JP2005534360A - 生物音響信号用変換器 - Google Patents

Abstract

周知の電子聴診器変換器では、感受性素子は皮膚を介して伝達される信号によって影響を受けるので、空気伝播雑音が感受性素子に届かないように、その後面はハウジング内に収納される。本発明では、変換器を皮膚と接触した圧電トランスフレクス振動板とし、振動板の後面を音響ネットワークを介して周囲空気と連絡させることによって皮膚から来る雑音の影響を打ち消す働きをする空気伝播雑音を受信することにより、信号対雑音比を改善する。

Description

本発明は、変換素子を含む生物音響信号用変換器であって、該変換素子が前面および後面を有し、該前面が人体の一部分の表面と密着することができ、該表面が人体からの直接内音を伝達し、該変換素子が、変換素子の前面を取り囲む表面を有する空気伝播雑音を受けるハウジング中に取り付けられ、該変換素子および該周囲表面が使用中に該人体の一部分の表面と密着する生物音響信号用変換器に関する。

人体から出る生物音響信号の変換器は、通常、人体の外表面に当てる主に２つのタイプに分類される。１つのタイプは基本的にはマイクロフォンであり、限定された皮膚領域の振動を、その皮膚領域の周囲の空気の圧力変動として、通常は皮膚、マイクロフォン振動板およびハウジングが画定する閉容積内の圧力変動として検知するものである。良好な低周波数応答を得、かつ外部からの空気伝播雑音から保護するためには、閉容積にすることが不可欠である。初期の一例としては、ベルで容積を画定する標準的な両耳聴診器がある。第２のタイプは、基本的には加速度計であり、軽量のハウジングを人体の一部に載せ、その内部の慣性質量を瞬間加速度に比例する信号生成の基準とするものである。このタイプはそれ自体で外部からの空気伝播雑音から良好に保護することができるが、実際の測定に影響を及ぼすことが避けられない値にまで慣性質量を増大させなければ、感度が低下し、当該周波数範囲の下端部で電気的雑音が非常に増加する。したがって、変換器の改良が必要とされている。

一般に、外部からの空気伝播雑音は、主として２通りの経路から変換器に侵入することが判明している。１つは直接的な空気伝播により変換素子自体、例えばマイクロフォンの振動板に影響を及ぼす経路である。もう１つは、ハウジングが空気伝播雑音を受けている間に、振動板と接触している皮膚から振動板に影響が及ぶ経路である。また、こうした雑音の中には、人体と接触している変換器を取り囲むハウジングの周囲の人体中に放射される空気伝播雑音がさらに含まれることもある。この空気伝播雑音は、振動板と接触している皮膚の一部から直接再放射される圧力波に変換される。このタイプの雑音注入は、皮膚領域を封止しても避けられないが、所望の信号に対する位相関係は、その寄与の重要性が一般に小さくなるようになっている。したがって、さらに、生物音響信号用の変換器の構造の改良に取り組む必要がある。

特許文献１には、周囲ハウジング内の領域内の皮膚と直接接触する圧電トランスフレクス（ｔｒａｎｓｆｌｅｘｕｒａｌ）振動板を利用する解決策が与えられている。この場合には、雑音信号は、再放射なしで振動板に結合され、振動板の後面はハウジングによって外部雑音から遮蔽される。雑音消去を得るために、この特許には、ハウジングが、空気伝播雑音しか受けない、外側に向いた同様の圧電トランスフレクス振動板も含むこと、ならびに、もう１つの同様の変換器を、第１の変換器から一定距離離れたところに人体と接触した状態で配置することが記載されている。大量のデジタル信号処理により、望ましくない雑音を高程度に除去することができる。これにより、機器が高価になり、センサ部分を交換する場合には際プログラミングを行う必要も生じる。

特許文献２は、共振器が振動板の反対側に結合された、雑音平衡手段を有する音響非増幅聴診器のチェストピース（ｃｈｅｓｔｐｉｅｃｅ）に関する。増幅を利用する実施形態も示されている。その目的は、皮膚に当てられたときにその前端部を取り囲む組織中に放射され、所望の信号に付加される雑音を補償することである。組織と出力信号を提供する振動板との間には空気の間隙があるが、これにより、実際にはこの装置の有用性が大幅に低下する。

米国特許第５６１０９８７号明細書 米国特許第６０２８９４２号明細書 Vermarien Hおよびvan Vollenhoven Eによる「The recording of heart vibrations: a problem of vibration measurement on soft tissue」、Medical & Biological Engineering & Computing、1984、22、pp 168-178

