KR101327603B1 - 가중 생체 음향 센서 및 이를 사용하는 방법 - Google Patents

Abstract

생체 음향 에너지를 감지하는 센서는 사용 동안에 신체 부위와의 결합을 달성하도록 구성된 계면부를 포함하는 하우징을 포함한다. 센서는 하우징의 계면부에 결합되며 생물학적 기원 물체에 의해 생성되는 소리에 감응하도록 구성된 트랜스듀서 요소를 포함한다. 하나 이상의 전도체가 트랜스듀서 요소에 결합된다. 질량 요소가 트랜스듀서 요소의 표면에 유연하게 결합된다. 개재 재료가 트랜스듀서 요소 표면과 질량 요소 사이에 배치되고, 트랜스듀서 요소의 여기 중에 트랜스듀서 요소 표면과 질량 요소 사이의 차동 운동을 허용한다.

트랜스듀서, 전도체, 질량 요소, 개재 재료, 생체 음향 센서

Description

가중 생체 음향 센서 및 이를 사용하는 방법{WEIGHTED BIOACOUSTIC SENSOR AND METHOD OF USING SAME}

본 발명은 의료용 감지 장치에 관한 것으로, 특히 입력이 생체 음향 에너지의 변동이고 출력이 다른 형태의 에너지로의 변환인 센서 및 그러한 센서를 포함하는 장치에 관한 것이다.

심음(heart sound)과 같이 신체에 의해 생성된 소리를 검출하기 위해 다양한 장치가 개발되어 왔다. 공지된 장치는 청진기와 같이 주로 기계적인 장치로부터 마이크로폰 및 트랜스듀서(transducer)와 같이 다양한 전자 장치까지의 범위에 이른다. 예를 들어, 청진기는 심혈관계의 질병 및 상태의 진단에 사용되는 기본적인 도구이다. 이는 일차 보건 의료기관에서 그리고 원격지와 같이 정교한 의료 장비가 이용 불가능한 환경에서 그러한 질병 및 상태의 진단을 위해 가장 일반적으로 채용되는 기술로서 역할한다.

많은 전자 청진기가 시장에서 입수 가능하지만, 이들은 아직 의사 및 기타 의료 개업의에 의해 보편적인 승인을 얻어야 한다. 전자 청진기의 비 승인(non-acceptance)에 대한 가능한 이유는 관심 대상인 소정의 생물학적 소리의 증폭 및 재생과 관련된 제한뿐만 아니라, 환자 평가 동안에 임상의를 방해하는 잡음 또는 인공 산물(artifact)의 생성을 포함한다. 예를 들어, 생물학적 소리는 존재하지만 잡음에 의해 감춰질 수 있거나 완전히 존재하지 않을 수 있으며, 종래의 많은 전자 청진기는 이들 두 경우를 구별할 수 없다.

청진기 성능에 영향을 주는 잡음은 관심 대상인 신호 이외의 임의의 신호로서 정의될 수 있다. 다양한 유형의 잡음은 예를 들어 외부 또는 주위 잡음, 청진과 관련된 잡음, 청진기의 전자 회로에 의해 발생된 잡음, 및 환자의 신체에 의해 생성된 생물학적 특질의 잡음을 포함한다.

개선된 감도 및 견고함을 갖는 생체 음향 센서에 대한 요구가 존재한다. 청진기와 같은 다양한 유형의 의료용 감지 장치에 포함될 수 있고, 종래의 구현예에 비해 개선된 신호-대-잡음 비를 제공하는 센서에 대한 추가적인 요구가 존재한다. 본 발명은 이들 및 기타 요구를 충족시킨다.

본 발명은 생체 음향 에너지를 감지하기 위한 센서 및 이를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 음향 센서는 사용 동안에 신체 부위와의 결합을 달성하도록 구성된 계면부를 포함하는 하우징을 포함한다. 센서는 하우징의 계면부에 결합되며 생물학적 기원 물체에 의해 생성되는 소리에 감응하도록 구성된 트랜스듀서 요소를 포함한다. 하나 이상의 전도체가 트랜스듀서 요소에 결합된다. 질량 요소가 트랜스듀서 요소의 표면에 유연하게 결합된다.

개재 재료가 트랜스듀서 요소 표면과 질량 요소 사이에 배치된다. 개재 재료는 트랜스듀서 요소의 여기 중에 트랜스듀서 요소 표면과 질량 요소 사이의 차동 운동을 허용한다. 개재 재료는 바람직하게는 감압 접착제와 같은 접착제를 포함한다. 개재 재료는 음향 신호를 전달할 수 있고 낮은 음향 임피던스를 갖는다.

질량 요소, 개재 재료 및 트랜스듀서 요소 표면은 트랜스듀서 요소 상에 충돌하는 생체 음향 에너지에 응답하여 트랜스듀서 요소의 기계적 변형을 허용하도록 구성된다. 바람직하게는, 질량 요소, 개재 재료 및 트랜스듀서 요소는 트랜스듀서 요소에 의해 생성 가능한 신호를 효과적으로 증폭하도록 구성된다. 트랜스듀서 요소에 의한 신호 생성 증가는 여기 중에 트랜스듀서로 전달되는 생체 음향 에너지의 손실 감소를 포함할 수 있다.

질량 요소는 트랜스듀서 요소 표면의 유효 변환 부분의 사실상 전부를 덮을 수 있다. 대안적으로, 질량 요소는 트랜스듀서 요소의 유효 변환 부분의 전부보다 작게 덮을 수 있다.

질량 요소는 질량체와, 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 강성 시트 또는 멤브레인을 포함할 수 있고, 질량체 자체는 강성 표면을 갖는다. 강성 시트 또는 멤브레인의 제1 표면은 개재 재료와 접촉하도록 배열될 수 있고, 질량체는 제2 표면에 인접하여 배치될 수 있다.

하나의 구현예에서, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 압전 필름(예를 들어, PVDF2 필름)이 파우치 내에서처럼 폴리에스테르 필름 내에 봉입된다. 약 0.0015 인치 두께의 폴리에스테르 필름이 예를 들어 PVDF2 필름의 각 면 상에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 트랜스듀서 요소는 라미네이트 구조를 포함할 수 있다. 라미네이트 구조는 압전 필름, 필름 형태의 웨이트(weight), 및 하나 이상의 접착층을 포함할 수 있다.

