JP2005143902A - 携帯型聴診器 - Google Patents

Abstract

【課題】 音声信号に対して心音や呼吸音を容易に分離することができ、感度の良い聴診器の提供。
【解決手段】 本発明による聴診器は、ＩＣコンデンサマイクロフォン素子によって心音や呼吸音を検出するものであり、共通の電極基板３Ａ上に、共振周波数の互いに異なる複数のマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅを備えている。電極基板３Ａには、各マイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅの共振周波数に応じたダイアフラム部がそれぞれ形成され、そのダイアフラム部にはマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅのコンデンサの一方の電極が可動電極として形成されている。各可動電極と対向する位置にはコンデンサの他方の電極を構成する固定電極が固設されている。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、患者の身体に装着して移動可能な携帯型聴診器に関する。

従来、聴診器内にマイクロフォンを内蔵し、マイクロフォンにより心音等を聴音する聴診器が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、マイクロフォンを内蔵した聴音部分だけを患者の身体に装着して検査する聴診器も知られている（例えば、特許文献２参照）。そして、マイクロフォンで集音された音をスピーカー等で再生するなどして患者の状態を把握するようにしている。

特表平８−５０６４９５号公報 実開昭６１−２０３００８号公報

しかしながら、音声信号に対して心音や呼吸音などのバイタルサインを音声として分離するのは周波数帯域が同一のため困難であり、このような聴診器で心音や呼吸音を常時モニタリングするような場合には、音声も検知してしまうことになりプライバシー保護の点で不都合があった。また、最終的には医師等が音声を聴いて患者の状態を判断するようにしているので、小児喘息の発作監視等の緊急性のあるものについては不向きであった。

請求項１の発明による聴診器は、互いに検出周波数の異なる複数のコンデンサマイクロフォン素子と、複数のコンデンサマイクロフォンのいずれか一つを検出用素子として選択する選択手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の聴診器において、コンデンサマイクロフォン素子は、(a)ＩＣ基板上に形成され音圧により振動する振動面と、(b)振動面上に形成された第１の電極と、(c)ＩＣ基板上における振動面と対向する位置に空隙を設けて固設される第２の電極とを備え、コンデンサマイクロフォン素子の振動面の共振周波数を、検出周波数に応じてそれぞれ設定したものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の聴診器において、第１および第２の電極で構成されるコンデンサの容量変化によりＦＭ変調して送信する送信部を備えたものである。

本発明によれば、互いに検出周波数の異なるコンデンサマイクロフォン素子を複数備えて、いずれかを検出用素子として選択することにより、音声信号に対して検出周波数の異なる心音や呼吸音などのバイタルサインを容易に分離することができ、目的とするバイタルサインを感度良く検出することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による聴診器の概略構成を示す断面図である。聴診器１のベース２上にはマイクロフォン素子３，回路部４および電池５が設けられており、それらはケーシング６により覆われている。マイクロフォン素子３は後述するようにＳｉ基板上にマイクロマシン加工技術により形成されるものであり、数ｍｍ〜１０ｍｍ角程度の大きさを有している。

マイクロフォン素子３はコンデンサ型マイクロフォンであり、コンデンサの一方の電極を可動電極とし、その可動電極を音圧により振動するダイアフラム上に設けたものである。マイクロフォン素子３は後述するダイアフラムを有し、ベース２に形成された聴音用空洞２ａにダイアフラムが露出するようにマイクロフォン素子３はベース２に固設されている。ベース２の下面を患者の聴音部（例えば、胸部）に接触させ、粘着テープなどにより聴診器１を固定する。図２は、聴診器１の回路図であり、回路部４にはＦＭ変調回路４０およびＲＦ増幅回路４１が設けられている。

マイクロフォン素子３はＬＣ発振回路のコンデンサを構成しており、音圧によりマイクロフォン素子３のダイアフラムが変位するとコンデンサの容量が変化する。このコンデンサ容量の変化により基本発振周波数をＦＭ変調し、その信号をＲＦ増幅回路４１で増幅してアンテナ７により受送信機８へと送信する。受送信機８は受信信号に基づく音声主力や各種判断を行ったり、聴診器１の電源をオンオフする信号を送信したりする。