特許文献２で用いられている精密な等価回路は、変換器ハウジング自体を介した空気伝播雑音の検知を考慮していないので、誤りにつながる可能性がある。

本発明は、実際には変換器のハウジングによってかなりの空気伝播雑音が検知され、それによるハウジングの振動が、人体の外表面を押圧することによって振動板に影響を及ぼすという認識に基づくものである。振動板の反対側が適当な位相関係で外部からの空気伝播雑音を検知した場合には、この空気伝播雑音の影響は、当該周波数領域で効果的に除去される。適当な位相関係は、空気伝播雑音が振動板の後面に達することができるようにすれば非常に狭い周波数範囲で得ることができるが、振動板の後面に適当な音響負荷をかけることにより、当該周波数領域でのさらなる改善が得られる。特に、提供される変換器の表面の、振動板が構成する人体の外側表面に対する比率を低下させることによって重要な改善が得られることが実証されている。したがって、本発明は、変換素子の有効面積がハウジングの周囲表面の面積の５０％未満であること、ならびに周囲空気と連絡した音響ネットワークによって変換素子の後面に負荷が加えられ、この負荷が変換素子の前面および後面に影響を及ぼす空気伝播雑音信号の間の相殺関係を生み出すことを特徴とする。本発明では、所望の生理学的信号および不要な空気伝播信号がともにいくつかの経路を有すること、ならびにハウジングに影響を及ぼすと変換素子にも影響が及ぶことを考慮している。

本発明の有利な実施形態は、特に変換素子の有効面積がハウジングの周囲表面の面積の１／２から１／１０００の間であることを特徴とする。それぞれの領域をこの比率内に保てば性能が改善されることは既に判明している。その効果は、皮膚との接触面積（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅａ）およびその下の組織の密度と関係があることがある。有効面積は、実際に撓んで出力に寄与している振動板の面積のことである。すなわち、その面積は、周囲表面の開口より通常は小さい。

さらに有利な変形形態では、この比率は、０．２≧ａｄ／ａｈ≧０．０５の範囲である。

有利な実施形態は、変換素子が屈曲したときに電気的出力を与える複合振動板であることを特徴とする。これは、上記で圧電トランスフレクス振動板と呼んだものの形で得ることができる。この圧電トランスフレクス振動板は、非常に薄い圧電層であり、通常はその片側が金属振動板に結合され、その反対側に金属層が堆積させてある。この積層板は、振動板が内側および外側に屈曲したときに圧電層内に生じる剪断応力に反応して、金属振動板と金属堆積物の間に電圧差を生じる。

さらに有利な実施形態は、変換素子が、振動板の前面と後面の伸びが異なるときに電気的出力を与える複合振動板であることを特徴とする。これは、若干異なる構造であり、特定のａｄ／ａｈ比率で有利になることがある。

さらに有利な実施形態は、音響ネットワークが、空気伝播雑音によって間接的に影響を受けているハウジング内のキャビティからなることを特徴とする。

さらに有利な実施形態は、音響ネットワークが、ハウジング内のキャビティおよび少なくとも１つのポートから成ることを特徴とする。これは、実際にはリーク部を有する振動板用の密閉箱であり、このキャビティ容積とポートの組合せの共振周波数を適当に設定することにより、周波数応答、特に雑音抑制範囲の拡大を得ることができる。

さらに有利な実施形態は、音響ネットワークが、基本的に振動板と同じ直径を有する円筒コンジットからなることを特徴とする。これは、振動板をウェルの底部に置くことで、振動板および各接続部に対して良好な遮蔽および機械的保護を提供し、あるポートが閉じることにより変換器の周波数応答が変化する危険性を低下させるものである。

さらに有利な実施形態は、ポートが細いスリットで構成されることを特徴とする。この実施形態は、スリットが全長にわたって偶然覆われることが起こりにくくなり、それにより実際の使用中にポートの性質が実質的に変化する恐れが低下するので特に有利である。さらに有利な実施形態では、スリットの周囲を非湿潤性（ｎｏｎｗｅｔｔａｂｌｅ）材料にする。

本発明の有利な実施形態は、皮膚と振動板の間を封止するように、機械的振動を伝達することができる弾性材料を設けることを特徴とする。振動板は、一般に皮膚に対して不活性（ｉｎａｃｔｉｖｅ）であると考えられるステンレス鋼で構成することができるが、ニッケル・アレルギーが起こる可能性もある。このため、また振動板の通常の表面保護を行うために、変換器にエラストマの層を設けることが望ましいこともある。当業者なら、この応用に適した伝達特性を有する材料を選択することができるであろう。