질량 요소는 금속, 비금속 재료, 또는 복합 재료를 포함할 수 있다. 질량 요소는 트랜스듀서 요소의 x-y 평면에 대하여 실질적으로 균일한 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 질량 요소는 대안적으로 트랜스듀서 요소의 x-y 평면에 대하여 실질적으로 선형인 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 다른 구성에서, 질량 요소는 트랜스듀서 요소의 x-y 평면에 대하여 실질적으로 비선형인 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 질량 요소는 단일 질량체 또는 복수의 개별 질량체 설비를 포함할 수 있다.

트랜스듀서 요소는 바람직하게는 트랜스듀서 요소의 변형에 응답하여 전기 신호를 변조 또는 발생시키도록 구성된다. 트랜스듀서 요소는 중합체 압전 필름과 같은 압전 재료, 또는 압전 저항 또는 압전 세라믹 재료 또는 요소를 포함할 수 있다. 트랜스듀서 요소는 하나 이상의 스트레인 게이지 또는 하나 이상의 용량성 요소를 포함할 수 있다. 트랜스듀서 요소는 평평하거나, 만곡된 또는 주름진 구성의 경우에서와 같이 평평하지 않을 수 있다.

센서의 하우징은 사용 동안에 신체 부위에 핸드헬드(hand-held) 결합하도록 구성될 수 있다. 센서는 하우징에 결합되어 사용 동안에 하우징과 신체 부위 사이에 부착을 달성하도록 구성된 고착 설비(arrangement)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 하우징에 결합되어 사용 동안에 하우징과 신체 부위 사이에 접착 결합을 달성하도록 구성된 점착 설비를 포함할 수 있다.

전기 전도체일 수 있는 하나 이상의 전도체가 트랜스듀서 요소에 결합된다. 다른 구성에서, 트랜스듀서 요소에 결합된 전도체(들)는 적어도 하나의 광 전도체를 포함할 수 있다. 광 전도체는 변환기 회로에 결합될 수 있다. 변환기 회로는 센서로부터 멀리 위치되고 수신된 광 신호를 출력 전기 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 변환기 회로는 한 쌍의 이어폰과 같은 하나 이상의 전기-음향 변환기에 결합될 수 있다. 변환기 회로는 센서로부터 이격되게 위치된 전자 장치에 변환기 회로를 결합시키도록 구성된 인터페이스에 결합될 수 있다.

센서의 하우징은 기부 및 커버를 포함할 수 있다. 기부는 계면부를 포함할 수 있고, 커버는 유연한 접합 설비를 통해 기부에 결합될 수 있다. 커버는 흡음재를 포함할 수 있다. 하우징의 계면부는 강성에 있어서 상대적으로 유연한 것부터 사실상 강성 또는 경성까지의 범위일 수 있다. 하우징의 계면부는 중합체 재료, 금속 또는 합금, 복합 재료, 또는 세라믹 또는 결정성 재료를 포함하거나 이로부터 형성될 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 유형의 2개 이상의 트랜스듀서 요소를 포함하는 센서 유닛이 구현될 수 있고, 여기서 각각의 트랜스듀서 요소는 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된다. 예를 들어, 각각의 트랜스듀서 요소는 소정의 강성, 중량, 형상 및 두께를 갖고, 각각의 트랜스듀서 요소의 강성, 중량, 형상 및 두께 중 적어도 하나는 센서의 다른 트랜스듀서 요소의 강성, 중량, 형상 및 두께 중 적어도 하나와는 상이하다. 각각의 트랜스듀서 요소는 공통 고정 설비 또는 개별 고정 설비에 의해 하우징으로부터 지지될 수 있다.

각각의 트랜스듀서 요소의 이득 응답이 선택 가능하게 조절될 수 있도록 이득 제어 회로가 제공될 수 있다. 잡음 상쇄 회로가 제공될 수 있고, 이는 하우징의 계면부 이외의 하우징 내에 배치된 보조 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 잡음 상쇄 회로는 트랜스듀서 요소 및 보조 트랜스듀서에 결합될 수 있다.

청진기는 본 명세서에 기술된 유형의 센서를 포함하도록 구현될 수 있다. 본 발명의 센서는 본 명세서에 기술된 유형의 단일의 트랜스듀서 요소 또는 다수의 트랜스듀서 요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 유형의 하나 이상의 센서를 포함하도록 헬멧이 구현될 수 있고, 헬멧은 잡음 상쇄 회로를 포함할 수 있다.

센서는 센서와 하우징의 외부 장치 사이에서 유선 또는 무선 통신을 촉진하도록 구성된 통신 회로를 포함하도록 구현될 수 있다. 센서는 트랜스듀서 요소에 결합된, 디지털 신호 프로세서와 같은 신호 처리 회로를 포함할 수 있다. 신호 처리 회로는 트랜스듀서 요소에 의해 생성된 감지 신호를 필터링하고/하거나 감지 신호에 대한 분석을 수행하도록 구성될 수 있다.

추가 실시예에 따르면, 생체 음향 에너지를 감지하는 방법은 생체 음향 에너지에 응답하여 트랜스듀서를 여기시키는 단계를 포함한다. 본 방법은 여기 중에 트랜스듀서로 전달되는 생체 음향 에너지의 손실을 감소시키는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 또한 트랜스듀서의 여기에 응답하여 트랜스듀서에 의해 신호를 변조 또는 발생시키는 단계를 포함한다. 생체 음향 에너지의 손실을 감소시키는 단계는 트랜스듀서의 여기 중에 트랜스듀서와 강성 질량체 사이의 차동 운동을 촉진하게 하는 단계를 포함할 수 있다.

결합 달성 단계는 센서 하우징의 계면부와 신체 부위 사이에 핸드헬드 결합을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 계면부와 신체 부위 사이의 결합은 점착 또는 신체에 고착가능한 구속 설비를 거쳐 달성될 수 있다.

