JP4571311B2 - 音ピックアップセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は聴診に関し、特に本発明は、動物又は人間の身体において発生した音をピックアップするための、電気的な出力信号への変換を含むセンサに関する。更に本発明は、完成した電子聴診器に関する。
【０００２】
音原理に基づく聴診器は以前からよく知られており、広く使用されている。補足的な電子増幅装置を備えた伝統的な音聴診器も以前から知られている。水中の動物からの音を記録するための水中聴診器は海中動物の生物学的な研究から知られている。このような技術は本発明の背景を構成し、これらの技術は次のように考えることができる。
【０００３】
伝統的な聴診器は、空気と、ホース又はチューブの種類のものとを通って搬送される音に基づいている。このことは、身体組織から空気への音波の伝達に関連している。空気の圧縮が聴診者の耳で感知される。機器の前端にダイヤフラムが設けられている場合がある。しかしながら、依然として空気への伝達が行われる。いわゆるリットマン聴診器はこのようなタイプの技術の一例である。
【０００４】
伝統的な聴診器には、空気伝送音をピックアップして電子的に増幅するためのマイクロフォンが補足されていることがある。この場合、身体組織からの音が空気へ、更に空気から種々のタイプのマイクロフォンセンサへ伝達される。このような聴診器の製造業者の例としては、Ｌｉｔｔｍａｎ ａｎｄ Ａｒｉｅｌ社があり、日本の製造業者もある。
【０００５】
本願出願人は以前より、皮膚に直接的に接触させられる硬質材料から形成されたピン又はペグを備えた聴診器トランスデューサを製造してきた。この場合、音は身体組織から硬質のペグ材料を介してセンサ内に直接的に伝達される。
更に、水中で動物からの音をピックアップするための水中聴診器、基本形態及び機械構造がよく知られている。このような水中聴診器は、人間及び動物に関連した、生体の内部及び外部のいずれの診断目的にも使用することはできない。
【０００６】
超音波機器は診断分野において広く利用されており、これらの機器はしばしば皮膚への一種の粘性接触手段を使用する。しかしながら、この粘性接触手段は通常、機器自体の一部を形成するものではないとはいえ、例えば機器を皮膚に向かって当てる前に皮膚に塗布されるジェルの形式から形成される。
患者の身体上に配置されるようになっている、心音を聴くための、かつ、低周波音波を検出するための手段が、Ｋｒｏｌｌの名の米国特許第４，６７２，９８６号明細書から公知である。この手段は、皮膚に直接的に接触され、かつ、身体の輪郭に適合する、可撓性のあるダイヤフラムを備えている。流体がこの手段のハウジング内の内部容積を満たしており、この流体内に水中聴診器ユニットがある。Ｋｒｏｌｌの手段の目的は、身体組織とこの聴診手段の材料との間の音的な差を最小化することにより、水中聴診器内への全面的な良好なカップリングを提供することにある。更に、水中聴診器を取り囲む流体が気泡のない液状媒体又は「水中聴診器用ジェル」であることが重要であるという点についても述べられている。
【０００７】
このＫｒｏｌｌは、Ｂｒｅｗｅｒ他の名の米国特許第４，９４７，８５９号明細書における共同発明者でもあり、これには上述のものと同じ考えが更に詳しく述べられている。米国特許第４，９４７，８５９号明細書においては、音トランスデューサは更に発展されており、溶液又はジェルの代わりにポリマ材料が、「パックないし平円盤」に似た機器内の中央に配置されたセンサユニットの周りで使用される。この機器を患者の皮膚上に載せることができる。このポリマ材料は実質上、身体組織に音的に適合される。これら二つの特許は、音特性に関連して身体組織を模倣するようになっている適合材料を利用することが、公知であることを明らかにしている。しかしながら、この適合はそれ以上のことは行わない。バルク状ポリマ内に埋め込まれたセンサユニットは、例えばあらゆる場所からの音によっても影響を受け、いかなる方向性や増幅能力をも有さない。Ｂｒｅｗｅｒ他の聴診手段は極めて軟質なので、望ましい身体に倣って形状を合わせることができる。このことはいかなる関連においても有利ではない。例えば、皮膚に密に係合する、剛性を有するダイヤフラムを先端に設けなければならない場合もある。Ｂｒｅｗｅｒ他は、信号処理を「パック」外部で行うことに依存しており、聴診機器構造は、内向きに放射される電気的なノイズに対するスクリーニング作用を有していない。