さらに有利な実施形態は、音響ネットワーク手段が減衰材料を含むことを特徴とする。

さらに有利な実施形態は、円筒形コンジットが減衰材料を備えることを特徴とする。

さらに有利な実施形態は、減衰材料がポート中の抵抗素子として使用されることを特徴とする。

さらに有利な実施形態は、減衰材料が撥水性を有することを特徴とする。

図面を参照しながら本発明について説明する。この説明では、３つの変換器について述べる。第１の変換器（タイプＩ）は、振動板の後面と接触するが、周囲空気とは間接的にしか接触しない閉空間を有するものであり、第２の変換器（タイプＩＩ）は、本発明による機能を有する周囲空気に直接接続された音響ネットワークの最も基本的なものとして、振動板の後面につながる開口を有するものであり、第３の変換器（タイプＩＩＩ）は、本発明による機能を有する音響ネットワークのさらに別のより洗練された形としてポートを備えた閉容積を有するものである。各変換器は、その等価図を示す各図面、ならびに有用な変換器の寸法および実際の使用中に生じる力に基づくシミュレーションによって得られる結果を示す各図面により実証される。様々な状況の音源は１に正規化されているので、ｄＢ単位で表される各曲線の絶対レベルは、それ自体では物理的な意味はないことに留意されたい。

等価回路およびそれらの性質の表現では、以下の参照符を用いる。

Ｓｈ 不活性な変換器ハウジングの組織に対する有効接触面積（例えば同心円状に分布した複数の面積要素についてハウジングの半径ａｈおよびセンサ振動板の半径ａｄから計算される）
Ｚｈｒ Ｓｈから計算される、変換器ハウジングから雰囲気中への機械領域放射インピーダンス
Ｚｈｍ 変換器ハウジング質量（Ｍｈ）の機械領域インピーダンス
Ｚｈｔ 変換器ハウジングに作用する機械領域組織インピーダンス（Ｓｈから計算される）。離散要素Ｒｈｔ、ＭｈｔおよびＣｈｔからなる。

Ｚｈａ 変換器ハウジングを保持する手／腕の機械インピーダンス（約４０Ｎｓ／ｍ）
Ｓｄ 活性センサ振動板の組織に対する有効接触面積（同心円状に分布した複数の面積要素についてセンサ振動板の半径ａｄから計算される）
Ｚｈｒ Ｓｄから計算される、センサ振動板（振動板と同じ面積を有する単なる後面変換器開口）から雰囲気中への機械領域放射インピーダンス
Ｚｄｃ センサ振動板コンプライアンス（Ｃｄ）の機械領域インピーダンス
Ｚｄｔ センサ振動板に作用する機械領域組織インピーダンス（Ｓｄから計算される）。離散要素Ｒｄｔ、ＭｄｔおよびＣｄｔからなる。

Ｚｐｖ （センサ振動板の後方にあり、かつポートを含まない）空気チャンバ容積（Ｖｐ）のコンプライアンスの音響領域インピーダンス
Ｚｐｐ 離散要素ＲｐおよびＭｐからなるポートの音響領域インピーダンス
Ｚｐｒ ポート開口から雰囲気中への機械領域放射インピーダンス
計算は、以下の、本発明の１実施形態による変換器を備えたハウジングの性質の設計値に基づいて行う。

ａｈ＝２０ｍｍ
ａｄ＝６ｍｍ
ｍｈ＝５０ｇ
ｃｄ＝８ｍ／Ｎ
Ｖｐ＝０．４ｍｌ
ａ＝０．５ｍｍ
ｂ＝４ｍｍ
ｌ＝１５ｍｍ
Ｆ＝４Ｎ（変換器が胸部に加える力）

図１には、背中を下にして横たわった人体の一部と、皮膚に接して配置された変換器Ｔが示してある。図１ａに示す変換器は、振動板１をそのリムで保持して周囲部分５を構成する内側ハウジング３を含む外側ハウジング４からなる。さらに、信号を導き、その静電遮蔽を行うクランピング機構６が設けられている。ハウジングは、例えばファントム電源を使用する前置増幅器／インピーダンス変換器２も保持することができる。振動板１は、それ自体既知の屈曲すると電圧を生じるトランスフレクス（ｔｒａｎｓｆｌｅｘｕｒａｌ）圧電積層板、または圧電素子Ｐにすることができる。一方の電極は、実際の金属振動板からなり、他方の電極は、この薄い圧電材料シートの反対側に堆積させたものである。振動板は、ハウジングの周囲部分と面一になるように、または少なくとも同じ面内に取り付けられ、周囲部分５は皮膚との気密接触が確保されるような直径または幅を有する。ハウジングを密閉し、これにより振動板の後面を空気伝播音から遮蔽し、キャビティＣを形成する。これが従来技術の全体像である。

