CN101321497A - 悬臂式生物声学传感器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

感测生物声学能量的传感器，其包括一个壳体，所述壳体包含被构造为在所述传感器使用时与身体部位建立连接的接口部分。在所述壳体上限定了一个锚定结构。换能器构件，其具有一个锚定端和至少一个自由端。所述换能器的所述锚定端连接到所述壳体上，以使得所述换能器构件被布置为优先感测通过所述壳体的所述接口部分(相对于壳体其它部分)传输到所述换能器的生物声学能量。

Description

悬臂式生物声学传感器及其使用方法
技术领域
本发明涉及医疗传感装置，更具体地讲，涉及结合了此类输入为生物声学能量变量而输出转换为其它形式能量的传感器的传感器和装置。
背景技术
已经开发出多种装置来检测人体发出的声音，例如心音。已知装置的范围包括初级机械装置(例如听诊器)到各种电子装置(例如扩音器和换能器)。例如，听诊器是用于诊断心血管系统疾病和病症的基本工具。它是基本保健以及在没有先进医疗设备的地方(例如偏远地区)诊断此类疾病和病症时最常采用的技术。
尽管市面上可购买到多种电子听诊器，但内科医生和其它医疗从业者仍未普遍接受电子听诊器。电子听诊器未被接受的可能原因包括：在诊断病人时会产生干扰临床医生的噪音或假象，以及与放大和复制所关注的某些生物声音相关的限制。例如，一种生物声音可能存在，但其被噪音所掩盖或完全听不到，许多传统电子听诊器不能区别出这两种情况。
影响听诊器性能的噪音可以定义为除所关注信号之外的所有信号。噪音有多种类型，例如包括外部或环境噪音、与听诊有关的噪音、听诊器电子线路产生的噪音以及病人身体产生的生物性噪音。
因此一种需要灵敏度和稳健性得到改善的生物声学传感器。还需要这种传感器可以结合在各种类型的医疗传感装置(例如听诊器)中，以提供相对于传统实施方式更大的信噪比。本发明满足了这些需要及其它需要。
发明内容
本发明涉及感测生物声学能量的传感器及其使用方法。根据本发明的一个实施例，感测生物声学能量的传感器包括一个包含接口部分的壳体。壳体接口部分被构造为在传感器使用时可与身体部位建立连接。换能器构件包括至少一个自由端和一个锚定结构。换能器构件在单个锚定位置处通过锚定结构固定连接到壳体上，以使得换能器构件被设置为优先感测通过壳体接口部分(相对于壳体其它部分)传输到换能器的生物声学能量。至少一个导体连接到换能器构件上。
锚定结构可以包括一个适应性连接结构，其被构造为可适应性地将换能器构件连接到壳体上。锚定结构可以包括一个被构造为可刚性地将换能器构件连接到壳体上的刚性连接结构。例如，锚定结构可以包括含有第一末端和第二末端的基座。基座的第一末端可以连接到壳体接口部分，基座的第二末端可以连接到换能器构件。锚定结构可以限定壳体的一体结构。
传感器的壳体可以被构造为在使用时可手持连接到身体部位。传感器可以包括连接到壳体并被构造为在使用时可在壳体与身体部位之间建立连接的固定结构。例如，传感器可以包括连接到壳体并被构造为在使用时可在壳体与身体部位之间建立粘接的粘附结构。
换能器构件可以仅包括一个自由端，或者可以包括两个或更多个自由端。连接到换能器构件的导体可以包括至少一个电导体。在另一个构造中，连接到换能器构件的导体可以包括至少一个光导体。光导体可以连接到换能器电路上。换能器电路可以远离传感器，并被构造为可将接收到的光信号转换为输出电信号。换能器电路可以连接到一种或多种电子-声音换能器上，例如耳机。换能器电路可以连接到一个接口上，该接口被构造为可将换能器电路连接到远离传感器的电子装置上。
传感器壳体可以包括一个基座和一个盖子。基座可以包括接口部分，盖子可以通过适应性连接结构与基座连接。盖子可以包括吸声材料。壳体接口部分的刚度范围可以从相对柔韧到相当坚硬或刚性。壳体接口部分可以包括聚合材料、金属或合金、复合材料或者陶瓷或晶体材料，或者由这些材料组成。
换能器构件可以包括第一和第二相对主表面。换能器构件的第一和第二主表面可以与壳体接口部分大致平行。换能器构件优选地被构造为可感测由生物源头物质产生的声音。换能器构件可以被构造为用于听诊。
传感器可以包括被构造为修改换能器构件频率响应的结构。例如，可以在紧邻换能器构件自由端的地方设置质量元件。在一个具体实施中，质量元件可能包含可磁化的材料。可以构造一个能与质量元件的可磁化材料发生磁相互作用的磁体结构。磁体结构可以被构造为有利于调整磁体与质量元件的可磁化材料之间的相互作用。
换能器构件优选地被构造成响应于换能器构件的变形，可调制或生成电信号。换能器构件可以为平面或非平面，例如在弯曲或波纹形构造的情况下。换能器构件可以包含压电材料，例如压电薄膜或者压阻材料或元件。换能器构件可以包括一个或多个应变仪或者一个或多个电容元件。
根据另一个实施例，传感器单元可以包括本文所述类型的多个换能器构件。每个换能器构件均可被构造为具有不同于传感器中至少一个其它换能器构件的频率响应。例如，每个换能器构件都具有一个刚度、重量、形状和厚度，而每个换能器构件的刚度、重量、形状和厚度中至少有一个可以不同于传感器中至少一个其它换能器构件的刚度、重量、形状和厚度。在一个构造中，每个换能器构件通过壳体由公用的锚定结构所支承。在另一个构造中，每个换能器构件通过壳体由单独的锚定结构所支承。
可能会提供增益控制电路，以使得可以选择性地调节每个换能器构件的增益响应。可能会提供噪音消除电路，该电路可以包括设置在壳体内除壳体接口部分之外其它地方的辅助换能器构件。噪音消除电路可以连接到换能器构件和辅助换能器上。
可以实现包括本文所述类型传感器的听诊器。该传感器可以包括一个换能器构件或多个本文所述类型的换能器构件。可以实现包括一个或多个本文所述类型传感器的头盔，而且头盔可以包括噪音消除电路。