【０００８】
本発明の目的は、上述のような従来技術がはらむ欠点を取り除くか又は軽減することにある。従って本発明によれば、本発明の第１の観点において、身体から音をピックアップするためのセンサは、音振動を電気的な出力信号に変換するための音響電子工学的なトランスデューサ部材と、身体表面とトランスデューサ部材との間に適合媒体として配置され、かつその前面が身体表面に直接的に係合するように配置されている粘弾性ユニットとを具備する。このセンサは、前記音響電子工学的なトランスデューサ部材が、粘弾性ユニットの側面を密に取り囲む少なくとも一つの圧電部材によって形成され、前記粘弾性ユニットが筒形の外形を有し、粘弾性ユニットがその後端領域において硬質のバックピースと密に係合している、ことを特徴としている。
【０００９】
本発明の一実施例において、前記音的なトランスデューサ部材は同軸的に配置された二つの圧電箔によって形成され、これら二つの圧電箔はできればそれらの間に、導電性の箔を有している。このような中間の導電性の箔を、両面に接着性を有する導電性テープによって形成してもよい。
一実施例において、前記圧電箔を、隣接する両縁部が接着テープによって固定されるように、粘弾性ユニット周りに位置する平らな箔によって形成してもよい。変更可能には、一つ又は複数の圧電箔は筒形状を有し、かつ粘弾性ユニット上に密に螺着されていてもよい。
【００１０】
センサの変更可能な実施例において、音的なトランスデューサ部材は、圧電効果を有するセラミックスリングによって形成されている。
本発明の好ましい実施例において、前記バックピースと前記粘弾性ユニットの後端領域とが正確に補完的な形状を備え、該形状が、前方を指向する概ね円錐形に形成されたインターフェースを有している。
【００１１】
上に規定したセンサは、電子聴診器内でセンサ素子として有利に使用することができる。
本発明の別の実施例において、スピーカを有するイヤホンを備えたヘッドセットと、センサ素子及び電子増幅回路構造を備えた手持ち式音ピックアップモジュールと、前記モジュールと前記ヘッドセットとの間の接続リード線とを有する電子聴診器が提供され、この電子聴診器はセンサ素子が上に最も一般的に規定したようなセンサであることを特徴としている。
【００１２】
自然に例えば人体において生じる音は、大抵の場合水を含む組織内の圧力変動である。音は種々の器官及びその運動、圧縮、拡張において生じ、また体内の液体流からも生じる。これらの音は体内を通して分散され、特定の場所で測定される周波数は、音源と、体内に存在する種々の減衰及び増幅の可能性との双方に依存することになる。本発明による粘弾性センサの目的は、身体からの音波を組み込み式センサ素子／音響電子工学的なトランスデューサユニット内に、音的な適合／伝達媒体を直接介して伝達し、音圧がトランスデューサ部材の受音域に一様に分配されるように、前記トランスデューサ部材に音波を伝達することにある。更に本発明においては、減衰を最小限にし、できる限り広い範囲の可聴音をトランスデューサ部材内に到達させようとしている。
【００１３】
今述べた構成は、音が空気を通して伝達される全ての公知のセンサシステムとは明らかに異なっており、身体からの音の受音域が著しく広い、ペグを介した接触とも明らかに異なっている。更に本発明は、粘弾性センサが扱い得る周波数をはるかに超えた周波数で作動する超音波型の機器とも区別される。超音波システムは、前述のように、皮膚に接触するために全く異なる形式でジェルを利用する。
【００１４】
更に本発明は、Ｋｒｏｌｌ／Ｂｒｅｗｅｒ他に属する米国特許に示されたような粘性部材における音伝達とも区別される。というのは、本発明の重要な特徴は、著しく異なる幾何学的特徴によって形成されているからである。