図２には、本発明による変換器の構成要素の簡略な構成が示してあり、図３には、周囲雑音（ａｍｂｉｅｎｔ ｎｏｉｓｅ）から変換器のハウジングを通ってセンサ振動板の前面（人体と接触する側）までの伝播経路の電気的等価回路が示してある。周囲雑音は、周囲雑音圧力信号が変換器ハウジングを押し、それによりその下にある組織に、センサ振動板に作用する圧縮（圧力）を生じさせたときに、センサ振動板の前面（組織に向いた面）にもたらされる。この可撓性センサ振動板の変換器ハウジングへの固定は、剛性で質量のないピストン（表面積Ｓｄ）を変換器ハウジングに取り付けたばね（Ｚｄ）で支持したものとすると、有効な近似が得られる。

便宜的に、検知される周囲雑音は、２つの「ステージ」に分割することができる。最初に、周囲雑音圧力信号が（ジェネレータ出力インピーダンスとして働くハウジング放射インピーダンスを介して）変換器ハウジングに結合する。個々で、この信号を機械力信号に変換することができ、ハウジング質量の負荷ならびに取り付けられた組織のインピーダンス（例えば胸部インピーダンス）を導入することができる。次いで、得られた入力力信号に対して面積変換を行い、不活性なハウジング接触面積Ｓｈから活性なセンサの面積Ｓｄに変換し、センサ振動板（主に機械的コンプライアンス）およびその下の組織による負荷寄与を適用することができるようにする。図３は、周囲雑音から変換器ハウジングを介してセンサ振動板の前面までの伝達経路の電気的等価回路を示す図である。センサ出力は、センサ振動板コンプライアンス要素の両端間にかかる力に比例するものと想定している。その結果生じる、センサ振動板に作用する力は、下記の（１）を用いて計算することができる。組織からの反応によってハウジングの頂部にかかる下向きの力がセンサ振動板に対して上向きにかかることになることにより、最終的な影響の符号が逆になることに留意されたい。

この式において、Ｐａは入力周囲圧力雑音信号を示しＦ_{ａｍｂ、ｃｌｏｓｅｄ}はその結果生じる、センサ振動板の前面にかかる衝撃を示す。さらに、Ｚｄはセンサ振動板の機械的インピーダンスを示し、これは下記の（２）により算出される。ここで、Ｃｄは振動板の機械コンプライアンスである。

さらに、Ｚｄｔは、例えば非特許文献１に記載されている、加えられる力および接触表面積によらない一自由度系（直列状態のＳＤＯＦの質量系、コンプライアンス系および減衰系）であるセンサ振動板に作用する組織インピーダンスによる寄与を示す。この非特許文献１によれば、０．６Ｎの力をかけた状態で直径３０ｍｍの円形の接触表面を組織に押し当てるという条件と平均的な人間の胸部組織インピーダンスとを組み合わせると、おおよそ、質量Ｍｔ＝５．４ｇｒ．、コンプライアンスＣｔ＝０．６２ｍｍ／Ｎ、および減衰Ｒｔ＝４．８Ｎｓ／ｍというＳＤＯＦ要素の組が得られる。組織全体のインピーダンスは、下記の（３）となる。

ハウジング質量の機械負荷インピーダンスＺｈｍは、下記の（４）を用いて算出することができる。ここで、Ｍｈはハウジング質量である。
Ｚｈｍ＝ｊωＭｈ （４）

放射インピーダンスＺｈｒは、下記の（５）から推定することができる。（５）は、インピーダンスを２π空間に拡張して計算するものであり、この式において、αｈは、ハウジングの放射面積（例えばＳｈ）と同じ面積を有する円形剛性ピストンの等価半径であり、ｋは波数である。

使用者が変換器を手で保持する場合には、手／腕のインピーダンス負荷が、Ｓｈ面積領域内で作用するＺｈｒ、ＺｈｔおよびＺｈｍと直列に含まれることがある。（１）に与える影響は、分母にＺｈａインピーダンス要素が加算されることである。ここで、

である。

ほとんどの実際の状況では、センサ振動板の後面は閉容積（振動板の撓みを見込む空間）に向いており、この要素の固有負荷も、原理的にはセンサ振動板の撓みに影響を及ぼすことになる。しかし、通常は、この閉空間はセンサ振動板に比べて軟らかいばねとして働くので実際には重要ではなく、したがって、上記の等価回路はこの要素を含んでいない。例外的に必要となった場合には、それを表す空気チャンバ容積コンプライアンス・インピーダンス要素を、Ｚｄｔと直列になるようにこのモデルに追加するものとする。