可以实现包括通信电路的传感器，该电路被构造为有利于传感器与壳体外部装置之间的有线或无线通信。传感器可以包括信号处理电路，例如连接到换能器构件的数字信号处理器。信号处理电路可以被构造为可过滤和/或分析换能器构件产生的输出信号。
根据另一个实施例，感测生物声学能量的传感器包括壳体，该壳体包含被构造为在传感器使用时可与身体部位建立连接的接口部分。传感器还包括包含锚定结构的换能器构件。换能器构件通过锚定结构固定连接到壳体上，以使得换能器构件被设置为优先感测通过壳体接口部分(相对于壳体其它部分)传输到换能器的生物声学能量。一个或多个导体可连接到换能器构件上。锚定结构可以被构造为在换能器构件的两个或更多个间隔开的锚定位置处将换能器构件固定连接到壳体上。
根据另一个实施例，一种感测生物声学能量的方法涉及在传感器接口部分与产生生物声学能量的身体部位之间建立连接。该方法还涉及响应于生物声学能量，刺激设置在传感器壳体中且可以在悬臂模式下操作的换能器，。该方法还涉及响应于换能器的刺激，由换能器调制或生成信号。
建立连接可能涉及在传感器壳体的接口部分与身体部位之间建立手持连接。接口部分与身体部位之间的连接可以通过可固定到身体上的粘附或约束结构建立。
由换能器调制或生成的信号可能是电信号，该方法可能还涉及将电信号转换为光信号并将光信号传输到远离传感器壳体的地方。可以修改换能器构件的频率响应。可以使用换能器构件和至少一个辅助换能器构件执行噪音消除。可以在设置在传感器壳体内的装置与传感器壳体外的装置之间建立通信。可以通过由换能器调制或生成的信号执行各种形式模拟和/或数字信号的处理和/或分析。
上述关于本发明的发明内容并非旨在描述本发明的每个实施例或每个具体实施。通过参见以下具体描述和权利要求并结合附图，将显而易见地了解本发明的优点和成效，并更全面地理解本发明。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例，结合了安装有换能器以在悬臂模式下操作的传感器的图示；
图2是根据本发明的一个实施例，结合了安装有受力式换能器以在悬臂模式下操作的传感器的图示，图2还示出了可以用于执行噪音消除的光学辅助换能器；
图3是根据本发明的一个实施例，结合了受力式换能器和磁控结构的传感器的图示，其中安装受力式换能器的目的是在悬臂模式下操作，磁控结构与受力式换能器发生磁相互作用以修改换能器的频率响应；
图4是根据本发明的一个实施例，结合了多个换能器组件的传感器的图示，其中每个换能器组件的换能器被构造为具有不同于传感器中其它换能器的频率响应；
图5是根据本发明的一个实施例，结合了安装在公用锚定结构上的多个换能器的传感器的图示，其中换能器被构造为具有不同于传感器中其它换能器的频率响应；
图6是根据本发明的一个实施例，结合了安装在壳体中的换能器的传感器的图示，其中壳体包括在使用时形成壳体与身体部位之间紧密连接的粘结剂层；
图7是根据本发明的一个实施例，结合了安装在壳体中的换能器的传感器的图示，其中壳体包括在使用时形成壳体与身体部位之间紧密连接的弹性固定结构；
图8是根据本发明的一个实施例，结合了安装在壳体中的换能器的传感器的图示，其中壳体形状被构造为易于手动操作，以有利于在使用时壳体与身体部位之间形成紧密连接；
图9a示出了结合了本发明传感器的听诊器；
图9b示出了结合了本发明传感器的头盔；
图10是根据本发明的一个实施例的传感器的电路框图；
图11是根据本发明的一个实施例，由使用光纤的传感器生成的通信信号的电路图；以及
图12a-12f示出了根据本发明的实施例的各种可用传感器构造。
虽然本发明具有各种修改和替代形式，但其特性将通过附图中实例的方式显出并详尽描述。然而应当理解，其目的不在于将本发明限定为所述具体实施例。相反，其目的在于涵盖如附加权利要求所限定的在本发明范围之内的所有修改形式、等同物及替代形式。
具体实施方式
在以下举例说明的实施例的具体实施方式中，请参考作为实施例组成部分的附图，附图以图示的方式示出了实践本发明的多个实施例。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用实施例，并可以进行结构上的更改。
本发明涉及被构造为对生物来源物质产生的声音敏感的传感器。传感器和结合了此类传感器的装置包括那些被构造为听诊设备的传感器和装置，例如可以被构造为对心脏、肺、声带或其它人体器官或组织产生的声音敏感。以举例的方式，本发明的传感器可以结合在可感测身体产生的声音的电子听诊器、头盔或者其它外戴或连接的设备或仪器中。本发明的传感器还可以被构造为暂时或永久固定在身体内，例如植入体内的心音或肺音监控器。
本发明的传感器可以被实施为优先感测与人类听觉相关的频率范围。然而应当理解，本发明的传感器也可以感测低于和/或高于听觉范围频率的身体声音相关频率。例如，本发明的传感器可以被实施为感测频率在刚刚高于DC与约25kHz范围之间的身体声音。本发明的传感器可以产生在听觉频率范围之内听得见的输出，或者可以制成包括高于和/或低于听觉频率范围内容的电子或光学传感器。
本发明的生物声学传感器优选地结合了被构造为响应于换能器变形，可调制或生成电子信号的换能器。合适的换能器是那些结合了压电材料(有机和/或无机压电材料)、压阻材料、应变计、电容或感测元件、线性可变差动变压器以及可调制或生成电子信号以响应变形的其它材料或元件的换能器。换能器可以为平面或非平面，诸如在弯曲或波纹形构造的情况下。合适的压电材料包括聚合体膜、聚合体泡沫、陶瓷、复合材料或者它们的组合。另外，本发明可以结合相同或不同换能器类型和/或不同换能器材料的换能器阵列，所有换能器可以串联、单独连接或以多层层状结构连接。