このような粘弾性センサは水中聴診器とは異なっている。これは、伝統的な水中聴診器がその外部から音圧を受容するのに対して、この粘弾性センサは内部の伝達媒体で作動し、それにより、より大きな領域が音伝達に関し絶縁されるという聴診器の使用のためにより良好な可能性が提供される、という事実に基づいている。
【００１５】
更に、外部の音に対する不感性は、本発明をなすための基礎を形成する重要な考えの一つである。事故や緊急事態の場合、医師が聴診により診断することが難しい場合がある。なぜならば、機械やエンジンや人の声などから多くの外部の妨害音が届くからである。粘弾性センサが高インピーダンスであるので、外部の空気伝送音が減衰される。このことは医師が身体からの音に集中する助けになる。このような特徴は伝統的な聴診器、又はマイクロフォンを基礎とした聴診器、又は、ペグ装置と関連したダイヤフラムを有する聴診器には見出すことはできない。
【００１６】
「加速度計効果」に対する不感性は、別の新しい特徴である。センサのアイソセンタ的構成によって、粘弾性センサの取り扱い又は操作に基づく機械的な振動から絶縁される。電圧レスポンスを引き起こす方向に働く加速力は、センサ素子に作用する逆方向の力をも誘発し、これにより、逆極性を有する電圧が生じ、こうしてノイズ信号が減衰される。
【００１７】
外部の電磁界に対する良好な絶縁は、診断機能を妨害するおそれのあるノイズの減小に関連して極めて重要である。このことは本粘弾性センサにとって、伝統的な水中聴診器と比較して、新しい特徴である。
以下に本発明を、添付の図面を参照して実施例について述べることにより、より詳細に説明する。
【００１８】
特定の実施例をより細かく見るために、先ず図１を参照する。図１は筒形ないし円筒形の外形を有するコンパクトなボディ２を、側方及び上方から見た状態で示している。円筒形ボディ２は底部側からの開口を備えた内孔／凹部を有している。この内孔／凹部の形状は、図２に示すバックピース１の頂部の形状に対し完全に補完的に形成されている。このバックピースについては下で更に詳細に説明する。円筒形ボディ２は頂面において、概ね平面又は若干円弧状の表面で終わっている。この表面は身体部位からの音を受け取るようになっている表面である。円筒形ボディ２のバルク状部分は実質的に、均質の粘弾性材料２０、好ましくはゴム、から形成されている。即ち、好ましくは、円筒形ボディ２は注型ゴム、好ましくはシリコーンゴムから構成される。
【００１９】
図２には、円筒形ボディ２に協働するように形成されたバックピースないし背面部材１が示されている。硬質のバックピース１はその底／後側の端部に、平板形状の基礎部分１２と、この平板から上方に向かって突出した、幅が狭められた首状部分１３とを有しており、この首状部分はより大きな直径を有する頭部分を支持している。バックピース１のこれらの全ての部分／区分は、円筒形かつ同軸的に形成されているが、頭部分は前／頂側の端部では円錐形表面１１の形状を有している。
【００２０】
円筒形ボディ２の凹部内に頭部分の円錐形先端部１１を押し込むことにより、ゴム塊２０が頭部分と狭窄部分１３との周りにスナップ状に嵌り、粘弾性材料２０がバックピース１に、全ての面に沿って緊密に係合することが明らかである。
バックピース１は好ましくは金属から形成され、一体的なボディとして形成される。このバックピース１の最も重要な品質は、一様な音圧を（特記しない限り）周囲の音響電子工学的なトランスデューサ部材に供給できることである。このことはバックピースの頂／前側部分の円錐形状に裏付けられている。音反射特性、即ち材料が硬質であるという事実に加えて、実際のトランスデューサ部材及びその信号リード線に向かう電磁放射線に対する良好なスクリーニング特性を有していると有利である。従って、バックピース、少なくともその基礎部分１２を金属から製造するのが好ましい。
【００２１】