次に、マイクロフォン素子３の製造方法について説明する。図３はマイクロフォン素子３の全体を示す斜視図である。マイクロフォン素子３は可動電極３１７ａ（後述する図６（ｃ）を参照）が形成された電極基板３Ａと、可動電極３１７ａと対向するように電極基板３Ａ上に固着された固定電極３Ｂとから成る。最初に、電極基板３Ａの形成方法から説明する。

まず、図４（ａ）に示すようなＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３１を用意し、その表面に保護用レジスト３１０を塗布し９０℃でベークする。基板３１は上から順にＳｉ層３１１（２μｍ）、ＳｉＯ_２層３１２（１μｍ）、Ｓｉ層３１３（５００μｍ）となっており、Ｓｉ層３１１の表面に保護用レジスト３１０が塗布される。

次に、スパッタリングにより、Ｓｉ層３１３の表面（基板３１の裏面）にＡｌ層３１４を成膜する（図４（ｂ）参照）。このＡｌ層３１４は、Ｓｉ層３１３をＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）によりエッチングする際のマスクとして用いられるものである。Ａｌ層３１４の表面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりダイアフラム用の正方形パターンをレジスト３１５に形成する（図４（ｃ）参照）。

このレジスト３１５をマスクとして、混酸Ｐ液によりＡｌ層３１４をエッチングしてＳｉ層３１３を露出させる。その後、Ａｌ層３１４をマスクとして、Ｓｉ層３１３をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。このエッチング処理工程では、厚さ５００μｍのＳｉ層３１３を４６０μｍ程度までエッチングする（図４（ｄ）参照）。その際、Ａｌ層３１４上のレジスト３１５も、エッチングにより除去される。

図４（ｄ）の工程で残った４０μｍ程度の厚さのＳｉ層３１３は、その後、ＲＩＥによりエッチングして除去する。図５（ａ）の工程では、ＲＩＥによるＯ_２アッシング処理を行って、Ｓｉ層３１１上のレジスト３１０を除去し、次いで、ＢＨＦ（フッ化アンモニウム）によりＳｉＯ_２層３１２をエッチングする。

図５（ｂ）の工程では、スパッタリングによりＳｉ層３１１の表面に厚さ０．１５μｍのＳｉＯ_２層３１６を形成した後に、さらのその上に厚さ０．１μｍのＡｕ層３１７をスパッタリング成膜する。そして、Ａｕ層３１７の表面にレジストを塗布し、図７に示すようなレジストパターン３１８を形成する。なお、Ａｕ層３１７の形成前に、リン酸（またはリン酸、硝酸、酢酸および水の混合溶液）によりＡｌ層３１４は除去しておく。

レジストパターン３１８は次の３つの部分から成る。図７も参照して説明する。一つは、Ｓｉ層３１１のダイアフラム部Ｄ上に形成され、ダイアフラム部Ｄと同一形状である正方形パターン３１８ａであり、二つ目は端子部に相当する長方形パターン３１８ｂで、三つ目はパターン３１８ａとパターン３１８ｂとを接続するパターン３１８ｃである。

次に、図５（ｃ）では、レジストパターン３１８をマスクとして、ヨウ化カリウムによりＡｕ層３１７をエッチングする。その結果、図７に示したレジストパターン３１８と同一形状のＡｕ層（Ａｕパターン）３１７がダイアフラム部Ｄ上に形成される。その後、アセトン洗浄およびエタノール洗浄によりレジストパターン３１８を除去した後に、Ａｕ層３１７が形成された面にポリイミドを塗布しベークする。その結果、図５（ｄ）のようにＡｕ層３１７を覆う厚さ４μｍのポリイミド層３１９が形成される。

図６（ａ）の工程では、ポリイミド層３１９の上にレジスト３２０を塗布し、図７に示したレジストパターン３１８と同一形状のマスクを用いてレジスト３２０を紫外線露光する。その結果、レジスト３２０の内のＡｕ層３１７の上方を覆っている部分３２０ａだけが紫外線露光されないため、現像を行ったときにその部分のレジスト３２０だけが除去される（図６（ｂ）参照）。また、レジスト３２０が除去された部分のポリイミド層３１９、すなわち、Ａｕ層３１７上のポリイミド層３１９は現像の際にエッチングされ、Ａｕ層３１７が露出することになる。