已经发现的是压电薄膜对于感测生物声学能量是一种极为有用的转换材料，尤其是在应用于被构造为在悬臂模式下操作的换能器时。适合本发明生物声学传感器的压电薄膜是可得自MeasurementSpecialties，Inc.(Hampton，VA)的MINISENSE-100。用于本发明生物声学传感器的结合了压电薄膜的合适换能器在美国专利公布No.2003/0214200中有所公开，所述专利公布在此以引用的方式并入本文。
本文所构思的悬臂式换能器包括一个锚定端或位置及至少一个自由端。在多个实施例中，本发明的悬臂式换能器包括一个锚定端和一个自由端。在其它实施例中，本发明的悬臂式换能器包括一个锚定端和一个以上的自由端。此类实施例的例子将在下文讨论。
发明人已发现与非悬臂式换能器结构相比，结合了悬臂式换能器(已锚定到有足够完整性的壳体上)的生物声学传感器显著提高了灵敏度。此类悬臂式换能器的灵敏度可以通过在紧邻换能器自由端处增加质量元件得到进一步提高。在一个涉及使用压电薄膜换能器的试验中，通过在悬臂模式下操作换能器以及向换能器自由端添加质量元件使传感器的灵敏度提高了20多倍。
现在参阅附图，图1示出了根据本发明的一个实施例，结合了安装有换能器以在悬臂模式下操作的传感器。根据图1的实施例，传感器10包括壳体12，换能器组件11通过锚定结构18安装在该壳体中。换能器组件11包括换能器14，该换能器由锚定结构18支承，或换句话讲安装在锚定结构上。换能器14包括一个或多个可与一个或多个导体16连接的电触点。导体16通常是电导体或电线，但作为另外一种选择，也可以是连接到电-光换能器电路上的光纤，如在下文中所讨论的一个实施例的情况下。
在图1所示实施例中，换能器14以能在悬臂模式下操作的方式安装在壳体12上。构思了许多允许在悬臂模式下操作换能器14的安装构造。图1所示的换能器14有一个自由端17和一个锚定端19。锚定端19连接到锚定结构18上。
根据图1所示实施例的锚定结构18包括基座20，该基座一端固定到壳体12上，另一端连接到换能器14的锚定端19上。基座20的高度可能与图1所示不同，但必须在换能器14的自由端17与壳体表面或操作时可能阻碍传感器10的其它结构之间提供足够的间隙。可以使用刚性或适应性固定结构22(例如环氧基树脂、化学粘结剂、焊接或锡焊接头、螺丝钉/螺母、铆钉或其它机械连接或者压敏粘结剂)将基座20固定在壳体12上。合适的固定结构22可以包括可得自3M(St.Paul，MN)的No.924 Scotch Adhesive Transfer Tape或No.DP100 Scotch Weld epoxy adhesive。
据信较少的适应性固定结构应能够更好地将振动从壳体接口部分13传递到基座20和换能器14上。基座20或其它形式的锚定结构18可以限定壳体12的一体结构，例如在壳体12模铸时形成的壳体12内表面上的突起。
换能器14的锚定端19可以枢转或固定方式安装在基座20上。换能器14的构造使得自由端17与锚定端19限定的区域可挠曲以响应作用在换能器14上的力。换能器14在挠曲期间的变形有利于电信号的调制或生成。换能器14优选地结合压电材料，以将换能器14的机械变形转换为可测量的电参数，尽管如前面所讨论的那样曾设想采用其它材料和换能器。
通过非限制性实例，取决于换能器14的构造、所用压电响应材料的类型以及压电响应材料的变形方向和方式，可以在位于压电响应材料各个区域的电极上产生有用的电响应。例如，可以对导电聚合物、金属箔或者包含压电响应材料的导电涂料层合材料或夹层材料进行电连接。由此类压电响应材料产生的可测量电参数包括电压、电流或电阻变化。
已经知道的是某些半结晶性聚合物(例如极化含氟聚合物聚乙二烯氟化物(PVDF))具有可能包括压电响应在内的压电响应特性。PVDF用于各种传感器中，以产生由力或位移决定的电压。聚合物树脂压电材料非常有用，因为聚合物可作为兼具柔韧性和弹性的感测元件，并在受力时产生代表可复原的偏倚变形的输出信号。
在一个实施例中，换能器14包括一个作为感测元件的合适压电聚合物薄长条。对换能器14的感测元件进行取向，以使得长条可能受到挠曲，进而导致感测元件压缩或张紧以响应所施加的力。与感测元件进行电接触，产生电压信号以响应力。换能器14感测元件的变形改变了聚合物链或半结晶晶格结构中电荷的相对位置，因此产生了振幅与感测元件变形大小相关的(例如按比例相关)的电压。
图1所示的壳体12包括接口部分13。如图所示，生物声学信号SBS(例如从身体内产生的)射入接口部分13。壳体接口部分13被构造为在传感器10使用时可与身体部位建立连接。例如，接口部分13可能是接触病人胸部或覆盖胸部衣物的壳体12的表面。壳体12还包括非接口部分15，该部分可能是传感器10使用时面向周围环境的壳体13的一个区域。非接口部分15可以是可分开的盖子，该部分可以结合吸声材料或其它振动衰减材料或结构。
换能器组件11安装在壳体12内，以使得换能器14优先感测通过接口部分13(相对于壳体12的其它部分，例如非接口部分15)传输至换能器14的生物声学能量。例如，在如图1所示的构造中，换能器14有两个相对的主表面21a和21b。换能器组件11安装在壳体12内，以使得换能器14的主表面21a和21b大致平行壳体14的接口部分13。其它取向可能取决于具体换能器和壳体的特征和特性。换能器14与壳体12的接口部分13之间的优选取向是那些可提高信噪比的取向。
壳体12的接口部分13优选地由有利于将振动从接口部分13传递到换能器14的材料形成或掺入这些材料，此类振动由身体产生并射入壳体12的生物声学能量所引起。接口部分13优选地具有足够的完整性以支承换能器14。已经发现的是可以使用多种具有不同柔韧性的材料，范围从相对柔韧到相当刚性。
