JP4373191B2 - Portable stethoscope - Google Patents
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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。 The present invention relates to a portable stethoscope that can be mounted on a patient's body and moved.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a stethoscope that incorporates a microphone in a stethoscope and listens to heart sounds and the like with the microphone is known (see, for example, Patent Document 1). In addition, a stethoscope is known in which only a hearing part with a built-in microphone is attached to a patient's body for examination (see, for example, Patent Document 2). Then, the patient's condition is grasped by reproducing the sound collected by the microphone using a speaker or the like.
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。 However, it is difficult to separate vital signs such as heart sounds and breathing sounds from the voice signal because the frequency band is the same, and such a stethoscope always monitors heart sounds and breathing sounds. Has a disadvantage in terms of privacy protection because it also detects voice. In addition, since doctors and others finally listen to the voice to judge the patient's condition, it is unsuitable for urgent things such as childhood asthma attack monitoring.
請求項1の発明に係る聴診器は、単一の半導体基板上に設けられ、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素子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に記載の聴診器は、請求項1に記載の聴診器において、複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を備え、振動面のそれぞれは、所定仮想平面上に備えられていることを特徴とする。
請求項3に記載の聴診器は、請求項1に記載の聴診器において、複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を備え、振動面のそれぞれは、半導体基板の片面側に備えられていることを特徴とする。
請求項4に記載の聴診器は、請求項1に記載の聴診器において、複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、基板から延びるカンチレバーと、カンチレバーに接続されて、検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を有する振動板と、を備えていることを特徴とする。
請求項5に記載の聴診器は、請求項1に記載の聴診器において、複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、半導体基板上に形成され音圧により振動する振動面と、振動面上に形成された第1の電極と、半導体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ことを特徴とする。
請求項6に記載の聴診器は、請求項1乃至5のいずれかに2に記載の聴診器において、検出用素子で検出された信号をFM変調して送信する送信部を備えたことを特徴とする。
Stethoscope according to the invention of
The stethoscope according to
The stethoscope according to
The stethoscope according to claim 4 is the stethoscope according to
The stethoscope according to
The stethoscope according to
本発明によれば、単一の半導体基板上に、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おり、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。 According to the present invention, on a single semiconductor substrate, and a plurality of different condenser microphone elements having the detected frequency to each other, by selecting one as the detection element, different heart sound of detection frequency for the audio signal And vital signs such as breathing sounds can be easily separated, and the desired vital signs can be detected with high sensitivity.
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。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a stethoscope according to the present invention. A
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。
The
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。
The
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。
Next, a method for manufacturing the
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)、SiO2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。
First, an SOI (Silicon On Insulator)
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)。
Next, an
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。
Using this
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O2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SiO2層312をエッチングする。
The
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SiO2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。
In the step of FIG. 5B, after forming a SiO 2 layer 316 having a thickness of 0.15 μm on the surface of the
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。
The
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。
Next, in FIG. 5C, the
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。
6A, a resist 320 is applied on the
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。
Thereafter, by removing the resist 320, the
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。
Next, a method for forming the fixed
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。
In the step shown in FIG. 8B, a resist is applied on the
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。
8D, using the resist
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。
In the step shown in FIG. 9A, a resist 134 is applied to the surface of the
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。
Next, the
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SiO2層135を形成する(図10(a)参照)。
In the step shown in FIG. 9D, the
次に、SiO2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SiO2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SiO2層135が現れるまでSi130をエッチングする。
Then, applying a resist 136 for protection on the surface side of the Si130 which the SiO 2 layer 135 is formed (shown upper surface), the SiO 2 layer 135 on the back side (shown lower side) is etched by RIE to remove (See FIG. 10B). Thereafter, after cleaning with hydrofluoric acid,
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SiO2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。
When the
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。
Finally, the
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。
The
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。
In the capacitor-
fs = (λπ / 2a2) · √ (G / μ) (1)
In Expression (1), a is the length of one side of the square diaphragm portion D, and μ is the area density of the diaphragm portion D. λ is a natural frequency coefficient. In the lowest-order vibration mode, the value is 3.646 when the square plate has four sides fixed. G is the bending rigidity of the diaphragm portion D, and is determined by the Young's modulus, Poisson's ratio, and thickness of the member forming the diaphragm portion D.
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。
From equation (1), it can be seen that the resonance frequency fs is inversely proportional to the square of the length a of one side of the diaphragm portion D, that is, the area. Further, the Q value representing the sharpness of the resonance characteristics increases as the mass of the diaphragm portion D and the spring constant increase. Then, by adjusting these numerical values, the
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。
Table 1 shown below shows the objects to be measured by the
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。
Since the detection frequency band of the
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。
In the case of monitoring an asthma attack of an asthma patient, if the resonance frequency fs of the
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。
In the above-described embodiment, only one
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。
For example, in the case of an auditory sound, a plurality of
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。
Also, in the case of detecting an asthma attack or a sign of childhood asthma by listening to the breathing sound, individual differences are greater than in the case of heart sounds, so a larger number of
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。
In the
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。
In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the electrode formation surfaces of the diaphragm portion D and the
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
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記複数のコンデンサマイクロフォン素子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。 A plurality of condenser microphone elements provided on a single semiconductor substrate and having different detection frequencies;
A stethoscope comprising selection means for selecting any one of the plurality of condenser microphone elements as a detection element.
前記複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、前記検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を備え、
前記振動面のそれぞれは、所定仮想平面上に備えられていることを特徴とする聴診器。 The stethoscope according to claim 1,
Each of the plurality of condenser microphone elements includes a vibration surface that vibrates at a resonance frequency corresponding to the detection frequency,
Each of the vibration surfaces is provided on a predetermined virtual plane.
前記複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、前記検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を備え、
前記振動面のそれぞれは、前記半導体基板の片面側に備えられていることを特徴とする聴診器。 The stethoscope according to claim 1,
Each of the plurality of condenser microphone elements includes a vibration surface that vibrates at a resonance frequency corresponding to the detection frequency,
Each of the vibration surfaces is provided on one side of the semiconductor substrate.
前記複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、
基板から延びるカンチレバーと、
前記カンチレバーに接続されて、前記検出周波数に対応する共振周波数で振動する振動面を有する振動板と、を備えていることを特徴とする聴診器。 The stethoscope according to claim 1,
Each of the plurality of condenser microphone elements is
A cantilever extending from the substrate;
A stethoscope comprising: a diaphragm connected to the cantilever and having a vibration surface that vibrates at a resonance frequency corresponding to the detection frequency.
前記複数のコンデンサマイクロフォン素子のそれぞれは、前記半導体基板上に形成され音圧により振動する振動面と、
前記振動面上に形成された第1の電極と、前記半導体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。 The stethoscope according to claim 1,
Each of the plurality of condenser microphone elements is formed on the semiconductor substrate and vibrates due to sound pressure,
A first electrode formed on the vibration surface; and a second electrode fixedly provided with a gap at a position facing the vibration surface on the semiconductor substrate;
A stethoscope, wherein a resonance frequency of the vibration surface of the condenser microphone element is set in accordance with the detection frequency.
前記検出用素子で検出された信号を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。 The stethoscope according to any one of claims 1 to 5,
A stethoscope comprising a transmission unit that FM modulates and transmits a signal detected by the detection element.
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