트랜스듀서에 의해 발생 또는 변조된 신호는 전기 신호일 수 있고, 본 방법은 전기 신호를 광 신호로 변환하는 단계와 광 신호를 센서 하우징에서 멀리 전달하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 트랜스듀서 부재의 주파수 응답은 변경될 수 있다. 트랜스듀서 부재 및 적어도 하나의 보조 트랜스듀서 요소를 사용하여 잡음 상쇄가 수행될 수 있다. 센서 하우징 내에 배치된 장치와 센서 하우징의 외부의 장치 사이에 통신이 달성될 수 있다. 다양한 형태의 아날로그 및/또는 디지털 신호 처리 및/또는 분석이 트랜스듀서에 의해 변조 또는 발생된 신호에 대해 수행될 수 있다.

본 발명의 상기의 개요는 본 발명의 각각의 실시예 또는 모든 구현예를 설명하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 보다 완전한 이해와 더불어 이점 및 효과는 첨부 도면과 관련하여 취해진 이하의 상세한 설명 및 청구의 범위를 참조함으로써 명백해지고 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중 트랜스듀서 요소를 포함하는 트랜스듀서 조립체를 포함하는 센서의 도면.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 강화 시트 또는 멤브레인 및 가중 트랜스듀서 요소를 포함하는 트랜스듀서 조립체를 포함하는 센서의 도면.

도 3A 내지 도 3I는 본 발명의 일 실시예에 따른 트랜스듀서 요소에 유연하게 결합될 수 있는 질량 요소의 다양한 구성을 도시하는 도면.

도 4는 각각의 트랜스듀서 조립체의 트랜스듀서가 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 다른 트랜스듀서와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된, 다수의 트랜스듀서 조립체를 포함하는 센서의 도면.

도 5A는 트랜스듀서가 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 다른 트랜스듀서와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된, 공통 고정 설비에 장착된 다수의 트랜스듀서를 포함하는 센서의 도면.

도 5B는 트랜스듀서가 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 다른 트랜스듀서와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된, 다수의 트랜스듀서 조립체 및 각각의 트랜스듀서 조립체의 트랜스듀서 요소에 유연하게 결합된 단일 질량 요소를 포함하는 센서의 도면.

도 5C는 트랜스듀서가 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 다른 트랜스듀서와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된, 다수의 트랜스듀서 조립체, 강화 시트 또는 멤브레인, 및 각각의 트랜스듀서 조립체의 트랜스듀서 요소에 유연하게 결합된 단일 질량 요소를 포함하는 센서의 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 동안에 하우징과 신체 부위 사이에 긴밀한 결합을 제공하는 접착층을 포함하는 하우징 내에 장착된 트랜스듀서를 포함하는 센서의 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 동안에 하우징과 신체 부위 사이의 긴밀한 결합을 제공하는 탄성 고착 설비를 포함하는 하우징 내에 장착된 트랜스듀서를 포함하는 센서의 도면.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용 동안 하우징과 신체 부위 사이의 긴밀한 결합을 촉진하기 위해 손 조작이 용이하도록 구성된 형상의 하우징 내에 장착된 트랜스듀서를 포함하는 센서의 도면.

도 9A는 본 발명의 센서를 포함하는 청진기를 도시한 도면.

도 9B는 본 발명의 한 쌍의 센서를 포함하는 헬멧을 도시한 도면.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 회로의 블록선도.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 사용하는 센서에 의해 생성된 신호를 전달하기 위한 회로의 도면.

본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태로 될 수 있지만, 그 구체적 사항은 도면에 예시적으로 도시되어 있으며 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 한정하고자 의도한 것이 아님을 이해해야 한다. 오히려, 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되는 발명의 범주 내에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안예를 포함하고자 한다.

예시된 실시예의 하기의 설명에서, 본 명세서의 일부를 구성하며 본 발명이 실시될 수 있는 다양한 실시예가 예시로서 도시된 첨부 도면을 참조한다. 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 실시예들이 이용될 수도 있으며 구조적 변경이 이루어질 수도 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 생물학적 기원 물체에 의해 생성된 소리에 감응하도록 구성된 센서 및 이를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다. 센서 및 그러한 센서를 포함하는 장치는 청진을 위해 구성된 것들을 포함하고, 예를 들어 심장, 폐, 성대 또는 신체의 다른 기관 또는 조직에 의해 생성된 소리에 감응하도록 구성될 수 있다. 예로서, 본 발명의 센서는 전자 청진기, 헬멧 또는 신체에 의해 생성된 소리를 감지하는 다른 외부 착용 또는 결합 장비 또는 기구에 포함될 수 있다. 본 발명의 센서는 또한 예를 들어 신체 내에 이식된 심음 또는 폐음(lung sound) 모니터와 같이 신체 내에 일시적으로 또는 영구적으로 고착되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 센서는 인간 청각과 관련된 주파수 범위에 대해 우선적으로 감응하도록 구현될 수 있다. 그러나, 가청 주파수 범위 미만 및/또는 초과의 신체 소리와 관련된 주파수가 또한 본 발명의 센서에 의해 감지될 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 센서는 DC 바로 위와 약 25㎑ 사이의 범위의 주파수를 갖는 신체 소리를 감지하도록 구현될 수 있다. 본 발명의 센서는 가청 주파수 범위 내에 속하는 가청 출력을 생성할 수 있거나, 가청 주파수 범위 초과 및/또는 미만의 콘텐츠를 포함하는 전기 또는 광 센서를 생성할 수 있다.

본 발명의 생체 음향 센서는 바람직하게는 트랜스듀서의 변형에 응답하여 전기 신호를 발생 또는 변조하도록 구성된 트랜스듀서를 포함한다. 적합한 트랜스듀서는 압전(piezoelectric) 재료(유기 및/또는 무기 압전 재료), 압전 저항(piezoresistive) 재료, 스트레인 게이지, 용량성 또는 유도성 요소, 선형 가변식 차동 변환기, 및 변형에 응답하여 전기 신호를 발생 또는 변조하는 다른 재료 또는 요소를 포함하는 것들이다. 적합한 압전 재료는 중합체 필름, 중합체 폼(foam), 세라믹, 복합 재료 또는 그 조합을 포함한다. 추가로, 본 발명은 동일한 또는 상이한 트랜스듀서 유형 및/또는 상이한 트랜스듀서 재료의 트랜스듀서들의 어레이(array)를 포함할 수 있고, 이들 모두는 직렬로, 개별적으로, 또는 다층 구조로 연결될 수 있다.