接口部分13的合适或可用材料包括聚合材料、金属(含合金)、复合材料、晶体材料或陶瓷材料。例如，合适或可用的材料包括粘弹性材料、泡沫(如开孔聚氨酯低密度泡沫)、热塑性材料、热固性材料、纸质材料(如纸板)及矿物质材料(如云母)。其它实例包括聚碳酸脂、苯乙烯、ABS、聚丙烯、铝及其它塑料和金属合金片。应当理解，本材料清单仅为作示例性用途，而并非详尽地确定所有合适或可用材料。
据信使用相对刚性的材料制成的接口部分13可提高换能器14对生物声学信号的灵敏度。据信有多种材料和刚度可提高换能器的灵敏度。
传感器10的性能可以通过添加被构造为修改换能器14的频率响应的结构得到增强。此类结构可以是换能器14的特定形状、刚度、重量或厚度。更改这些参数中的一个或多个可以修改换能器14的频率响应。例如，在一个包括多个换能器的传感器应用中，每个换能器均可以通过具有不同于传感器中其它换能器的刚度、重量、形状和厚度中的至少一个，来提供不同的频率响应。
图2示出了根据本发明的一个实施例，结合了安装有受力式换能器以在悬臂模式下操作的传感器。该实施例与图1所示实施例类似，但在紧邻换能器14的自由端17的地方添加了质量元件24。已经发现的是添加质量元件24可提高换能器14的灵敏度。此外，换能器14上存在质量元件24会影响换能器14的频率响应。已经发现的是改变质量元件的重量和/或位置会改变换能器14的频率响应。可以利用该现象调整给定换能器14的频率响应，以提高所关注具体频率范围的灵敏度。
例如，传感器10的第一换能器可以承受适当的力以优先感测心音，而传感器10的第二换能器可以承受适当的力以优先感测肺音。在其它实例中，传感器10的第一换能器可以承受适当的力以优先感测在10至200Hz频率范围内与正常心脏脉瓣关闭活动相关的声音，而传感器10的第二换能器可以承受适当的力以优先感测在10至700Hz范围内与非正常心脏脉瓣关闭活动(如脉瓣狭窄)相关的声音。
图2还以虚线显示了安装在壳体12内的可选辅助换能器6。辅助换能器6优选用于实现传感器10的噪音消除方法。例如，辅助换能器6可以安装在可优先感测环境噪音的壳体位置上。如图2所示，辅助换能器6安装在壳体12的非接口部分15(如盖子)上。在该构造中，辅助换能器6优先感测由环境噪音射入壳体12的非接口部分15而产生的振动。由辅助换能器6调制或生成的信号可以用于消除换能器14调制或生成的可归于环境噪音的信号内容。
可以使用各种利用由辅助换能器6及换能器14调制或生成的信号影响噪音消除的已知方法。辅助换能器6可以与换能器14具有相同或类似的结构和构造，或者可以具有不同的结构和构造。
图3是根据本发明的一个实施例，结合了受力式换能器和磁控结构的传感器的图示，其中安装受力式换能器的目的是在悬臂模式下操作，磁控结构与受力式换能器发生磁相互作用以修改换能器的频率响应。根据该实施例，在紧邻换能器14自由端17的地方放置磁体或可磁化材料质量元件34(例如铁磁体重量块)。
所示频率响应调整机构35包括连接到致动器38上的磁体36。磁体36可以是永久磁铁或电磁体。致动器38与磁体36配合以调整磁体36与质量元件34所限定磁场的强度。例如，可以改变磁体36与质量元件34的相对位置，以调整磁体36与质量元件34所限定磁场的强度。磁体36与质量元件34的相对位置改变可以连续变化或逐步变化。在使用电磁体的情况下，可以调整电源电流以改变磁场强度。
磁体36与质量元件34的相对位置会影响换能器14的阻尼，从而改变换能器14的频率响应。例如，随着磁体36的位置接近质量元件34，换能器14对高频率声音将更为灵敏。随着磁体36的位置远离质量元件34，换能器14对低频率声音将更为灵敏。可以驱动(以机械或自动方式)频率响应机构35，以有效调节换能器14的频率响应，从而让临床医生优先检测具有不同频率特征的身体声音(如心音)。给定传感器10中可以使用一个或多个频率响应机构35。
图4是结合了多个换能器组件11a-11n的传感器10的图示。每个换能器组件11a-11n的换能器14a-14n被构造为具有不同于传感器10中其它换能器14a-14n的频率响应。如先前所讨论的那样，换能器14的频率响应由几个参数控制，其中影响最大的是换能器14的有效转换元件的形状、刚度、重量和厚度。改变这些参数中的一个或多个可修改换能器14的频率响应。在图4所示的实施例中，每个换能器14a-14n的质量元件34a-34n具有不同的重量，从而导致每个换能器14a-14n具有不同的频率响应。应当理解需要注意避免或过滤随后的串扰，可能会在不同换能器组件11a-11n中发生串扰。
应当认识到可更改换能器组件11a-11n中的其它参数，例如换能器14a-14n上质量元件34a-34n的位置，以获得不同的频率响应和/或灵敏度。图4示出了换能器组件11a-11n上的其它元件，可以改变这些元件，例如锚定结构18a-18n的基座高度，以提供不同的频率响应特性和/或灵敏度。壳体12，更具体地讲，接口部分13，可能包括在换能器14a-14n的阵列中提供不同频率响应的特征。例如，可以更改支承每个换能器14a-14n的接口部分13的一个区域的厚度、材料或其它方面。可以将形状或材料改变的元件插入接口部分13，以便能以所需方式影响每个换能器14a-14n的频率响应和/或灵敏度。如此，至少支承或影响每个换能器14a-14n的区域内的壳体结构或材料具有部分差异，才可以使多个换能器14a-14n获得不同的频率响应和/或灵敏度。
图5是结合了多个可以安装在公用基底上的换能器14a-14n的传感器10的图示。在该示例性实施例中，每个换能器14a-14n具有不同于传感器10中其它换能器14a-14n的长度。该实施例中换能器14a-14n的质量元件34a-34n的重量相同，应当理解质量元件34a-34n可以具有不同的重量和位置。换能器14a-14n的长度变化可提供对不同频率身体声音的灵敏度。