生理学的信号用の変換器の有用性は、雑音の影響を抑制する能力だけでなく、それと同じくらい、適切な生理学的信号を受信する能力に大きく左右される。変換器への入力は２つの経路を介して起こる。１つは胸部インピーダンスを介する経路であり、もう１つはハウジングを介する経路である。音源自体は、高インピーダンス速度音源であるとみなされるので、生理学的信号の音伝達の電気的等価物は、上記で定義した用語を用いた図１３に示す構造に従って決定される。状況によっては、変換器ハウジングを保持する手／腕からの影響が重要性を持つこともあるが、その場合には、この図にｘで示すように、ＭｈｔおよびＭｈと直列にＺｈａを挿入すれば、Ｚｈａからの負荷寄与を組み込むことができる。さらに、この負荷寄与をＣｄと直列に付加することにより、密閉空気キャビティ容積が含まれることになる。

センサ振動板に作用する力は、このモデルから、（７）に従って算出することができる。

所望の信号および望ましくない信号の両方に対する変換器の感度の数式表現が得られれば、変換器の性能を信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比で有効に表すことができ、これは周波数に依存する。技術的解決策の例または実施形態を比較するために、Ｓ／Ｎ比は、いくつかの代表的な構成の周波数の関数として与えられることになる。上述のように、ｄＢ単位の値は単に相対的なものである。

上記で与えた寸法および重量を有するタイプＩの変換器は、図４に示すように動作することになる。ここで与える変動は、パラメータａｈの変動（上）およびａｄの変動（下）である。実線は公称値を示し、破線はそれぞれの公称値の２倍を示し、点線はそれぞれの公称値の半分を示す。このパラメータ変動の結果を観察すると、変換器の不活性接触面積と変換器の活性接触面積の比が増大すると周囲雑音の全体的な抑制が改善されることは明らかである。不活性面積を一定に保ちながら活性面積を減少させた場合（ａｄ変動）に得られる結果は、この効果を最も明確に実証している。ただし、ａｈ変動の場合にも、不活性面積を増大させる（活性センサ面積は一定に保つ）と、共振ノッチ（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｎｏｔｃｈ）が高周波数側に移動し、それにより変換器システムの動作周波数範囲が有効に拡大する傾向がある。通常の聴診の音情報は、１０００Ｈｚを上限としてそれ以下の範囲にあり、この点より下では高レベルの抑制を維持しながら共振ノッチをこの点より上に押し上げることにより、共振点を下方に調整して、共振点より上方をさらに良好な周囲雑音抑制で補償する場合に比べて、実際の信号対雑音比が効果的に改善される。

変換器の活性接触面積と変換器の不活性接触面積の比（１８）の方が、これらの表面積自体の物理的半径の絶対値よりも重要であるという支配的な考えにより、これらの半径の有効な変動は、面積比Ｓｄ／Ｓｈをその公称値から半分にする、１倍する、または２倍する変動として定義される。同心円状に分布した円形の面積要素の場合には、面積比は、（８）のように表すことができる。

密閉型変換器システムのこのパラメータ分析の結果（図４）を観察すると、変換器の不活性接触面積と変換器の活性接触面積の比が増大すると、周囲雑音の全体的な抑制が改善することが明らかである。不活性面積を一定に保ちながら活性面積を減少させた場合（ａｄ変動）に得られる結果は、この効果を最も明確に実証している。ただし、ａｈ変動の場合にも、不活性面積を増大させる（活性センサ面積は一定に保つ）と、共振ノッチが高周波数側に移動し、それにより変換器システムの動作周波数範囲が有効に拡大する傾向がある。通常の聴診の音情報は、１０００Ｈｚを上限としてそれ以下の範囲にあり、この点より下では高レベルの抑制を維持しながら共振ノッチをこの点より上に押し上げることにより、共振点を下方に調整して、共振点より上方をさらに良好な周囲雑音抑制で補償する場合に比べて、実際の信号対雑音比が効果的に改善される。

生理学的振動信号に対する変換器の感度を大きく損なうことなく、変換器が空気伝播周囲雑音に対する感受性を低下させるために、センサ素子の後方で変換器ハウジングに開口を設け、（タイプＩＩ）それによりシステムに侵入する周囲雑音を打ち消すことを可能にするという考えが試行されている。最も簡単な種類の後面音通路は広開口であり、これにより、その結果生じる振動板の後面にかかる有効圧力は、変換器ハウジングに作用する圧力のそれと等しくなる。図５は、基本的にセンサ振動板と同じ直径を有する円筒形コンジットからなる単純な開口を備えた、単純な開口付き変換器システムの物理的構成を示す図である。これにより、周囲雑音は、どのようなフィルタリング作用も受けずに振動板の後面に到達することができる。

この単純な開口がシステム全体の周囲雑音応答に与える影響は、下記の（９）および（１０）に従って計算することができる。これは、上記で述べたように、単純に結果として生じる後面の力成分を相補的な前面の力成分から引くものである。
Ｆ_{ｄ、ｒｅａｒ、ｓｉｍｐｌｅ}＝Ｐ_ａＳｄ （９）

