JP7448176B2

JP7448176B2 - 音波検出装置

Info

Publication number: JP7448176B2
Application number: JP2019088188A
Authority: JP
Inventors: 隆夫染谷; モハメドオスマンゴニナイーム; 成薫李; ハンビッ陳; 直司松久; 裕明甚野; 明人宮本; 知之横田
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2039-05-08
Also published as: JP2020183898A

Description

本発明は、音波検出装置に関する。

生体情報を音として取得する機器として、従来から聴診器、加速度メーター等が用いられており、心臓のモニタリングには心電計が用いられている。しかし、これらの装置では、生態情報を高い精度で取得することが困難な場合があった。特に、心音から疾病を検出する際には、複数の周波数領域の心拍音の差異を検出することが重要であるが、上記従来の機器、装置では、検出感度が不足していた。また、長期間継続して生体情報の取得を行う場合には、電源の確保のために大がかりな装置になるという問題もあった。

そこで、下記非特許文献１には、ピエゾ素子とトライボエレクトリック素子との混成素子による、電源不要で生体情報の取得にも適用できる装置が開示されている。

Jung, W.-S. et al. High Output Piezo/Triboelectric Hybrid Generator. Sci. Rep. 5, 9309; DOI:10.1038/srep09309 （2015）.

しかし、上記非特許文献１の技術では、アーチ上に形成されたピエゾ素子に外力を作用させる必要があるので、エネルギーが微少である低周波数域の心音等の生体情報を高感度で検出することが困難であるという問題がある。

本発明の目的は、生体情報を音として高感度で取得することができる音波検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態は、音波検出装置であって、導電性繊維で構成された第１繊維層と、複数の前記第１繊維層の間に挿入され、非導電性繊維で構成された第２繊維層と、を備えることを特徴とする。

上記第１繊維層を構成する導電性繊維は、導電性物質が樹脂繊維表面にコーティングされた繊維であるのが好適である。

また、上記導電性物質は金であるのが好適である。

また、上記第２繊維層を構成する非導電性繊維が、ポリフッ化ビニリデンの繊維であるのが好適である。

本発明によれば、生体情報を音として高感度で取得することができる。

実施形態に係る音波検出装置の構成例を示す図である。実施形態に係る第１繊維層及び第２繊維層の詳細構成例を示す図である。実施形態に係る音波検出装置の平面図を示す図である。実施形態にかかる音波検出装置の動作の説明図である。実施例にかかる音波検出装置のアコースティック特性の測定結果を示す図である。実施例にかかる音波検出装置による心音の測定結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、実施形態に係る音波検出装置の構成例が示される。図１において、音波検出装置は、導電性繊維で構成された複数の第１繊維層１０と、上記第１繊維層の間に挿入され、非導電性繊維で構成された第２繊維層１２とを有する。なお、図１では、２層の第１繊維層１０の間に第２繊維層１２が挿入された例が示されているが、これには限定されず、複数の第１繊維層１０のそれぞれの間（例えば、第１繊維層が５層であれば、それぞれの間は４つある）に第２繊維層１２が挿入された構造であればよい。また、上記第１繊維層１０には、出力を取り出すための出力電極１４が接続されている。

図１に示された例では、第１繊維層１０が窓枠２０に支持されており、第２繊維層１２とともに積層されている。なお、図１では、第１繊維層１０と第２繊維層１２との間の空隙の距離が長く記載されているが、これは説明の便宜のためであって、各層間の距離が１～１００μｍ程度になるように近接して配置される。

図２には、第１繊維層１０及び第２繊維層１２の詳細構成例が示される。図２において、第１繊維層１０は、ポリウレタン（ＰＵ）繊維の表面がパリレン（パラキシリレン系樹脂登録商標）でコーティングされ、さらにパリレンのコーティング層の上に金（Ａｕ）がコーティングされた導電性繊維で構成されている。ＰＵ繊維（ＰＵナノファイバー）は、例えばエレクトロスピニングにより得ることができる。また、パリレンのコーティングは、化学気相法（ＣＶＤ法）により真空チャンバー中で形成することができ、金のコーティングは、真空チャンバーを用いた加熱蒸着により形成することができる。