その後、レジスト３２０を除去することにより可動電極が形成された電極基板３Ａが形成される。図６（ｃ）は電極基板３Ａの斜視図であり、ポリイミド層３１９には図７に示したレジストパターン３１８と同一形状の孔が形成され、Ａｕ層３１７が露出している。Ａｕ層３１７において、符号３１７ａで示す部分が可動電極であり、３１７ｂが端子部、３１７ｃがそれらを接続するリード部である。Ａｕ層３１７の内の可動電極３１７ａだけが、図６（ｂ）のダイアフラム部Ｄ上に形成されている。

次に、固定電極３Ｂの形成方法について説明する。まず、図８（ａ）に示すように、スパッタリングによりＳｉ１３０上に厚さ０．１μｍのＡｌ層１３１を成膜する。このＡｌ層１３１は、Ｓｉ１３０をＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）によりエッチングする際のマスクとして用いられるものである。

図８（ｂ）に示す工程では、Ａｌ層１３１上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによりレジストパターン１３２を形成する。図８（ｃ）は図８（ｂ）のＳｉ１３０を図示上方から見た図であり、レジストパターン１３２の形状は図３に示した固定電極３Ｂの外輪形状と同一形状に形成される。なお、図８（ｂ）は、図８（ｃ）のII−II断面を示したものである。

図８（ｄ）に示す工程では、レジストパターン１３２をマスクとして、混酸Ｐ溶液によりＡｌ層１３１をエッチングしてＳｉ１３０を露出させ、アセトン洗浄およびエタノール洗浄によりレジストパターン１３２を除去する。その結果、Ｓｉ１３０上には、Ａｌ層１３１によって図８（ｃ）に示したレジストパターン１３２と同一形状のＡｌパターンが形成されることになる。

図９（ａ）に示す工程では、Ａｌ層１３１を覆うようにＳｉ１３０の表面にレジスト１３４を塗布し、穴１３３ａの開いたマスク１３３を用いてレジスト１３４を露光して現像する。図９（ｂ）は現像後のレジスト１３４を示す平面図である。レジスト１３４において、図９（ａ）の穴１３３ａに対応する穴パターンは１３４ａ、Ａｌ層１３１の正方形領域１３１ａを覆う領域に形成される。なお、図１１に示すように、Ａｌ層１３１において、符号１３１ｂで示す部分は後述する固定電極３Ｂの端子部１３０ｂに対応し、符号１３１ｃで示す部分はリード部１３０ｃに対応している。

次いで、このレジスト１３４をマスクとしてＡｌ層１３１を混酸Ｐ液でエッチングした後、レジスト１３４をエタノールおよびアセトンにより除去する（図９（ｃ）参照）。上述したエッチングにより、Ａｌ層１３１の正方形領域１３１ａには複数の穴パターン１３１ｄが複数形成される。

図９（ｄ）に示す工程では、このＡｌ層１３１をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥによりＳｉ基板１３０をエッチングする。エッチング深さは３６０μｍ〜３７０μｍとする。その後、マスクとして用いたＡｌ層１３１を混酸Ｐ液により除去した後に、ウェット酸化によってＳｉ１３０を酸化処理し、Ｓｉ１３０の表面に厚さ０．２μｍのＳｉＯ_２層１３５を形成する（図１０（ａ）参照）。

次に、ＳｉＯ_２層１３５が形成されたＳｉ１３０の表面側（図示上面側）に保護用のレジスト１３６を塗布し、裏面側（図示下面側）のＳｉＯ_２層１３５をＲＩＥによりエッチングして除去する（図１０（ｂ）参照）。その後、フッ酸で洗浄した後に、図１０（ｃ）のようにＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）によって裏面側にＳｉＯ_２層１３５が現れるまでＳｉ１３０をエッチングする。

Ｓｉ１３０をエッチングしたならば、硫酸過水でレジスト１３６を除去し、さらにＢＨＦ（フッ化アンモニウム）によりＳｉＯ_２層１３５を除去する（図１０（ｄ）参照）。その後、図１０（ｅ）に示すように、スパッタリングによってＳｉ１３０の表裏両面にＡｌ層１３７を成膜する。その結果、図１１に示すような固定電極３Ｂが形成される。 図１１の固定電極３Ｂにおいて、１３０ａは電極部、１３０ｂは端子部、１３０ｃはリード部、１３０ｄは固定部である。