본 발명자는 본 발명에 따라 구현된 가중 또는 강화 압전 필름 트랜스듀서를 포함하는 생체 음향 센서가 예를 들어 종래의 압전 필름 트랜스듀서 설비에 비해 현저하게 개선된 감도를 제공한다는 것을 발견했다. 가중 압전 필름 트랜스듀서의 감도는 트랜스듀서 요소와 질량체 사이에 배치된 강성 시트, 필름, 또는 멤브레인의 추가에 의해 향상될 수 있다. 예를 들어, 충분한 질량의 강성 시트의 사용이 현저하게 개선된 트랜스듀서 감도를 제공할 수 있다. 하나의 실험에서, 센서 감도는 압전 필름 트랜스듀서 요소에 유연하게 결합된 질량체의 추가에 의해 25배보다 많이 개선되었다. 본 발명의 생체 음향 센서용으로 적합한 압전 필름은 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,434,114호, 제4,365,283호 및 제5,889,873호에 개시된 것을 포함한다.

이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중 트랜스듀서 요소를 포함하는 트랜스듀서 조립체(11)를 포함하는 센서(10)를 도시한다. 도 1의 실시예에 따르면, 센서(10)는 트랜스듀서 조립체(11)가 장착되는 하우징(12)을 포함한다. 트랜스듀서 조립체(11)는 고정 설비(18)를 통해 하우징(12)에 의해 지지되거나 하우징에 달리 연결되는 트랜스듀서(14)를 포함한다. 트랜스듀서(14)는 하 나 이상의 전도체(16)에 대한 접속(들)을 허용하는 하나 이상의 전기 접점을 포함한다. 전도체(16)는 전형적으로 전기 전도체 또는 와이어이지만, 대안적으로는 이하에 논의되는 실시예의 경우에서와 같이 전기-광 변환기 회로에 연결된 광섬유일 수 있다.

도 1에 도시된 실시예에서, 트랜스듀서(14)는 하우징(12)의 계면부(13) 상에 충돌하는 신체음(S_BS)으로부터 생성되는 진동이 트랜스듀서(14)로 쉽게 전달되도록 하우징(12)에 장착된다. 트랜스듀서(14)가 하우징(12)의 계면부(13)를 통해 트랜스듀서(14)로 전달되는 진동을 받도록 허용하는 많은 장착 구성이 고려된다.

도 1에 도시된 트랜스듀서(14)는 고정 설비(18)에 의해 하우징(12)에 부착된다. 고정 설비(18)는 하우징의 계면부(13)에 트랜스듀서(14)를 견고하게 또는 유연하게 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 고정 설비(18)는 예를 들어 에폭시, 화학 결합, 용접 또는 납땜 접합, 나사(들)/너트(들), 리벳(들) 또는 다른 기계적 커플링 또는 감압 접착제일 수 있다. 적합한 고정 설비(18)는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠(3M)으로부터 둘 모두 입수 가능한, 번호 924 스카치 어드히시브 트랜스퍼 테이프(Scotch Adhesive Transfer Tape) 또는 번호 DP100 스카치 웰드(Scotch Weld) 에폭시 접착제를 들 수 있다. 덜 유연한 고착 설비가 하우징의 계면부(13)로부터 트랜스듀서(14)로의 보다 양호한 진동 전달을 제공할 것으로 여겨진다.

개재 재료(21)에 의해 트랜스듀서(14)에 유연하게 결합되는 질량체(19)가 도 1에 또한 도시되어 있다. 트랜스듀서(14)와 질량체(19) 사이에 배치된 개재 재료(21)는 음향 신호를 전달할 수 있는 재료이다. 개재 재료(21)는 또한 트랜스듀서(14)의 여기 중에 트랜스듀서(14)와 질량체(19) 사이의 차동 운동을 허용한다. 질량체(19)와 트랜스듀서(14) 사이의 차동 운동의 허용은 트랜스듀서(14)의 변환 요소가 적절하게 기능하기 위한 필수 조건인 트랜스듀서 요소(14)의 기계적 변형을 허용한다.

개재 재료(21)는 감압 접착제 층과 같은 접착층일 수 있다. 다른 유형의 개재 재료(21)는 미국 미시건주 미들랜드 소재의 다우 코닝(Dow Corning)으로부터 입수 가능한 번호 732 실리콘 실란트(Silicone Sealant), 또는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠으로부터 입수 가능한 번호 924호 스카치 어드히시브 트랜스퍼 테이프의 하나 이상의 층을 포함한다. 개재 재료(21)는 개방 셀 폴리우레탄 저밀도 폼과 같은 폼 재료를 포함할 수 있다. 개재 재료(21)는 바람직하게는 낮은 음향 임피던스를 갖는다.

추가적으로, 질량체(19)는 트랜스듀서(14)에 대해 비교적 강성의 지지(backing)를 제공한다. 질량체(19)에 의해 제공되는 강성 지지는, 하우징(12) 상에 충돌하는 음파 에너지의 결과로서, 진동 또는 굽힘에 의해 또는 압축 모드에서 전기 신호를 발생시키는 트랜스듀서의 능력을 향상시킨다. 질량체(19), 개재 재료(21) 및 트랜스듀서는 트랜스듀서(14)에 의해 생성 가능한 신호를 효과적으로 증폭하도록 함께 작동한다.