图5示出了多个安装在公用基底上的离散换能器元件51a-51n。每个离散换能器元件51a-51n位于换能器14a的不同位置上。因此，每个离散换能器元件51a-51n可以感测不同频率的刺激。换能器元件51a-51n可以为相同类型和大小，或者其这些特性或其它特性可以不同。应当理解，给定多换能器组件的各个换能器优选地通过单独的通道连接到传感器的感测/检测电路或处理器上，其中每个通道都具有合适的缓冲。尽管此类通道通常由每个换能器的一个或多个专用导体所限定，但可以采用各种时间或频率多路复用技术来降低传感器配线方案的复杂程度。
例如，临床医生容易认识到检测相关心脏症状和基于听诊器所听到声音进行诊断是需要多年积累才能获得并提升的技能。通过声学检测非正常心脏活动的任务非常复杂，因为心音在很短的时间段内经常彼此不同，并且表征心脏异常的信号通常比正常心音更不易听到。
据报道，医科学生正确识别心杂音的能力很差。在一项研究中发现，仅13.5±19.8％的学生能够正确诊断出心杂音，并且这一情况并未通过后续数年的课程、心音示范及随后临床实践的培训而得到改善。心理声学实验还发现，声音需要被重复1200至4400次才能使大脑识别出它们的差异。已经运用该信息进行了一些研究，以评价心音重复对医生正确诊断能力的影响。其中一项此类研究是让51个医科学生医生诊断四种基本心杂音，每种杂音重复500次。在听诊水平方面观察到了显著提升(85±17.6％)，这表明重复所关注心音约500次可提高正确识别基本心杂音的水平。
应当理解已知有40多种不同的心“杂音”。因此对于医生而言，听每种心音500次并记住40种已知心音中的每一种将成为一种挑战，因为如果长时间不听某种声音，大脑就可能失去对该声音的记忆。
心脏听诊诊断技能的下降造成了病人和医生都依赖替代诊断方法的局面。被报道几乎80％心脏病专家认为的病人都具有正常心音或良性心杂音。此类错误造成病人和心脏病专家时间和金钱的极大浪费。
本发明的生物声学传感器可以应用于感测不同类型和特性的心音。例如，一个传感器可以结合几个换能器，其中每个优先感测与一个或几个已知心音相关的一个频率或一个频率范围。例如，可以“调谐”个别换能器以检测特定的心杂音。可以采用整流或扫描技术，通过该技术，能够选择性地启用换能器阵列中的每个换能器，以便临床医生聆听声音或输出至显示/听觉装置，例如通过使用无线通信连接。
在一个更复杂的具体实施中，可以发展出40种或更多种已知心音的声音轮廓(如信号形态学轮廓或频谱轮廓)。处理器(例如数字信号处理器)可以将检测到的心音与此类轮廓库中的心音轮廓进行比较，以确定病人产生的特定心音存在或不存在。可以采用各种算法(例如相关性或模式识别算法)进行比较。
本发明的生物声学传感器10具有调整频率响应的能力，这一能力有利于让单个传感器对较宽频谱范围内的身体声音具有宽频带灵敏度，并且具有锁定所关注具体身体声音频率的能力。
图6是结合了设置在壳体12上的换能器组件11的传感器10的图示。壳体12包括一个粘结剂层48，该层在使用时可紧密而牢固地连接传感器12和身体部位。粘结剂层48上可以覆盖一层可剥离式衬里49，可以在使用传感器10前移除该衬里。粘结剂层48优选地形成传感器10与病人身体(如皮肤或外衣)之间的良好声学接合。可以采用各种已知的粘结剂和可剥离式衬里结构。例如，可以采用与粘结心电图(ECG)电极构造时使用的压敏粘结胶带类似的粘结剂，此类粘结剂可粘到皮肤上。一种此类胶带是可得自3M(St.Paul，MN)的带粘结剂的Micropore胶带，No.9914，无纺布皮肤胶带。根据图6构造的传感器可能在一次性传感装置的应用中特别有用，例如一次性听诊器。
如图6所示的壳体12是包括基座40和盖子42的两部分壳体。基座40优选地由相对刚性的材料制成，因为如上文所述基座40结合了接口部分。盖子42可以由与基座40相同或不同的材料制成，并通过一个已知的连接结构连接到基座40上。基座40与盖子42之间可能会形成适应性接口44。适应性接口44由可衰减沿着或通过盖子42传递的振动的材料制成，这些振动通常由周围环境中的来源产生。此外，如先前所讨论的那样，盖子42可以由有助于减少因环境噪音而产生的换能器刺激的吸声材料制成。在盖子42与基座40之间提供振动隔离/衰减有利地衰减了由此类环境源(如非身体产生的声音)产生的振动，从而提高了传感器10对身体产生声音的灵敏度。
图7是结合了具有固定结构50的壳体12的传感器10的图示。固定结构50有利于在使用时将传感器10固定在病人身体部位上，并且在使用后易于取下。在图7所示的实施例中，固定结构50包括一条或多条可将传感器10连接到壳体12上的松紧带54。松紧带54具有足够的长度和弹性以在所关注的病人身体部位周围延伸。松紧带54的末端具有合适的连接结构，以便在使用时让传感器10与病人可靠地接合。在一个可供选择的构造中，固定结构50可能包括一条或多条胶带，这些胶带可以是(弹性或非弹性)胶带，也可以是图7所示的带子54。
在一个具体实施中，如图7所示，可以从固定结构50上移除传感器10。例如，壳体12与松紧带54之间可以具有一个钩环接口52。使用此类钩环接口52有利于从固定结构50上轻松地移除和更换传感器10。以举例的方式，临床医生可以使用几个传感器10，其中每个都构造为可感测一种特定的身体声音。可以在诊断病人期间相对容易地交换传感器10，而无需调整或移除固定结构50。
图8是根据本发明的一个实施例结合了壳体12的传感器10的图示，壳体的形状被构造为易于手动操作，以有利于在使用时手动连接壳体12和身体部位。可以针对传感器的具体用途符合人体工程学地定制壳体12的形状。图8所示的壳体12可以有利于简化传感器10的手持操作。例如，临床医生可以握住壳体12的手柄突出部分80，将壳体接口部分13连接在病人的皮肤或外衣上。临床医生可以在诊断期间将传感器10置于合适的位置。应当理解也可构思其它壳体形状。