図３においては、本発明によるセンサ部分の構造の一例が、分解された状態で示されている。２つの頂側部分１，２はそれぞれ、図２及び図１に関連して上述した部分である。次の部分は両面接着テープ３である。これは必ずしも必要ではないが、外側の圧電箔４の取り付けを改善する。この圧電箔は図示の例では、接着テープ３の周りに密に配置されるか又は直接的に粘弾性ボディ２上に配置されるのに適合させられた長さを有する長方形状シートであり、接着テープ片５を使用して強固に保持される。センサ箔４はセンサの音響電子工学的なトランスデューサ部材を形成し、通常、内側及び外側に取り付けられた細い信号リード線（図示せず）を備えている。
【００２２】
ここに示される実施例は２つの圧電箔の使用に基づいたものであり、従って箔４の外側には導電性テープ６があり、この導電性テープも好ましくは両面接着テープである。導電性テープ６は内側の圧電箔４の外面と、導電性テープ６の外側に位置する第２の圧電箔７とを電気的に接続する。接着テープ片５が圧電箔４の開口を横切るのと同様に、接着テープ８が第２の圧電箔７の両縁同士を、互いに他に向けて保持する。
【００２３】
符号９は、両圧電箔のうちの一方の内面及び外面に接続された、箔からの信号電圧を集めて処理するための回路を概略的に示している。この実施例においては、両圧電箔４，７からの信号を使用するために、実際には信号ワイヤが圧電箔４の内側にも通じていなければならない。
図示された圧電箔４，７は図３の実施例においては、円筒形状の周りに配置される長方形状の「シート」として表されている。しかしながら、円筒形箔を使用することも可能である。この場合、円筒形箔を粘弾性ボディ２の外面に密に螺着させなければならない。この作業は若干困難なことがある。
【００２４】
なお、本発明は圧電箔とは別の形式の音響電子工学的なトランスデューサにも適応され、好ましい別のトランスデューサの形式は圧電セラミックスリングである。このリングはセラミックス材料から形成されているので、箔よりも剛性が若干大きいが、同じ原理、即ち内側からの圧力の影響がある場合に外側と内側との間の電圧差を発生させることにより作動する。
【００２５】
図４には、聴診器センサモジュール１５の区分が示されている。この聴診器センサモジュールは、患者の皮膚又は組織表面から直接的に感知するために医師が使用する手持ち式機器である。図３において分解された状態で表されたタイプのセンサ部分１０は、粘弾性ボディ２の前方の概ね平らな表面が例えば皮膚表面に係合して音圧変動を、ピックアップできるようにないし取り出すことができるように、センサモジュールのセンサハウジング１６内に取り付けられた中心部分である。符号１７はセンサモジュール１５のためのハンドグリップ部分又は主ボディを示し、符号１８はモジュール内で信号を処理し増幅するための電子回路構造を概略的に示し、これに対してスイッチ及び警告灯は概ね符号１９によって概略的に示されている。
【００２６】
粘弾性センサの作動モードは、粘弾性ボディ２の前方で組織又は皮膚からの音波をピックアップし、それにより、音が粘弾性／粘性媒体２０内に伝達されるようにすることにある。この粘弾性媒体２０において、音エネルギは音響電子工学的なトランスデューサ部材４，７の内部に向かって可変の圧力又は動圧を形成し、この圧力はトランスデューサ部材４，７内で機械的な引張り力（応力）を発生させ、この引張り力（応力）は次いで、電圧を直接的に発生させる。この場合、電圧は音波と同じ周波数及び位相で変化する。発生された交流電圧は、取り扱い又は他の電子機器への伝達が簡単に行われるように、種々の形式で電子回路１８において増幅し、形状付与し、フィルタリングし、かつ変更することができる信号である。
【００２７】
このセンサについて、人体における通常の診断作業のための聴診器に利用できる形で説明してきた。身体からの音波をピックアップするための接触領域は、センサボディ２の直径を決定することによって、所望のように形成することができる。粘弾性シリコーン材料を取り囲む中度から高度の感度を有する圧電セラミックス製のトランスデューサ部材を利用した本発明の実施態様により、診断作業を実施することもできる。構造及び材料に小さな変更を加えることにより、聴診器における使用と、体内に配置される機器における使用との双方の目的のために、同じコンセプトを実施することができる。センサの作動範囲は２０Ｈｚ〜２２ｋＨｚの音範囲内にあり、特定の目的のために０Ｈｚ〜３０ｋＨｚの範囲に拡張するように選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるセンサの部分を構成する、粘弾性ユニットの一例を示す図である。