図２の例では、第１繊維層１０が、窓枠２０に支持されており、窓枠２０を用いて第２繊維層１２を挟持し、この状態で第１繊維層１０と第２繊維層１２とが積層されている。

上記金のコーティングは、矩形状のポリウレタン繊維層（第１繊維層１０）の周囲の窓枠２０に支持された部分を除いた領域に形成されてもよいし、ポリウレタン繊維層の全体領域に形成してもよい。以後、金をコーティングした領域を電極領域１８という。なお、上記ポリウレタン繊維層に電極領域１８を形成する場合には、図１に示した出力電極１４と接続するための出力取出領域１６にも金をコーティングし、出力取出領域１６と電極領域１８とを電気的に接続する。

また、第２繊維層１２は、上述の通り非導電性繊維で構成されている。この非導電性繊維としては、圧電材料であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の繊維を使用するのが好適である。ポリフッ化ビニリデンの繊維を使用することにより、第２繊維層１２が音波により振動する際に、トライボエレクトリック効果に加え、圧電効果も得ることができるので、出力として取り出せる波形からより多くの生体情報を得ることができる。

上記ＰＶＤＦとしては、結晶構造がβ相であるのが、他の結晶構造（α相、γ相）より双極子モーメントが高く、高い圧電効果を示すため、好適である。この場合、結晶構造が完全にβ相のみの材料でなくてもβ相の割合が多ければ、高い圧電効果を示すことができる。

第２繊維層１２を構成するＰＶＤＦ等の非導電性繊維には、例えばエレクトロスピニングにより得たＰＶＤＦナノファイバーを使用することができる。

図３には、以上のようにして構成した音波検出装置の平面図が示される。図３は、外部から第１繊維層１０を見た図である。図３に示されるように、２枚ある第１繊維層１０のそれぞれには、電極領域１８と出力取出領域１６とが設けられている。また、第１繊維層１０は、窓枠２０に支持されている。電極領域１８と出力取出領域１６とは、上述したように金の蒸着により構成されている。

図４には、実施形態にかかる音波検出装置の動作の説明図が示される。図４において、音波Ａが音波検出装置の一方の第１繊維層１０に到達すると（Ｉ）、第１繊維層１０の繊維の間隙を通過して、第１繊維層１０の間に挿入された第２繊維層１２を振動させる。

図４の例では、音波Ａにより生じた空気の振動に応じて、第２繊維層１２が図の右方向に凸になるように変形し、第２繊維層１２が図の右側の第１繊維層１０の電極領域１８（図示せず）に接触する（ＩＩ）。次に、第２繊維層１２の右方向に凸の変形が無くなり第２繊維層１２と第１繊維層１０との接触が無くなる（ＩＩＩ）。さらに、上記空気の振動に応じて、第２繊維層１２が図の左方向に凸になるように変形し、第２繊維層１２が図の左側の第１繊維層１０の電極領域１８（図示せず）に接触する（ＩＶ）。

以上の動作を繰り返し、第１繊維層１０の電極領域１８と第２繊維層１２との接触、非接触に基づいてトライボエレクトリック効果が発現し、第２繊維層１２の変形により第２繊維層１２を構成するＰＶＤＦ繊維に圧電効果が発現する。この際に発現したトライボエレクトリック効果及び圧電効果は、電極領域１８と電気的に接続された出力取出領域１６及び出力電極１４を介して出力信号として取り出すことができる。この結果、音波検出装置に到達した音波Ａから、様々な生体情報を得ることができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。

実施例１＜ポリウレタンナノファイバー基板（第１繊維層）の作製＞
ポリウレタンナノファイバーシートを、”Miyamoto et al. Nature Nanotechnology、P.907-913, Vol.12, 2017”の記載に基づき、下記の通り適宜変更して作製した。

ポリウレタン溶液（大日精化製、ＲｅｚａｍｉｎＭ－８１１５ＬＰ）をＤＭＦ（Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド）とＭＥＫ（メチルエチルケトン）との混合溶媒（富士フイルム和光純薬株式会社製質量比ＤＭＦ：ＭＥＫ＝７：３）により希釈して１５％溶液を作製し、室温下２時間マグネティックスターラーを用いて攪拌した。