（１０）から推定される興味深い詳細の１つは、不活性な変換器ハウジングの接触面積Ｓｈが増大し、かつ変換器ハウジングの質量が減少すると、変換器の周囲雑音に対する感受性が効果的に低下するように見えることである。

上記で与えた寸法および重量を有するタイプＩＩの変換器は、図６に示すように動作することになる。ここで与える変動は、パラメータａｈの変動（上）およびａｄの変動（下）である。実線は公称値を示し、破線はそれぞれの公称値の２倍を示し、点線はそれぞれの公称値の半分を示す。

単純な開口付き変換器システムの性能のシミュレーション結果（図６）を見ると、タイプＩについて上述したのと同じ特徴の多くがこの状況でもやはり得られるという印象を受ける。ただし、（同じ点における）高周波数応答が密閉型システムより常に劣っているという基本的な相違はあらゆる状況で明らかである。この負の効果に対処する唯一の方法は、高周波数共振ノッチをこの周波数範囲内で可能な限り高く押し上げることである。この特徴は、面積比Ｓｄ／Ｓｈを減少させることにより、非常にうまく処理される。この場合も、ａｄを減少させることが、最も大きな影響を変換器の性能に及ぼすことが確認されている。

このタイプの変換器は、振動板の後面を周囲空気に接続する大きな開口中に、好ましくはハウジングの外側表面と面一に音響抵抗手段を備えることができるので有利である。この音響抵抗手段は、変換器の比較的高い周波数範囲でＳ／Ｎ比の改善に寄与することになる。この手段は、フェルトおよび不織繊維材料から有利に選択され、好ましくは撥水外表面を備える。これは、主に高周波数領域で活性となるインピーダンスの明確な抵抗部分を与えるだけでなく、損傷を受けやすい振動板を塵や湿気から守る環境保護も提供するという２つの機能を有する。さらに、このタイプの保護は、限られた量の塵または散水にさらされても、音響特性を変化させない。

タイプＩおよびＩＩの双方について、活性接触表面積と不活性接触表面積の比Ｓｄ／Ｓｈが（別々に見たこれらの面積個々の大きさ以上に）、周囲雑音を最大限に低減させるための変換器システムの最適化における中心要素であることを実証した。公称パラメータ値では、面積比が１／１０以下の値を有し、また半径を変化させる間に１／２０以下の値を試験し、公称値より優れていることが分かった。

図１１および図１２は、ａｈ変動（図１１）またはａｄ変動（図１２）の間に実施した、面積比値１／２０、１／１０および１／２についてのシミュレーションを示す図である。各グラフは、密閉型システムの雑音性能と、さらにこの密閉型システムに優る単純な開口付きシステムの改善の状態とを示している。下側の曲線群は、密閉型変換器システム（タイプＩ）の応答を表し、上側の曲線群は、密閉型システムに優る単純な開口付きシステム（タイプＩＩ）の改善の状態を示している。面積比Ｓｄ／Ｓｈ１／２０（破線）、１／１０（実線）および１／２（点線）について示してある。

面積比変化の影響下では、密閉型システムの応答はレベル全体も劇的に変化するが、その共振位置も１２００Ｈｚ以下（Ｓｄ／Ｓｈ＝１／２０）から２００Ｈｚ以下（Ｓｄ／Ｓｈ＝１／２）まで変化する。単純な開口付きシステムの相対的な性能を見ると、密閉型システムの応答共振より上では、単純な開口付きシステムの方が密閉型システムより劣っていることが分かる。単純な開口付きシステムでは、面積比Ｓｄ／Ｓｈ＝１／２であるときに、結合状態の後面の有利な値の下限が約２００Ｈｚに規定される（これらの定義した物理条件の場合）。

上記の２００Ｈｚまでの周波数範囲のみを独立して考えると、これがこの特定の周波数範囲において有効な改善であることは言うまでもなく、例えば基本心音や低周波雑音などのみに関心が向けられている場合には、おそらくこれで十分であろう。より一般的な聴診システム（聴診器など）で使用するには、最も聞き取りにくい心雑音（微弱な肺音も同様）は常に２００Ｈｚ超の周波数範囲に存在するので、２００Ｈｚという限界はまったく十分ではない。このスケールの反対側の末端では、Ｓｄ／Ｓｈ＝１／２０であるときに、密閉型システムの共振が１０００Ｈｚ超に移動し、非常に広い動作周波数範囲内で良好な減衰が可能になるので、実際に非常にうまく機能する。