【図２】 図１の粘弾性ユニットに適合するように形成されたバックピースを示す図である。
【図３】 センサに含まれる構成部分を明確に示すための分解図でもって、本発明によるセンサの実施例を示す図である。
【図４】 図３に示したセンサと同じ実施例を、センサを聴診器モジュール内に取り付けた状態で示す図である。

Claims (11)

1. 音振動を電気的な出力信号に変換するための音響電子工学的なトランスデューサ部材（４，７）と、
   身体表面とトランスデューサ部材（４，７）との間に適合媒体として配置され、かつその前面が身体表面に直接的に係合するように配置されている粘弾性ユニット（２）とを具備した、身体から音をピックアップするためのセンサにおいて、
   前記音響電子工学的なトランスデューサ部材が、粘弾性ユニットの側面を密に取り囲む少なくとも一つの圧電部材（４，７）によって形成され、前記粘弾性ユニット（２）が筒形の外形を有し、
   粘弾性ユニットがその後端領域において硬質のバックピース（１）と密に係合している、ことを特徴とするセンサ。
2. 前記音響電子工学的なトランスデューサ部材が少なくとも一つの薄い圧電箔（４，７）によって形成されている請求項１に記載のセンサ。
3. 前記音響電子工学的なトランスデューサ部材が同軸的に配置された二つの圧電箔（４，７）によって形成されている請求項２に記載のセンサ。
4. 前記同軸的に配置された二つの圧電箔の間に、中間の導電性の箔（６）が配置されている請求項３に記載のセンサ。
5. 中間の導電性の箔が両面に接着性を有する導電性テープ（６）によって形成されている請求項４に記載のセンサ。
6. 前記圧電箔が、隣接する両縁部が接着テープによって固定されるように、粘弾性ユニット周りに位置する平らな箔によって形成されている請求項２から５までのいずれか一項に記載のセンサ。
7. 一つ又は複数の圧電箔が筒形状を有し、かつ粘弾性ユニット上に密に螺着されている請求項２から５までのいずれか一項に記載のセンサ。
8. 音響電子工学的なトランスデューサ部材が、圧電効果を有するセラミックスリングによって形成されている請求項１に記載のセンサ。
9. 前記バックピース（１）と前記粘弾性ユニット（２）の後端領域とが正確に補完的な形状を備え、該形状が、前方を指向する概ね円錐形に形成されたインターフェースを有する請求項１から８までのいずれか一項に記載のセンサ。
10. 電子聴診器内のセンサ素子としての、請求項１から９までのいずれか一項に記載のセンサの使用。
11. スピーカを有するイヤホンを備えたヘッドセットと、センサ素子（１０）及び電子増幅回路構造（１８）を備えた手持ち式音ピックアップモジュール（１５）と、前記モジュール（１５）と前記ヘッドセットとの間の接続リード線とを有する電子聴診器において、
    センサ素子（１０）が身体からの音をピックアップするためのセンサであり、該センサが、
    音振動を電気的な出力信号に変換するための音響電子工学的なトランスデューサ部材（４，７）と、
    身体表面とトランスデューサ部材（４，７）との間に適合媒体として配置され、かつその前面が身体表面に直接的に係合するように配置されている粘弾性ユニット（２）と、を具備し、
    前記音響電子工学的なトランスデューサ部材が、粘弾性ユニットの側面を密に取り囲む少なくとも一つの圧電部材（４，７）によって形成され、前記粘弾性ユニット（２）が筒形の外形を有し、
    粘弾性ユニットがその後端領域において硬質のバックピース（１）と密に係合している、ことを特徴とする電子聴診器。

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