当該ポリウレタン溶液を用いてエレクトロスピニング装置（Ｆｕｅｎｃｅｅｓ－２０００）により以下の手順でポリウレタンナノファイバーシートを作製した。すなわち、２７Ｇ（ゲージ）の金属針を装着したガラスシリンジにポリウレタン溶液を注入し、射出距離（金属針先端と後述するポリイミドフィルムとの間の距離）１５ｃｍ、射出速度１０μＬ／分、印加電圧２０ｋＶの射出条件で、フッ素樹脂を表面に犠牲層としてコーティングしたポリイミドフィルム上に５分間ポリウレタンナノファイバーを射出しポリウレタンナノファイバーシートを作製した。射出したポリウレタンナノファイバーの径は５００ｎｍであった。

作製したポリウレタンナノファイバーシートは、内側のサイズが２．５×２．５ｃｍの窓枠上に転写した。この窓枠は、パリレン支持層を１μｍの厚みに蒸着した１２５μｍ厚みのポリイミドである。パリレン支持層は、厚さ１２５μｍのポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製上記サイズの枠状に形成）上に、日本パリレン社製のラボコータＰＤＳ－２０１０を用いて化学気相成長法（ＣＶＤ）でパリレン（ＫＩＳＣＯ社製ｄｉｘ－ＳＲ）を蒸着し、作製したものである。

上記ポリウレタンナノファイバーを射出したポリイミドフィルムはポリウレタンナノファイバー基板を製造する際の一時的な基板として用い、表面には犠牲層としてフッ素樹脂を、ミカサ株式会社製ＭＳ－Ｂ１００を使用してスピンコートで形成した。次いでポリウレタンナノファイバーシートを上記窓枠のパリレン支持層上に転写した。ここで、転写とは、フッ素樹種をコーティングしたポリイミドフィルムからポリウレタンナノファイバーシートを剥離させ、窓枠のパリレン支持層上に載せて固定することをいう。

以上の製法により、ポリウレタンナノファイバーシートは、窓枠の上ではポリイミド支持層上に支持され、窓枠の内側では自立している（固定されていない）構成になっている。

次いで、厚さ２００ｎｍのパリレン層を、ポリウレタンナノファイバーシートの各ポリウレタンナノファイバーの表面にコーティングし、ファイバー同士の接合を補強した。その後、各ポリウレタンナノファイバーの表面にコーティングされたパリレン層の上に、真空チャンバー（ＵＬＶＡＣ社製ＥＸ－２００）を用いた加熱蒸着により、シャドウマスクを用いて８０～１００ｎｍ厚さの金を蒸着させ、図２に示された出力取出領域１６と電極領域１８とを形成することでポリウレタンナノファイバー基板を製造した。なお、ポリウレタンナノファイバー基板の厚さはエレクトロスピニングの射出時間により調整することができる。

実施例２＜ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）ナノファイバーシート（第２繊維層）の作製＞
ＰＶＤＦナノファイバーシートも、上記実施例１と同様にエレクトロスピニング装置（ＦｕｅｎｃｅＥＳ－２０００）を用いて作製した。

まず、２ｇのＰＶＤＦペレット（モル質量２７５，０００ｇｍｏｌ^－１，シグマアルドリッチ社製）を、容量比４：６で混合したＤＭＦとアセトンとの混合溶媒中に溶解した。その後２時間７０℃で攪拌し、続けて室温で一晩攪拌して１９質量％のＰＶＤＦ溶液を調整した。このＰＶＤＦ溶液を、金属針（２７ゲージ）を装着したガラスシリンジに注入し、シリコンコーティングをした紙の上にＰＶＤＦナノファイバーを射出しＰＶＤＦナノファイバーシート（３．５×４．５ｃｍ）を作製した。

この場合、射出条件である射出距離は１５ｃｍに維持し、ＰＶＤＦナノファイバーシート形成のため２０分間ＰＶＤＦナノファイバーを射出した。このとき、エレクトロスピニングの条件設定のため３つのパラメータ（溶液濃度、印加電圧、射出速度）について検証した。具体的には、溶液濃度１５－２３％、印加電圧１５－３０ｋＶ、射出速度５－１５μＬ／分の範囲で検証し、ＰＶＤＦナノファイバー形成の最適条件を検討した。その検証結果から、エレクトロスピニングの最適条件を、溶液濃度１９質量％、印加電圧２０ｋＶ及び射出速度１０μＬ／分と設定した。