图9a示出了结合了本发明传感器的听诊器的图示。听诊器90是电子听诊器，其被构造为包括传统元件，例如一对耳塞95a和95b、一对耳管97a和97b和一个主管93。主管93连接到主壳体115上，主壳体内设置了一个先前所述类型的传感器10。主壳体115内可能设置的其它元件包括电源92、信号处理电路94和通信装置112。
信号处理电路94可以对接收自传感器10的生物声学信号进行更复杂的分析，例如先前所讨论的身体声音轮廓匹配。信号处理电路94可以对由传感器产生的信号进行各种形式的统计分析。在此类构造中，信号处理电路94可以包括数字信号处理器。作为另一种选择或除此之外，外部系统114可以执行所有或部分此类信号处理和分析。外部系统114可以包括显示、声音系统、打印机、网络接口和通信接口，其中通信接口被构造为可与设置在听诊器90主壳体115内的通信装置112建立单向或双向通信。
通信装置112可以用于建立传统射频(RF)连接，正如本领域的人员所知的那样，该连接通常用于实现本地与远程系统之间的通信。通信装置112与外部系统114之间的通信连接可以使用短程无线通信接口来实现，例如符合已知通信标准的接口，诸如蓝牙标准、IEEE 802标准(如IEEE 802.11)或者其它公共或专利无线协议。
图9b示出了结合了本文所述类型传感器10a和10b的头盔91。根据图9b所示的实施例，可以应用传感器10a和10b以增强头盔91的佩戴者的听力，而且可以进一步消除环境噪音，例如结合图2以先前所述的方式。可以应用传感器10a和10b或其它传感器以起到声音拾取的作用，其性能可以通过先前所述类型的环境噪音消除功能得到增强。可以应用的包括本发明的一个或多个传感器的各种装置和设备在美国专利No.4,756,028、5,515,865、5,853,005和D433,776中有所公开，这些专利在此均以引用的方式并入本文。
图10是显示根据本发明的一个实施例的传感器10的各种元件的框图。根据图10所示的实施例，通常根据不同配置，将一个或多个先前所述类型的传感器10连接到放大器102上。在采用了几个传感器10或多个换能器的具体实施中，每个传感器或换能器可能连接到一个单独的放大器102上。放大器102可以包括位于换能器组件上的第一阶放大器，例如在换能器的锚定端上或附近。如果需要，该第一放大器阶可以起到主要将换能器(例如压电换能器)的高阻抗转换为不易受噪音影响的低阻抗的作用。第二阶放大器可以用于放大由第一阶输出端产生的输出信号。
信号处理电路104可以连接到放大器102上。信号处理电路104的复杂程度可以从简单到复杂。例如，信号处理电路104可以包括一个中心频率为60Hz的简单陷波滤波器，以衰减由公用电源产生的噪音。信号处理电路104可以包括一个或多个可提高所关注换能器信号内容的灵敏度和/信噪比的带通滤波器。
可以在输出信号上使用更复杂的滤波器，以更好地检测所关注的具体身体声音。此类滤波器可以包括模拟和/或数字滤波器。相对复杂的模拟和数字处理器可以用于进行更复杂的信号处理，例如模式识别、源分离、特征相关性和噪音消除。
通信装置112可以连接到放大器102的输出端上。通信装置112可以是先前所述可在通信装置112与外部系统之间形成通信连接的类型。电源110为传感器的有源元件提供电能。可以结合处理器/控制器117以与图10所示元件的各种功能配合。放大器102的输出108产生的输出信号通过导体106传送至下游元件，其中导体可以是电导体或光导体。
处理器/控制器117可以被构造为可执行各种诊断和校正操作。例如，可能期望它来平衡给定传感器每个换能器的增益响应。还可能期望它来执行频率响应校正以“调谐”或调整换能器的频率响应。可以在例行校正期间调整每个换能器的增益和/或频率响应，以使得每个传感器都处于预设振幅和/或呈现出期望的频率响应。可以在传感器使用前或使用期间开始校正，而且可以与处理器/控制器117配合。在一个构造中，传感器(内部或外部)可以包括刺激源以生成具有已知特性的刺激信号，从而相对简单和准确地校正换能器增益和/或频率响应。
根据一个实施例，如图11所示，可以在换能器11上或附近应用阻抗转化放大器118，该换能器与模拟光纤发射器119直接相连。光纤发射器119的输出与导光器116连接，而导光器116与接收器电路120连接。接收器电路120包括将由导光器116传输的光信号转化回电信号的模拟光纤发射器122。光纤接收器122的输出连接到电路124，该电路可以包括附加放大装置、信号处理和/或记录由导光器116传送的信号/数据的系统。接收器电路120可以通过电连接或无线连接126连接到附加装置或电路130上。附加装置或电路130可以是声音输出装置(例如耳机)、电子信息设备(例如PDA或PC)、显示装置或网络接口。
图11所示的壳体包括压电换能器14，该壳体可以包括一块小电池以为阻抗转化放大器112和光学发射器114提供能量，或者两小条可与导光器或电缆116并成一束的电线以为这些和其它有源元件提供能量。
信号调节或处理电路可位于换能器11上、附近或与其形成一个整体。例如，换能器11和信号处理电路可以是一体结构。信号调节或处理电路可以包括一个或多个放大器电路(例如缓冲、增益和/或阻抗匹配放大电路)、滤波电路、信号换能器电路和更复杂的电路。
图12a-12f示出了根据本发明实施的各种换能器构造。图12a示出了具有普通弓形形状、一个锚定结构18和两个自由端17a和17b的悬臂式生物声学换能器14。图12b示出了生物声学换能器14，该换能器是图12a所示换能器的倒置版本。图12b所示的换能器14具有一个包括两个锚定端19a和19b的锚定结构。在换能器14的两个锚定端19a与19b的中点处设置质量元件34。