질량체(19)는 도 1에 도시된 바와 같이 트랜스듀서(14)의 유효 변환 부분의 사실상 전부를 덮을 수 있다. 대안적으로, 질량체(19)는 트랜스듀서(14)의 유효 변환 부분의 전부보다 작게 덮을 수 있다. 질량체(19)는 예를 들어 금속, 중합체 재료와 같은 비금속 재료, 또는 복합 재료로 형성될 수 있다. 트랜스듀서(14)와 대면하는 적어도 질량체(19)의 표면이 관심 대상의 음파 및 그의 푸리에 주파수 범위에 대해 높은 반사 계수를 갖는 것이 바람직하다. 일반적으로, 금속 및 그의 합금 및 세라믹과 같이 경질이며 조밀한 재료가 적합하다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 트랜스듀서 조립체(11)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 도 2에 도시된 센서(10)의 많은 특징은 본질적으로 도 1을 참조하여 전술한 것이다. 도 2에 도시된 실시예에 따르면, 트랜스듀서 조립체(11)는 시트, 필름, 멤브레인 또는 다른 유형의 강성 지지 구조물의 형태일 수 있는 강화 층(17)을 포함한다. 강화 층(17)은 질량체(19)와 개재 재료(21) 사이에 배치된다. 트랜스듀서(14)와 대면하는 적어도 강화 층(17)의 표면이 관심 대상의 음파 및 그의 푸리에 주파수 범위에 대해 높은 반사 계수를 갖는 것이 바람직하다.

강화 층(17)은 강화 층(17)과 질량체(19) 사이에 제공된 접착제 또는 다른 형태의 고착 설비(예를 들어, 기계식 커플링 또는 용접부)를 포함할 수 있다. 개재 층(21)은 바람직하게는 트랜스듀서(14)에 강화 층(17)을 유연하게 결합시키기 위한 접착 인터페이스를 제공한다.

하나의 구현예에서, 폴리비닐리덴 플루오라이드계 압전 필름(14; 예를 들어, PVDF2 필름)이 파우치 내에서처럼 폴리에스테르 필름 내에 봉입된다. 약 0.0015 인치 두께의 폴리에스테르 필름이 PVDF2 필름(14)의 각 면 상에 배치될 수 있다. 다른 구현예에서, 트랜스듀서 요소(14)는 라미네이트 구조를 포함할 수 있다. 라미네이트 구조는 압전 필름, 필름 형태의 웨이트(weight), 및 하나 이상의 접착층을 포함할 수 있다.

일반적으로, 강화 층(17)의 표면 영역은 바람직하게는 트랜스듀서(14)의 변환 부분의 표면 영역과 동일한 공간에 걸쳐 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 질량체(19)의 적용 범위는 트랜스듀서(14)의 변환 부분과 동일 면적일 필요는 없지만, 그러한 구성이 고려된다. 트랜스듀서(14)에 대한 질량 요소(19)의 크기, 형상 및/또는 위치가 트랜스듀서(14)의 주파수 응답 및 감도를 변화시킬 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도 3A 내지 도 3H는 질량체(19)의 다양한 구성을 도시한다. 도 3A 내지 도 3H에 도시된 바와 같이, 질량체(19)는 트랜스듀서(14)의 x-y 평면에 대하여 실질적으로 균일한 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 일부 구성에서, 질량체(19)는 트랜스듀서(14)의 x-y 평면에 대하여 실질적으로 선형인 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 다른 구성에서, 질량체(19)는 트랜스듀서(14)의 x-y 평면에 대하여 비선형 중량 분포 프로파일을 가질 수 있다. 질량체(19)는 단일 질량체일 수 있거나, 둘 이상의 개별 질량체 설비를 포함할 수 있다. 질량체(19)의 많은 다른 구성이 고려되고, 도 3A 내지 도 3H는 이 중 일부만을 나타내며, 제한적으로 고려되지 않아야 한다.

트랜스듀서(14)는 트랜스듀서(14)의 각각의 단부들 사이에 형성된 영역이 트랜스듀서(14) 상에 작용하는 힘에 응답하여 굽혀질 수 있도록 (예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이) 트랜스듀서 조립체(11) 내에 배열된다. 트랜스듀서(14)는 바람직하게는 트랜스듀서(14)의 기계적 변형을 측정 가능한 전기 파라미터로 변환하는 재료 또는 요소를 포함한다. 전술한 바와 같이, 특히 압전 재료 또는 압전 저항 재료, 스트레인 게이지, 용량성 또는 유도성 요소, 또는 선형 가변식 차동 변환기와 같이 변형에 응답하여 신호를 변조 또는 발생시키는 다양한 트랜스듀서가 사용될 수 있다.

예를 들어, 트랜스듀서(14)의 구성, 사용된 변환 재료 또는 요소의 유형, 및 재료/요소의 변형의 배향 및 방식에 따라, 유용한 전기적 응답이 트랜스듀서 요소의 다양한 영역에 위치된 전극 또는 접점에서 발생될 수 있다. 예를 들어 전도성 중합체, 금속화된 포일(metallized foil), 또는 변환 재료/요소를 포함하는 전도성 페인트 라미네이트 또는 샌드위치로 전기 접속이 이루어질 수 있다. 유용한 측정 가능한 전기 파라미터는 예를 들어 전압, 전류, 또는 전기 저항의 변화를 포함한다.

편극 플루오로중합체 폴리비닐리덴 플루오라이드(polarized fluoropolymer polyvinylidene fluoride, PVDF)와 같이 소정의 반결정성 중합체는 압전 응답을 포함할 수 있는 압전 감응 특성을 갖는 것이 알려져 있다. PVDF는 전압을 힘 또는 변위의 함수로서 발생하기 위해 다양한 센서에서 사용된다. 중합체 수지 압전 재료가 특히 유용한데, 그 이유는 중합체가 가요성이면서 탄성적이기도 한 감지 요소로서 실시될 수 있고, 힘을 받을 때 탄성적으로 편의된 변형을 나타내는 감지 신호를 발생시킬 수 있기 때문이다.