実施例３＜ナノファイバー及び音波検出装置の特性試験＞
・ナノファイバー特性測定
実施例１及び実施例２で製造したポリウレタン及びＰＶＤＦのナノファイバーそれぞれについて、その構造を走査型電子顕微鏡（ＨｉｔａｃｈｉＳ－４８００，ＦＥ－ＳＥＭ）（以下、ＳＥＭ）で検証した。ＳＥＭ画像を撮影し、画像処理ソフト（ＩｍａｇｅＪ）を用いてナノファイバーの直径を算出した。ポリウレタンナノファイバーの直径は５００ｎｍ，ＰＶＤＦナノファイバーの直径は４００ｎｍであった。

次に、Ｃｕ－Ｋα線（λ＝１．５４１Å（０．１５４１ｎｍ））を使用し、４０ｋＶ、３０ｍＡの条件でＸ線回折装置（リガク社製ＳｍａｒｔＬａｂ）によりアウトオブプレーン（Ｏｕｔｏｆｐｌａｎｅ）法のＸ線回折を行い、ＰＶＤＦナノファイバーの結晶構造がβ相であることを確認した。試料は、スキャンレート０．２°／秒、測定ステップを０．０２°とし、２θ－θ構成として１０°から６０°までを測定した。Ｘ線測定中、試料はガラス製のホルダに載置された。

・音波検出装置の作製
実施例２で製造したＰＶＤＦナノファイバーシート（第２繊維層）を実施例１で製造したポリウレタンナノファイバー基板（第１繊維層）の間に挿入し、上記窓枠を用いて挟持し、この構造を３層積層して音波検出装置を形成した。

・音波検出装置のアコースティック特性の測定
アコースティック特性の測定は、拡声器をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に接続し、音源として用いた。音の周波数及び音圧レベルは、オーディオテストソフトを用いて周波数１０Ｈｚ～１０，０００Ｈｚ、音圧９８ｄＢで制御した。なお、音圧レベルは、音圧レベル測定器を用いて測定した。音波検出装置からの電気的出力信号は、音波検出装置の出力取出領域１６に接続した出力電極１４を介し、オシロスコープに入力して測定した。測定試験中、測定機器から生じる偽振動を避けるため、重量のある石板で支持された固定枠に音波検出装置を取り付けた。

図５には、音波検出装置のアコースティック特性の測定結果が示される。図５において、横軸が音の周波数であり、縦軸が音波検出装置からの出力電圧である。図５に示されるように、心音の測定領域である１０Ｈｚから２０００Ｈｚの範囲で高い出力電圧が得られた。これにより、実施例に係る音波検出装置は、心音測定に好適であることがわかる。

実施例４＜心音測定＞
実施例３に係る音波検出装置を人の胸部上、僧帽弁の位置に取り付けて心音を測定した。心音信号の測定にはＮｅｕｒｏｐａｃｋ（日本光電社製ＭＥＢ９４０２）を用いた。

図６には、心音の測定結果が示される。図６において、横軸が音の測定時間であり、縦軸が音波検出装置からの出力電圧である。図６に示されるように、良好な心音波形を得ることができた。これにより、心音を高感度で取得できることがわかる。

１０第１繊維層、１２第２繊維層、１４出力電極、１６出力取出領域、１８電極領域、２０窓枠。

Claims

導電性繊維で構成された第１繊維層と、
複数の前記第１繊維層の間に挿入され、非導電性繊維で構成された第２繊維層と、
を備え、
前記第１繊維層には、出力電極が接続され、前記第２繊維層には、出力電極が接続されておらず、
前記第１繊維層と第２繊維層との層間の距離が１～１００μｍであり、音波により生じた空気の振動に応じて、前記第１繊維層と第２繊維層との接触、非接触を繰り返す、音波検出装置。
前記第１繊維層を構成する導電性繊維が、導電性物質が樹脂繊維表面にコーティングされた繊維である、請求項１に記載の音波検出装置。
前記導電性物質が金である、請求項２に記載の音波検出装置。
前記第２繊維層を構成する非導電性繊維が、ポリフッ化ビニリデンの繊維である、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の音波検出装置。