最終的には、図６（ｃ）に示す電極基板３Ａのポリイミド層３１９の表面に固定電極３Ｂをエポキシ樹脂等により貼り付けることによって、マイクロフォン素子３が形成される。その際、図３のように固定電極３Ｂの電極部１３０ａが電極基板３Ａの可動電極３１７ａと対向するように配置し、端子部１３０ｂ、リード部１３０ｃおよび固定部１３０ｄをポリイミド層３１８に固着する。

ポリイミド層３１８は可動電極３１７ａと電極部１３０ａとのギャップ寸法を設定するスペーサとして機能している。この可動電極３１７ａと電極部１３０ａとはコンデンサを構成しており、それらの間のエアギャップは電気的にはコンデンサの電極間距離となる。なお、電極部１３０ａには貫通穴１３０ｅが複数形成されているので、コンデンサ容量は貫通穴１３０ｅの占める面積を差し引いて考える。

図３に示すコンデンサ型のマイクロフォン素子３では、振動膜であるダイアフラム部Ｄの共振周波数ｆｓは次式（１）で与えられる。
ｆｓ＝（λπ／２ａ２）・√（Ｇ／μ） …（１）
式（１）において、ａは正方形ダイアフラム部Ｄの一辺の長さ、μはダイアフラム部Ｄの面積密度である。λは固有振動数係数であり、最低次の振動モードでは正方形板４辺固定の条件の場合には３．６４６の値となる。また、Ｇはダイアフラム部Ｄの曲げ剛性であり、ダイアフラム部Ｄを形成する部材のヤング率、ポアソン比および厚さにより決定される。

式（１）により、共振周波数ｆｓはダイアフラム部Ｄの一辺の長さａの２乗、すなわち面積に反比例することが分かる。また、共振特性の鋭さを表すＱ値は、ダイアフラム部Ｄの質量およびバネ定数が大きい方が大きくなる。そして、これらの数値を調整することにより、所望の特性（共振周波数ｆｓ、ピークの大きさなど）を有するマイクロフォン素子３を形成することができる。

次に示す表１は、マイクロフォン素子３による計測対象と、それらの周波数帯域とを示したものである。

心音の場合は周波数帯域は５０Ｈｚ〜５００Ｈｚとなり、特に心室収縮時の房室弁は８０Ｈｚ前後となる。一方、呼吸音は１４０Ｈｚ前後に鋭いピークを有している。

マイクロフォン素子３の検出周波数帯域は非常に狭いので、会話音声については周波数帯域の一部が検出されるだけなので、会話の音声として認識することはできない。そのため、例えば、心音用としては共振周波数ｆｓをｆｓ＝１００Ｈｚ近辺に設定し、呼吸音用としてはｆｓ＝１４０Ｈｚ近辺に設定するようにすればよい。そのように設定することにより、心音や呼吸音に絞って聴音することが可能となる。

喘息患者の喘息発作を監視するような場合には、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚにマイクロフォン素子３の共振周波数ｆｓを設定すれば、出力値の急激な増加を検出することにより喘息発作の発生を検知することが可能となる。共振周波数ｆｓの設定値によっては呼吸音に喘息の周波数成分が現れるようなパターンとなるが、そのような場合は、ウェーブレット変換を用いて周波数の時系列解析を行い、呼吸音または喘息音の周波数成分をソフト的に抽出するようにすれば良い。

上述した実施の形態では、聴診器１内にマイクロフォン素子３を１つだけ設けているが、共通の電極基板３Ａ上に共振周波数ｆｓの異なるマイクロフォン素子３を複数設けて、それらをディップスイッチなどで切り換えて用いるようにしても良い。また、ディップスイッチを設ける代わりに、ＦＥＴ等で構成した電子スイッチを一体化し、受送信機８からの通信により電気的に素子を選択するようにしても良い。

例えば、心音聴音の場合、個人差を考慮して表１の周波数帯域内で周波数の異なる複数のマイクロフォン素子３を電極基板３Ａ上に形成する。図１２に示す例は、共通の電極基板３Ａ上に５つのマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅを形成した場合である。各マイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅの共振周波数ｆｓは順に５０Ｈｚ，１００Ｈｚ，５００Ｈｚ，１０００Ｈｚである。図１３は、コンデンサマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅの部分の回路図であり、スイッチＤＳＷ１〜ＤＳＷ５のオンオフを切り換えることにより検出用マイクロフォン素子の切り換えを行う。図１３に示す例では、マイクロフォン素子３０Ａが使用可能となっている。