일 실시예에 있어서, 트랜스듀서(14)는 감지 요소로서 적합한 압전 중합체의 얇은 스트립(strip)을 포함한다. 트랜스듀서(14)의 감지 요소는 스트립이 변형을 받을 수 있도록 트랜스듀서 조립체(11) 내에 배향되는데, 이는 가해진 힘에 응답하는 감지 요소의 압축 또는 인장을 초래한다. 전기 접점이 감지 요소와 함께 만들어져, 힘에 응답하여 전압 신호가 생성되도록 한다. 트랜스듀서(14)의 감지 요소의 변형은 중합체 사슬 또는 반결정성 격자 구조에 있어서 전하의 상대 위치를 변화시키고, 이에 의해 감지 요소 변형의 크기와 관련된(예를 들어, 비례적으로 관련된) 크기를 갖는 전압을 발생시킨다.

도 1 및 도 2에 도시된 하우징(12)은 계면부(13)를 포함한다. 신체 내로부터 발생된 생체 음향 신호(S_BS)는 예를 들어 계면부(13)에 충돌하는 것으로 도시되어 있다. 하우징의 계면부(13)는 센서(10)의 사용 동안에 신체 부위와의 결합을 달성하도록 구성된다. 예를 들어, 계면부(13)는 환자의 가슴 또는 가슴을 덮고 있는 의복과 접촉하게 되는 하우징(12)의 표면일 수 있다. 하우징(12)은 또한 센서(10)의 사용 동안에 주위 환경과 대면하는 하우징(13)의 영역일 수 있는 비-계면부(15)를 포함한다. 분리 가능한 커버일 수 있는 비-계면부(15)는 흡음재 또는 다른 진동 감쇠 재료 또는 설비를 포함할 수 있다.

트랜스듀서 조립체(11)는 트랜스듀서(14)가 비-계면부(15)와 같은 하우징(12)의 다른 부분에 비해 계면부(13)를 거쳐 트랜스듀서(14)로 전달된 생체 음향 에너지에 대해 우선적으로 감응하도록 하우징(12) 내에 장착된다. 도 1 및 도 2에 도시된 구성에서, 예를 들어 트랜스듀서(14)는 2개의 대향하는 주 표면을 갖는다. 트랜스듀서 조립체(11)는 트랜스듀서(14)의 주 표면이 하우징(14)의 계면부(13)에 사실상 평행하도록 하우징(12) 내에 장착된다. 특정 트랜스듀서 및 하우징 특징과 특성에 따라 다른 배향이 가능하다. 트랜스듀서(14)와 하우징(12)의 계면부(13) 사이의 바람직한 배향은 증가된 신호-대-잡음 비를 제공하는 것이다.

하우징(12)의 계면부(13)는 바람직하게는 계면부(13)로부터 트랜스듀서(14)로의 진동의 전달을 촉진하는 재료로부터 형성되거나 상기 재료를 포함하는데, 그러한 진동은 신체로부터 방사된 생체 음향 에너지로부터 유래하여 하우징(12)에 충돌한다. 계면부(13)는 바람직하게는 트랜스듀서(14)를 지지하기에 충분한 보전성을 갖는다. 상대적으로 유연한 것부터 사실상 강성까지의 범위에 걸치는 가지각색의 유연성을 갖는 아주 다양한 재료가 사용될 수 있음이 밝혀졌다.

계면부(13)용으로 적합한 또는 가공 가능한 재료로는 중합체 재료, 합금을 포함하는 금속, 복합체, 결정성 또는 세라믹 재료를 들 수 있다. 예를 들어, 적합한 또는 가공 가능한 재료는 점탄성 재료, 열가소성 재료, 열경화성 재료, 종이 재료(예를 들어, 판지), 및 미네랄 재료(예를 들어, 운모)를 포함한다. 다른 예로는 폴리카르보네이트, 스티렌, ABS, 폴리프로필렌, 알루미늄, 및 다른 플라스틱 및 시트 금속 합금을 들 수 있다. 이러한 재료의 열거는 단지 예시 목적을 위한 것이고, 적합한 또는 가공가능한 재료를 총망라한 확인을 구성하지 않음을 이해하여야 한다.

계면부(13)를 위한 상대적으로 강성인 재료의 사용은 생체 음향 신호에 대한 트랜스듀서(14)의 감도를 증가시키는 것으로 여겨진다. 광범위한 재료 및 강성이 충분한 또는 향상된 트랜스듀서 감도를 제공하는 것으로 또한 여겨진다.

본 발명의 센서(10)는 감지 성능에 악영향을 줄 수 있는 주위 잡음을 효과적으로 감쇠 또는 제거하는 잡음 상쇄 설비를 포함할 수 있다. 도 1, 도 2, 도 4, 및 도 5A 내지 도 5C에 도시된 것과 같은 센서(10)는 하우징(12) 내에 장착된 선택적인 보조 트랜스듀서(6)를 포함할 수 있다. 보조 트랜스듀서(6)는 바람직하게는 센서(10)에 의한 잡음 상쇄 방법론을 구현하는 데 사용된다. 예를 들어, 보조 트랜스듀서(6)는 주위 잡음에 우선적인 감도를 제공하는 하우징 위치에 장착될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 보조 트랜스듀서(6)는 하우징(12)의 비-계면부(15)(예를 들어, 커버)에 장착된다. 이러한 구성에서, 보조 트랜스듀서(6)는 하우징(12)의 비-계면부(15)에 충돌하는 주위 잡음으로부터 유래하는 진동에 우선적으로 감응한다. 보조 트랜스듀서(6)에 의해 생성 또는 변조된 신호는 주위 잡음에 기인하는 트랜스듀서(14)에 의해 생성 또는 변조된 신호의 콘텐츠를 상쇄하기 위해 사용될 수 있다.

보조 트랜스듀서(6) 및 트랜스듀서(14)에 의해 생성 또는 변조된 신호를 사용하여 잡음 상쇄를 수행하는 여러 공지된 방법이 사용될 수 있다. 보조 트랜스듀서(6)는 트랜스듀서(14)와 동일 또는 유사한 구조 및 구성일 수 있거나 상이한 구조 및 구성의 것일 수 있다.