図９は、周囲雑音がセンサ振動板の後面に当たる前に周囲雑音の２次低域フィルタリングを実行するポート／空気キャビティ容積の組合せを有する変換器システム（タイプＩＩＩ）の物理構成を示す図である。図７は、ハウジングに取り付けたタイプＩＩＩ変換器をさらに詳細に示す図である。キャビティ７は、明確に定義された特性を有するポート８によって周囲空気と連絡している。皮膚と接触する振動板の表面は、振動板による見地に影響を及ぼさない材料、すなわち振動板が接触している組織と同様の性質を有する材料のコーティングまたは層９で保護することができる。これは、振動板を配置する周囲部分５に形成した浅い凹部に斜線で示してある。この図では、振動板の半径ａｄがハウジングの半径ａｈの約５０％であり、それに対応した面積比が約２５％であることが分かるであろう。

このポート／容積システムは、その共振周波数および共振状態におけるオーバシュートを特徴とし、共振状態より上での応答は２次低域ロールオフであるが、共振より下ではこのシステムは単純な開口とほぼ同じと考えられる。その応答を正確に推定するためには、センサ振動板コンプライアンスによる寄与をモデリングに含めることが必要となることがある。振動板コンプライアンスは、空気キャビティ容積コンプライアンスと並列に作用し、容積コンプライアンスが振動板コンプライアンスより有意に大きくない場合には、システム全体の共振周波数の低下を招くことになる。等価回路を図８に示す。この図は、基本的に、周囲雑音の床からセンサ振動板の後面までの伝播経路を示している。

このモデルから、後面側周囲雑音圧力振動入力の寄与は、（１１）を用いて算出することができる。

インピーダンス要素Ｚｐｖは、（１３）から算出される空気容積音響コンプライアンスである。ここで、Ｖはキャビティ容積を示す。

さらに、Ｚｐｐは、例えば通常減衰率（１４）を高めるために導入される細いスリットについて計算した、直接に接続された減衰要素および質量要素からなるポート音響インピーダンスである。この細いスリットのインピーダンスは、その長さｌ（音伝播方向と平行）、その幅ａ（音伝播に直交。スリット内の対向する２つの平面の間の最小距離）、およびスリット高ｂから推定することができ、定数ηは空気の粘度（約１８．３×１０^−６Ｎｓ／ｍ）を示す。

後面側の振動板圧力信号がポート／容積音響フィルタ・システムを通過したシステムでその結果得られるセンサ振動板に作用する力は、各側の寄与の合計となる。
Ｆ_{ａｍｂ、ｐｏｒｔ}＝Ｆ_{ｄ、ｃｌｏｓｅｄ}+Ｆ_{ｄ、ｒｅａｒ、ｐｏｒｔ} （１４）

上記で与えた寸法および重量を有するタイプＩＩＩの変換器は、図１０に示すように動作することになる。ここで与える変動は、上から下に、ａｈの変動、ａｄの変動、ｍｈの変動、およびｃｄの変動であり、最後のものは振動板のコンプライアンスである。実線は公称値を示し、破線はそれぞれの公称値の２倍を示し、点線はそれぞれの公称値の半分を示す。

上述の単純な後面開口型およびポート／容積フィルタ開口型の他に、振動板後面に当たる周囲雑音信号の誘導／フィルタリングの様々な興味深い原理がある。その例としては、例えば周囲に向く大面積端部とセンサ振動板に連結された小面積端部とを有する音響ホーンが挙げられる。また、複数の結合されたポートおよびキャビティまたは受動振動板（スレーブ・バス・ラウドスピーカ・システム（ｓｌａｖｅ ｂａｓｓ ｌｕｏｄｓｐｅａｋｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ）から既知）からなる音響導波路は、変換器の周囲雑音耐性を最適化する上で興味深いことが分かっている。

タイプＩＩに関連して上述したように、音響抵抗手段は、フェルトおよび不織繊維材料から有用に見つけることができるが、これらは非常に小さくする必要がある。あるいは、タイプＩＩＩの場合のポートは、ハウジングにスリットとして形成した場合に、かなりの長さおよびそれに応じた細い幅を有することができる。これは、一部が偶然に閉じられてもそれほど機能の妨害にならないので、特に有利である。非湿潤性表面をスリットに設けることにより、水がたまることが防止される。実際には、これは、レーザ形成したスリットを有するＰＴＦＥインサートとして得ることができる。

タイプＩおよびタイプＩＩに関連して上述した考察と同様の考察により、タイプＩＩＩでも、Ｓｄ／Ｓｈを本発明による限界内の範囲に保つことにより明白な利点が得られ、また、タイプＩＩＩではより多くのパラメータを変動に利用することができ、それらのパラメータによりＳｄ／Ｓｈの寄与をＳ／Ｎ比で表される特定の所望の周波数応答に合わせることができるという結論が得られる。この環境では、１／２０の値が良好に機能する。