图12c示出了一个包括安装在公用锚定结构18上的两个独立悬臂式生物声学换能器14a和14b的换能器组件。所示的换能器14a和14b具有同样的构造，但可以采用不同类型和/或技术。图12d示出了安装在公用锚定结构18上的四个悬臂式生物声学换能器14a-14d。图12d所示的几个换能器14a-14d在形状方面是不同的，并可提供不同的频率响应。
图12e示出了类似弹簧的悬臂式生物声学换能器14，该换能器具有一个连接到类似柱子的锚定结构18上的锚定端19。质量元件34位于换能器14的自由端17上或附近。图12f示出了类似弹簧的悬臂式生物声学换能器14，该换能器具有两个连接到类似柱子的锚定结构18上的锚定端19a和19b。质量元件34位于换能器14的两个锚定端19a与19b的中点处。应当理解，沿着换能器14长度方向移动质量元件34的安装位置将改变换能器14的频率响应和灵敏度。
本发明的生物声学传感器通过使用可在悬臂模式下操作的换能器提供了极佳的灵敏度和信噪比。可以使用本发明的可在除悬臂模式之外的模式下操作的换能器实现提高的灵敏度和信噪比。该具有悬臂式换能器的传感器的性能已通过心音图得到验证。可使用该传感器通过光盘和心音图(PCS)以声音的形式重新生成与不同疾病相关的不同心音。CD上记录的原音与重新生成的传感器声音之间几乎没有差别。据发现，该传感器非常灵敏，因此可获得非常好的信噪比，即使被放置在病人衣服上时亦如此。
介绍上述本发明的各种实施例的具体描述的目的是为了进行举例说明和描述。并不旨在详尽列出或限制本发明所公开的精确形式。可以按照上述教导内容进行多种修改和变化。例如，自身睡眠不良和作为更严重的神经系统疾病指征的睡眠不良呈上升趋势。所有年龄段的睡眠呼吸暂停和婴儿期的婴儿猝死综合征也呈上升趋势，而它们的病因正待识别。诊断方法可能涉及利用上述指征监控病人的身体活动和呼吸/肺音，使用本文所述类型的传感器可以轻松执行这种监控。此外，本发明的传感器可以用于除生物声学感测应用之外的其它应用。本发明的范围不受此具体描述的限制，而是由本文附加的权利要求来进行限制。

Claims (48)

1.一种传感器，用于感测生物声学能量，所述传感器包括：
包含接口部分的壳体，所述壳体的所述接口部分被构造为在所述传感器使用时与身体部位建立连接；
换能器构件，其包含至少一个自由端和锚定结构，所述换能器构件在单个锚定位置处通过所述锚定结构固定连接到所述壳体上，以使得所述换能器构件被布置为相对于通过所述壳体的其它部分传输到所述换能器的生物声学能量优先感测通过所述壳体的所述接口部分传输到所述换能器的生物声学能量；以及
至少一个连接到所述换能器构件的导体。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述锚定结构包括适应性或刚性连接结构，所述连接结构被构造为将所述换能器构件连接到所述壳体上。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述锚定结构包括具有第一末端和第二末端的基座，所述基座的所述第一末端连接到所述壳体的所述接口部分上，所述基座的所述第二末端连接到所述换能器构件上。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述锚定结构限定了所述壳体的一体结构。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述壳体被构造为在使用时可手持连接到身体部位上。
6.根据权利要求1所述的传感器，其包括固定结构，所述固定结构连接到所述壳体上并被构造为在使用时可在所述壳体与所述身体部位之间建立连接，所述固定结构包括粘结剂带和松紧带中的一种或全部两种。
7.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件仅包括一个自由端。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件包括两个或更多个自由端。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中至少一个导体包括至少一个光导体。
10.根据权利要求9所述的传感器，其中至少一个光导体连接到换能器电路上，所述换能器电路位于远离所述传感器的地方并被构造为可将接收到的光信号转换为输出电信号。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述换能器电路连接到一个或多个电子-声音换能器上。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述壳体包含基座和盖子，所述基座包含所述接口部分，所述盖子通过适应性连接结构连接到所述基座上。
13.根据权利要求12所述的传感器，其中所述盖子包含吸声材料。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中所述壳体的所述接口部分大体上是刚性的。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中所述壳体的所述接口部分包含聚合材料、金属或合金、复合材料、陶瓷材料或晶体材料。
16.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件包括第一和第二相对的主表面，所述换能器构件的所述第一和第二主表面与所述壳体的所述接口部分大体上平行。