센서(10)의 성능은 트랜스듀서(14)의 주파수 응답을 변경하도록 구성된 설비의 부가에 의해 향상될 수 있다. 그러한 설비는 트랜스듀서(14)의 특정 형상, 강 성, 중량 또는 두께일 수 있다. 이들 파라미터 중 하나 이상을 변화시키는 것은 트랜스듀서(14)의 주파수 응답을 변경할 수 있다. 다수의 트랜스듀서를 포함하는 센서 구현예에서, 예를 들어 각각의 트랜스듀서는 센서의 다른 트랜스듀서와는 상이한 강성, 중량, 형상 및 두께 중 적어도 하나를 갖는 것에 의해 상이한 주파수 응답을 제공할 수 있다. 상이한 중량 또는 중량 분포의 질량체(19)를 제공하는 것도 상이한 주파수 응답을 갖는 트랜스듀서(14)를 제공할 수 있다.

도 4 및 도 5는 상이한 중량 또는 중량 분포의 각각의 질량체(19a 내지 19n)에 유연하게 결합된 다수의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 트랜스듀서는 센서(10)의 다른 트랜스듀서와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된다. 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)는 동일하거나 상이한 설계(평면, 비평면, 또는 이들 둘 또는 다른 유형의 혼합)일 수 있다.

예를 들어, 센서(10)의 제1 트랜스듀서는 심음에 우선적으로 감응하도록 적당하게 가중될 수 있는 반면에, 센서(10)의 제2 트랜스듀서는 폐음에 우선적으로 감응하도록 적당하게 가중될 수 있다. 추가의 예로서, 센서(10)의 제1 트랜스듀서는 10 내지 200㎐ 주파수 범위의 정상적인 심장 판막 폐쇄 활동과 관련된 소리에 우선적으로 감응하도록 적당하게 가중될 수 있는 반면에, 센서(10)의 제2 트랜스듀서는 10 내지 700㎐ 범위의 비정상적인 심장 판막 폐쇄 활동(예를 들어, 판막 협착)과 관련된 소리에 우선적으로 감응하도록 적당하게 가중될 수 있다.

전술된 바와 같이, 트랜스듀서의 주파수 응답은 수 개의 파라미터, 가장 현 저하게는 트랜스듀서의 유효 변환 요소의 형상, 강성, 중량 및 두께에 의해 좌우된다. 이들 파라미터 중 하나 이상을 변화시키는 것은 트랜스듀서의 주파수 응답을 변경할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 이러한 파라미터들 중 적어도 하나가 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)에 대해 상이하며, 이는 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 각각의 트랜스듀서가 상이한 주파수 응답을 갖게 한다. 다른 파라미터가 상이한 주파수 응답을 달성하기 위해 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)들 간에 다를 수 있다는 것을 알아야 한다.

센서 또는 센서 하우징의 다른 파라미터가 상이한 주파수 응답 및/또는 감도를 달성하기 위해 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)에 대해 다를 수 있다는 것을 알아야 한다. 하우징(12), 보다 구체적으로는, 계면부(13)는 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)들의 어레이를 가로질러 상이한 주파수 응답을 제공하는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)를 지지하거나 달리 그에 영향을 주는 계면부(13)의 영역의 두께, 재료, 또는 다른 모양(aspect)이 변화될 수 있다. 원하는 방식으로 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 주파수 응답 및/또는 감도에 영향을 주도록 다양한 형상 및 재료의 요소가 계면부(13) 내로 삽입될 수 있다. 이와 같이, 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)를 지지하거나 이에 영향을 미치는 영역에서 하우징 구성 또는 재료의 차이를 제공함으로써 적어도 부분적으로 다수의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 주파수 응답 및/또는 감도에서의 차이가 달성될 수 있다.

도 5A는 공통 고정 설비(18)에 장착된 각각의 질량체(19a 내지 19n)에 유연 하게 결합된 다수의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 고정 설비(18)는 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)가 장착되는 강성 재료일 수 있다. 이러한 구성은 센서(10)의 트랜스듀서 섹션의 제조 및 조립 중 트랜스듀서 섹션의 하우징(12) 내로의 설치를 단순화할 수 있다.

도 5B 및 도 5C는 본 발명의 실시예에 따른 다수의 트랜스듀서 센서(10)의 2가지 예시적인 구성을 도시한다. 도 5B는 다수의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)와, 개재 재료(21)를 거쳐 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 트랜스듀서(14a 내지 14n)에 유연하게 결합된 단일 질량체(19)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 트랜스듀서(14a 내지 14n)는 바람직하게는 센서(10)의 다른 트랜스듀서(14a 내지 14n)와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된다.

도 5C는 다수의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)와, 강화 층(17)과, 개재 층(21)을 거쳐 각각의 트랜스듀서 조립체(11a 내지 11n)의 트랜스듀서(14a 내지 14n)에 유연하게 결합된 단일 질량체(19)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 트랜스듀서(14a 내지 14n)는 바람직하게는 센서(10)의 다른 트랜스듀서(14a 내지 14n)와 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성된다.

적합한 버퍼링(buffering)이 각각의 채널에 대해 제공된 상태로, 주어진 다중 트랜스듀서 조립체의 개별 트랜스듀서가 바람직하게는 개별 채널을 거쳐 센서의 감지/검출 회로 또는 프로세서에 결합될 수 있음을 이해하여야 한다. 여러 트랜스듀서(14a 내지 14n)들 사이에서 발생할 수 있는 어떠한 누화(cross talk)도 이후에 방지 또는 필터링함에 있어서 주의하는 것이 필요함을 이해하여야 한다. 그러한 채널은 전형적으로 각각의 트랜스듀서에 대해 전용으로 된 하나 이상의 전도체에 의해 형성되지만, 다양한 시간 또는 주파수 다중화(frequency multiplexing) 기술이 센서의 배선 설계의 복잡성을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.

임상의는 예를 들어 청진기를 통해 들은 소리에 기초하여 관련 심장병 징후를 검출하고 진단하는 것이 습득 및 숙련하는 데 수 년이 걸릴 수 있는 기술이라는 것을 잘 알고 있다. 비정상 심장 활동을 음향학적으로 검출하는 작업은 심음이 종종 아주 짧은 시간 주기에 의해 서로로부터 분리되고, 심장 질환을 특징짓는 신호가 종종 정상 심음보다 잘 들리지 않는다는 사실에 의해 어렵게 된다.

