ID可以被测量并绘图。
图5示出了每个pH单位的电压为42mV的基于FET的pH传感器。
图5示出了每个pH单位的电压为42mV的基于FET的pH传感器。
[0054] 例如，可以将固定施加电压应用到具有一个或多个基于FET的pH传感器或基于FET的pH传感器阵列的系统，并且可以实时测量感测信号(ID)。根据感测信号，可以很容易地用校准结果计算pH。
[0055] 本发明的一些实施例中，系统包括一个或多个基于BJT的pH传感器。可以单独提供或在一个阵列内提供基于BJT的pH传感器。
[0056] 图6示出了根据本发明的一个或多个实施例的用于在导尿管系统中使用的基于BJT的示例性pH传感器600。BJT-pH传感器600包括硅衬底604和位于硅衬底604上的集电极606。BJT-pH传感器600还包括形成在集电极606上的基极616。可以在基极616上形成发射极
612。
612。
[0057] BJT-pH传感器600可以是NPN型BJT或PNP型BJT设备。材料和掺杂剂极性的选择取决于BJT-pH传感器是NPN型还是PNP型。例如，NPN BJT可以包括重掺杂n型发射极612、p型掺杂基极616和p型掺杂集电极606。本发明的一些实施例中，BJT-pH传感器600是PNP，包括例如重掺杂p型发射极612、n型掺杂基极616和n型掺杂集电极606。
[0058] 硅衬底604可以包括硅或掺杂硅。例如，衬底604可以包括未掺杂硅、p型掺杂硅或n型掺杂硅。
[0059] 集电极606可以包括例如硅，包括掺杂或重掺杂硅(即，比衬底604更重掺杂，衬底604可以被掺杂或不掺杂)。掺杂剂极性可以与衬底604的极性相反。例如，如果衬底604包括p型掺杂硅，则集电极可以包括n型重掺杂硅。本发明的一些实施例中，集电极406包括n型重掺杂砷化镓(GaAs)。
[0060] 基极616可以形成在集电极606上。基极616可以包括例如掺杂硅，例如硅锗(SiGe)。本发明的一些实施例中，硅锗被掺杂或重掺杂(即，比衬底604更重掺杂)。掺杂剂极性可以与集电极606的极性相反。例如，如果集电极606包括n型掺杂或重度掺杂硅，则基极616可以包括p型掺杂或重度掺杂硅锗。
[0061] 发射极612可以形成在基极616上并且可以包括例如硅、多晶硅或砷化镓。发射极612可以包括非常重掺杂(即比集电极606或基极616更重掺杂)的多晶硅。
[0062] 如图6中进一步所示，本发明的一个或多个实施例中，BJT-pH传感器600包括参考电极608和感测表面602。参考电极608可以包括例如氯化银参考电极。感测表面602和参考电极608可以具有从外部可接触BJT-pH传感器的表面，使得它们可以被放置成与流体(例如尿液614)或盐水或缓冲溶液接触。本发明的一些实施例中，根据本发明的一个或多个实施例，当BJT-pH传感器被包括在导管系统内时，感测表面602可被尿液触及。基极616可以经由金属线618电连接到感测表面602。金属线618可以是导电金属线，例如钨线。
[0063] 感测表面602位于氧化物层610上或嵌入氧化物层610内。感测表面602和参考电极608各自具有用于尿液(例如在导管通道或收集容器中的尿液)pH测量的可接触表面。氧化物层610可以由可用于半导体器件中的绝缘的任何基于氧化物的电介质或绝缘材料构成，包括但不限于二氧化硅、氧化铝，氧化铪及其组合。
[0064] 感测表面602可以具有任意形状，包括例如针形。感测表面602可具有约5至约15μm，例如约5至约10μm或约5至约8μm的长度或直径。感测表面602可以是平面的或具有三维形状。
[0065] 本发明的一些实施例中，感测表面602包括导电氮化钛(TiN)。感测表面602可以由任何pH敏感的导电材料构成。本发明的一些实施例中，例如，感测表面602包括沉积在金属线618上的TiN膜溅射。本发明的一些实施例中，感测表面602可以包括铂、氧化钌、氧化铱、导电碳，或其组合。
[0066] 本发明的一些实施例中，尿液pH感测系统包括多个BJT-pH传感器，其中每个BJT-pH传感器包括一个感测表面。本发明的一些实施例中，手术装置包括BJT-pH传感器阵列。
[0067] 图7描绘了根据本发明的一个或多个实施例的用于感测尿液pH值的pH传感器阵列700的一部分的横截面侧视图。阵列700包括多个感测表面602。多个感测表面中的每一个可以连接到金属线618。多个感测表面602和金属线618可以嵌入在氧化物层610内，使得感测表面602具有可被流体(例如导管系统中的尿液)接触的表面。阵列700包括参考电极608。本发明的一些实施例中，阵列700包括一个参考电极608。本发明的一些实施例中，如图7所示，阵列700包括多个参考电极608。
[0068] 根据本发明的一个或多个实施例，pH传感器阵列700可以包括其他组件，例如包括在BJT-pH传感器600中的每个组件。例如，多个感测表面602可以各自经由多个金属线618电连接到一个或多个基极616。本发明的一些实施例中，每个基极616定位在集电极606上，集电极606定位在衬底604上。本发明的一些实施例中，pH感测阵列700包括多个发射极612。
[0069] 在操作中，本发明的一些实施例中，可以使pH感测表面和参考电极(例如基于BJT的pH传感器或基于FET的pH传感器的感测表面)可以与导尿管或导尿管系统的收集容器中的尿液接触。可以实时确定pH，并通过有线连接或无线方式将其传输至外部设备，用于报告和/或记录pH。
[0070] 图8描绘了根据本发明的一个或多个实施例的确定尿液pH的示例性方法800的流程图。如方框802所示，方法800包括接收来自应用于新鲜尿液的BJT-pH传感器的信号。如框804所示，方法800还包括将集电极和参考电极的电压设置为零。如框806所示，方法800还包括将发射极保持在恒定电压。如框808所示，方法800还包括测量集电极电流。如框810所示，方法800还包括基于集电极电流计算尿液pH。如框812所示，方法800还包括将尿液pH传输到外部设备。
[0071] 本发明的实施例可以提供许多技术特征和益处。例如，本发明的实施例可以提供具有高灵敏度的实时pH测量，用于检测受试者状况的变化。通过提供可能受益于医疗干预的多种病症(如肾功能不全、呼吸问题、组织灌注受损或感染)的早期识别，这些测量可以提高受试者的护理标准。本发明的实施方式可以为经历一种或多种导致尿液pH变化的病症的个体提供改善的护理。例如，医疗专业人员可以获得接受治疗的糖尿病患者的pH变化的准确及时的通知。
[0072] 本发明可以是在任何可能的技术细节层面上的集成的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
[0073] 计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0074] 这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0075] 用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在本发明的一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
[0076] 这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
[0077] 这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
[0078] 也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
[0079] 附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0080] 已经出于说明的目的而呈现了本发明的各种实施例的描述，但并非旨在是穷举的或者限于所描述的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。选择本文中使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或市场上发现的技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文描述的实施例。
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