17.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件被构造为感测由生物源头物质产生的声音。
18.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件被构造为用于听诊。
19.根据权利要求1所述的传感器，其中所述传感器包括一种结构，所述结构被构造为修改所述换能器构件的频率响应。
20.根据权利要求1所述的传感器，还包括设置在紧邻所述换能器构件的所述自由端的质量元件。
21.根据权利要求1所述的传感器，还包括：
质量元件，其包含设置在紧邻所述换能器构件的所述自由端的可磁化材料；以及
磁体结构，其被构造为可与所述质量元件的所述可磁化材料发生磁相互作用，所述磁体结构被构造为有利于调整所述磁体与所述质量元件的所述可磁化材料之间的所述相互作用。
22.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件被构造为响应所述换能器构件的变形调制或生成电信号。
23.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件包含聚合压电薄膜。
24.根据权利要求1所述的传感器，其中所述换能器构件包含压阻材料、一个或多个应变仪或者一个或多个电容元件。
25.一种传感器单元，其包括多个根据权利要求1所述的换能器构件，其中所述多个换能器构件中的每一个均被构造为具有不同于所述多个换能器构件中至少一个其它换能器构件的频率响应。
26.根据权利要求25所述的传感器单元，其中所述多个换能器构件中的每一个均具有刚度、重量、形状和厚度，所述多个换能器构件中的每一个的刚度、重量、形状和厚度中至少有一个不同于所述多个换能器构件中至少一个其它换能器构件的刚度、重量、形状和厚度。
27.根据权利要求25所述的传感器单元，其中所述多个换能器构件中的每一个均通过公用锚定结构或单独的锚定结构被所述壳体所支承。
28.根据权利要求25所述的传感器单元，还包括增益控制电路，其中可通过所述增益控制电路选择性地调整所述多个换能器构件中每一个的增益响应。
29.根据权利要求1所述的传感器单元，还包括：
辅助换能器构件，其设置在所述壳体内除所述壳体的所述接口部分之外的其它地方；以及
噪音消除电路，其连接到所述换能器构件和所述辅助换能器上。
30.一种包含根据权利要求1所述的传感器的听诊器。
31.一种包含一个或多个根据权利要求1所述的传感器的头盔，其中所述一个或多个传感器包含所述多个换能器构件中的一个或多个。
32.根据权利要求1所述的传感器，其包括被构造为有利于所述传感器与所述壳体外装置之间有线或无线通信的通信电路。
33.根据权利要求1所述的传感器，还包括信号调节电路，其连接到所述换能器构件上，并设置在所述换能器构件上、附近、或相对于其是整体或一体关系。
34.根据权利要求1所述的传感器，还包括连接到所述换能器构件上的信号处理电路。
35.根据权利要求34所述的传感器，其中所述信号处理电路包括连接到所述换能器构件的数字和模拟信号处理硬件和软件电路。
36.一种感测生物声学能量的传感器，其包括：
包含接口部分的壳体，所述壳体的所述接口部分被构造为在所述传感器使用时与身体部位建立连接；
将通过所述壳体的所述接口部分传输的生物声学能量转换为信号的装置；以及
在所述壳体的单个锚定位置处锚定所述转换装置的装置，以使得所述换能器装置被布置成相对于通过所述壳体的其它部分传输的生物声学能量优先感测通过所述壳体的所述接口部分传输的生物声学能量。
37.根据权利要求36所述的传感器，其包括将所述信号传输到所述壳体外部位置的装置。
38.根据权利要求36所述的传感器，其包括执行信号处理或信号调节的装置。
39.一种感测生物声学能量的传感器，其包括：
包含接口部分的壳体，所述壳体的所述接口部分被构造为在所述传感器使用时与身体部位建立连接；
包含锚定结构的换能器构件，所述换能器构件通过所述锚定结构固定连接到所述壳体上，以使得所述换能器构件被设置为相对于通过所述壳体的其它部分传输到所述换能器的生物声学能量优先感测通过所述壳体的所述接口部分传输到所述换能器的生物声学能量；以及
一个或多个连接到所述换能器构件的导体。
40.根据权利要求39所述的传感器，其中所述锚定结构被构造为在所述换能器构件的两个或更多个间隔开的锚定位置处将所述换能器构件固定连接到所述壳体上。
41.一种感测生物声学能量的方法，其包括：
在传感器壳体的接口部分与产生生物声学能量的身体部位之间建立连接；
响应于生物声学能量，刺激设置在所述传感器壳体中且可以在悬臂模式下操作的换能器；以及
响应于所述换能器的刺激，由所述换能器调制或生成信号。
42.根据权利要求41所述的方法，其中建立连接包括在所述传感器壳体的所述接口部分与所述身体部位之间建立手持连接。
43.根据权利要求41所述的方法，其中建立连接包括在所述传感器壳体的所述接口部分与所述身体部位之间建立粘性连接。
44.根据权利要求41所述的方法，其中所述信号是电信号，所述方法还包括将所述电信号转换为光信号并将所述光信号传输到远离所述传感器壳体的地方。
45.根据权利要求41所述的方法，其包括修改所述换能器构件的频率响应。
46.根据权利要求41所述的方法，其包括使用所述换能器构件和至少一个辅助换能器构件执行噪音消除。
47.根据权利要求41所述的方法，其包括在设置在所述传感器壳体内的装置与所述传感器壳体外的装置之间建立通信。
48.根据权利要求41所述的方法，其包括对由所述换能器调制或生成的信号执行信号处理或调节。
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