以上の特定の実施形態の説明により、当業者なら既存の知識を適用することによって、必要以上の実験を行わずに、また本発明の包括的な概念を逸脱することなく、様々な応用分野に合わせてこれら特定の実施形態を容易に修正または改変することができる程度に、本発明の概略的な性質は明らかになったであろう。したがって、これらの改変形態および修正形態も、開示の実施形態の均等物の趣旨および範囲内に含まれるものとする。本明細書で用いた表面または用語は、限定を目的とするものではなく、説明を目的としたものであることを理解されたい。開示の様々な機能を実施するための手段、材料およびステップは、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な形態をとることができる。

したがって、「〜する手段」、「〜するための手段」などの表現、あるいは上記本明細書および／または頭記特許請求の範囲に見られる機能に関する記述がその後に続く任意の方法ステップの表現は、上記本明細書に開示の実施形態の１つまたは複数と全く同じであってもそうでなくても、既存のまたは将来現れる可能性があるあらゆる構造的、物理的、化学的もしくは電気的要素または構造、あるいはあらゆる方法ステップを定義し、カバーする。すなわち、同じ機能を実行するその他の手段またはステップを使用することができる。また、これらの表現は、最も広い意味で解釈されるものとする。

人体の皮膚の上に配置された、従来技術による変換器を示す図である。 従来技術の変換器の構造を示す図である。 本発明の第１の実施形態による変換器（タイプＩ）の各成分を示す図である。 図２に示す変換器の電気的等価回路を示す図である。 図２に示す変換器のＳ／Ｎ性能を示す図である。 本発明の第２の実施形態による変換器（タイプＩＩ）の各成分を示す図である。 図７に示す変換器のＳ／Ｎ性能を示す図である。 本発明の第３の実施形態による変換器（タイプＩＩＩ）の構造を示す図である。 図７に示す変換器の電気的等価回路を示す図である。 図７に示す変換器の各成分を示す図である。 タイプＩＩＩ変換器のＳ／Ｎ比性能を示す図である。 本発明の１態様による、ハウジングの面積を変化させた場合の面積比の変化の結果を示す図である。 本発明の１態様による、振動板の面積を変化させた場合の面積比の変化の結果を示す図である。 所望の生理学的信号に対する感度を決定する等価回路を示す図である。

Claims (15)

1. 変換素子（１）を含み、前記変換素子が前面および後面を有し、該前面が人体の一部分の表面と密着することができ、前記表面が人体からの直接内音を伝達し、前記変換素子（１）が、前記変換素子の前面を取り囲む表面（５）を有する空気伝播雑音を受けるハウジング（３）中に取り付けられ、前記変換素子および前記周囲表面が使用中に前記人体の一部分の表面と密着する生物音響信号用変換器（Ｔ）であって、
   変換素子（１）の有効面積（ａｄ）がハウジングの周囲表面（５）の面積（ａｈ）の５０％未満であり、変換素子の後面が、周囲空気と連絡した音響ネットワーク手段（７、８）による負荷を受け、前記負荷が、変換素子の前面および後面に影響を及ぼす空気伝播雑音信号の間に相殺関係を生み出すことを特徴とする生物音響信号用変換器（Ｔ）。
2. 変換素子（１）の有効面積（ａｄ）が、面積比０．５０≧ａｄ／ａｈ≧０．００１を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変換器。
3. 変換素子（１）の有効面積（ａｄ）が、面積比０．２０≧ａｄ／ａｈ≧０．０５を満たすことを特徴とする請求項１に記載の変換器。
4. 変換素子（１）が、屈曲したときに電気的出力を与える複合振動板であることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。
5. 変換素子（１）が、振動板の前面の伸びが後面の伸びと異なるときに電気的出力を与える複合振動板であることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。
6. 音響ネットワークが、間接的に空気伝播雑音の影響を受けるハウジングのキャビティからなることを特徴とする請求項１または２に記載の変換器。
7. 音響ネットワークが、ハウジング内のキャビティ（７）および少なくとも１つのポート（８）からなることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
8. 音響ネットワークが、振動板と基本的に同じ直径を有する円筒形コンジットからなることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
9. ポートが細いスリットで構成されることを特徴とする請求項７に記載の変換器。
10. スリットが非湿潤性の材料で構成されることを特徴とする請求項９に記載の変換器。
11. 機械的振動を伝達することができる弾性材料（９）を、皮膚と振動板の間を封止するように設けることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
12. 音響ネットワーク手段が減衰材料を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の変換器。
13. 請求項８の円筒形コンジットが減衰材料を供えることを特徴とする請求項１２に記載の変換器。
14. 減衰材料が、請求項７のポート（８）内で抵抗素子として使用されることを特徴とする請求項１２に記載の変換器。
15. 減衰材料が撥水性を有することを特徴とする請求項１２に記載の変換器。

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