また、呼吸音を聴音して小児喘息の発作やその予兆を検知するような場合には、心音の場合に比べて個人差が大きいのでより多数のマイクロフォン素子３を電極基板３Ａ上に作り込んでおくのが好ましい。この場合、発作やその予兆に対応する周波数信号の大きさが閾値を越えた時に受送信機８により警報を発生するようにすれば、発作に対して素早く対応することができる。受送信機８はナースセンター等に設置しても良く、看護婦や医師が携帯するようにしても良い。さらに、聴診器１自体が警告音を発生して周囲の人に緊急事態を知らせるようにしても良い。

上述したマイクロフォン素子３では、電極基板３Ａにダイアフラムタイプの可動電極３１７ａを形成したが、ダイアフラム型可動電極３１７ａに代えて、図１４（ａ）に示すようなカンチレバータイプの振動板４００上に可動電極４０１を設けても良い。振動板４００は電極基板３Ａから延びるカンチレバー４０２の先端に取り付けられており、カンチレバー４０２の長さを調整することにより所望の共振周波数ｆｓを得ることができる。この場合も、図１４（ｂ）のように長さの異なるカンチレバー４０２Ａ，４０２Ｂ，４０２Ｃを形成することにより、複数の共振周波数ｆｓに対応することができる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ダイアフラム部Ｄおよび振動板４００の電極形成面は振動面を、可動電極３１７ａ，４０１は第１の電極を、電極部１３０ａは第２の電極を、回路部４は送信部を、スイッチＳＤＷ１〜ＳＷＤ５は選択手段をそれぞれ構成する。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

本発明による聴診器１の概略構成を示す断面図である。 聴診器１の回路図である。 マイクロフォン素子３の全体を示す斜視図である。 電極基板３Ａの形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に各工程を示す。 図４の手順に続く形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に各工程を示す。 図５の手順に続く形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）に各工程を示す。 レジストパターン３１８の形状を示す斜視図である。 固定電極３Ｂの形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に各工程を示す。 図８の手順に続く形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）に各工程を示す。 図１０の手順に続く形成手順を示す図であり、（ａ）〜（ｅ）に各工程を示す。 固定電極３Ｂの最終形状を示す斜視図である。 ５つのマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅが形成された電極基板３Ａの平面図である。 コンデンサマイクロフォン素子３０Ａ〜３０Ｅの部分の回路図である。 カンチレバータイプのマイクロフォン素子を示す図であり、（ａ）は素子の斜視図、（ｂ）は複数のカンチレバー４０２Ａ，４０２Ｂ，４０２Ｃを設けた場合を示す図である。

符号の説明

１ 聴診器
２ ベース
３，３０Ａ〜３０Ｅ マイクロフォン素子
３Ａ 電極基板
３Ｂ 固定電極
４ 回路部
５ 電池
６ ケーシング
８ 受送信機
４０ ＦＭ変調回路
３１７ａ，４０１ 可動電極
４００ 振動板
４０２，４０２Ａ，４０２Ｂ，４０２Ｃ カンチレバー
Ｄ ダイアフラム部

Claims (3)

1. 互いに検出周波数の異なる複数のコンデンサマイクロフォン素子と、
   前記複数のコンデンサマイクロフォンのいずれか一つを検出用素子として選択する選択手段とを備えたことを特徴とする聴診器。
2. 請求項１に記載の聴診器において、
   前記コンデンサマイクロフォン素子は、(a)ＩＣ基板上に形成され音圧により振動する振動面と、(b)前記振動面上に形成された第１の電極と、(c)ＩＣ基板上における前記振動面と対向する位置に空隙を設けて固設される第２の電極とを備え、
   前記コンデンサマイクロフォン素子の前記振動面の共振周波数を、前記検出周波数に応じてそれぞれ設定したことを特徴とする聴診器。
3. 請求項１または２に記載の聴診器において、
   前記第１および第２の電極で構成されるコンデンサの容量変化によりＦＭ変調して送信する送信部を備えたことを特徴とする聴診器。

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