심잡음(heart murmur)을 정확하게 인식하는 의학생의 능력이 부족하다는 것이 보고되어 있다. 하나의 연구에 있어서, 13.5±9.8%의 학생만이 심잡음을 정확하게 진단할 수 있었고, 이는 강의, 심음의 설명 및 이어서 임상 경험에 의한 후속적인 수 년간의 훈련에 의해서도 향상되지 않는다는 것이 밝혀졌다. 또한, 음향 심리학 실험을 통해, 뇌가 차이를 인식하기에는 소리가 1200 내지 4400회 반복되어야 할 필요가 있음이 밝혀졌다. 이러한 정보를 이용하여, 정확하게 진단하는 의사의 능력에 대한 심음 반복의 효과를 평가하기 위한 연구가 수행되어 왔다. 그러한 하나의 연구를 각각의 심잡음이 500회 반복되는 4개의 기본 심잡음을 진단하는 51명의 의학생 의사와 수행하였다. 청진 기량의 상당한 향상(85±17.6%)이 관찰되었고, 이는 관심 대상인 심음을 500회 반복하는 것이 기본 심잡음을 정확하게 인식하는 기량을 증가시켰음을 증명한다.

40개보다 많은 알려진 상이한 "심잡음" 소리가 존재함을 알아야 한다. 이는 의사가 각각의 심음을 500회 듣고 40개의 알려진 심음 각각을 기억하는 것을 어렵게 할 것인데, 그 이유는 뇌는 소리를 오랫동안 듣지 않으면 기억을 잃어버리는 경향이 있기 때문이다.

심장 청진의 진단 기술에 있어서의 퇴보는 환자와 의사 모두가 대안적인 진단 방법에 의존하는 상황을 만들어 왔다. 심장전문의에게 문의하는 거의 80%의 환자가 정상 심장 또는 양성 심잡음만을 갖고 있는 것으로 보고되고 있다. 그러한 위양성(false positive)은 환자와 심장전문의 모두에게 상당한 시간 및 비용 낭비를 초래한다.

본 발명의 생체 음향 센서는 다양한 유형 및 특성의 심음에 감응하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 센서는 수 개의 트랜스듀서를 포함할 수 있는데, 트랜스듀서 각각은 하나의 또는 많은 알려진 심음과 관련된 주파수 또는 주파수 범위에 우선적으로 감응한다. 예를 들어, 개개의 트랜스듀서는 특정 심잡음을 검출하도록 "튜닝"될 수 있다. 절환(switching) 또는 주사(scanning) 기술이 채용될 수 있고, 이에 의해 트랜스듀서 어레이의 각각의 트랜스듀서는 선택적으로 임상의가 듣는 것을 가능하게 하거나, 무선 통신 링크의 사용에 의한 바와 같이 디스플레이/청각 장치로의 출력을 가능하게 한다.

보다 복잡한 구현예에 있어서, 40개 이상의 알려진 심음의 소리 프로파일이 개발될 수 있다(예를 들어, 신호 형태 프로파일 또는 주파수 스펙트럼 프로파일). 디지털 신호 프로세서와 같은 프로세서가 검출된 심음과 그러한 프로파일의 라이브 러리(library)의 심음 프로파일 사이의 비교를 수행하여 환자로부터 방사되는 특정 심음의 존재 또는 부존재를 판단할 수 있다. 상관 또는 패턴 인식 알고리즘과 같은 다양한 알고리즘이 비교를 수행하기 위해 채용될 수 있다.

본 발명의 생체 음향 센서(10)의 주파수 응답을 조절하는 능력은 유리하게는 단일 센서가 신체 소리의 폭넓은 스펙트럼에 대한 광대역 감도와, 특정 관심 대상인 신체 소리 주파수를 목표로 정하는 능력을 갖게 한다.

도 6은 하우징(12) 내에 배치된 본 발명의 트랜스듀서 조립체(11)를 포함하는 센서(10)의 도면이다. 하우징(12)은 사용 중에 센서 하우징(12)과 신체 부위 사이의 밀접하고 고정된 결합을 제공하는 접착층(48)을 포함한다. 박리 제거식 라이너(peel-away liner, 49)가 접착층(48)을 덮으며, 센서(10)의 사용 전에 제거될 수 있다. 접착층(48)은 바람직하게는 센서(10)와 환자의 신체 부위(예를 들어, 피부 또는 겉옷) 사이에 양호한 음향학적 결합을 제공한다. 예를 들어, 피부에 점착되는 심전도(electrocardiogram, ECG) 전극의 구성에 사용되는 감압 접착제 테이프와 유사한 접착제가 사용될 수 있다. 하나의 그러한 테이프는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠으로부터 입수가능한, 접착제를 갖는 마이크로포어(Micropore) 테이프인 번호 9914 부직 피부 테이프이다. 도 6에 따라 구성된 센서는 일회용 청진기와 같이 일회용 감지 장치와 관련하여 특히 유용할 수 있다.

도 6에 도시된 하우징(12)은 기부(40) 및 커버(42)를 포함하는 2부분 하우징이다. 기부(40)는 전술된 바와 같이 계면부를 포함하므로, 기부(40)는 바람직하게는 상대적으로 강성인 재료로 형성된다. 커버(42)는 기부(40)와 동일하거나 상이한 재료로 형성될 수 있고, 공지된 결합 설비를 사용하여 기부(40)에 부착될 수 있다. 기부(40)와 커버(42) 사이에 유연한 인터페이스(interface, 44)가 형성될 수 있다. 유연한 인터페이스(44)는, 전형적으로 주위 환경의 소스(source)로부터 생성된, 커버(42)를 따라 또는 커버(42)를 통해 전달된 진동을 감쇠시키는 재료로 형성된다. 또한, 전술된 바와 같이, 커버(42)는 주위 잡음으로 인한 트랜스듀서 여기를 감소시키는 것을 돕는 흡음재로 형성될 수 있다. 커버(42)와 기부(40) 사이에서의 진동 차단/감쇠의 제공은 유리하게는 그러한 주위 소스(예를 들어, 비-신체 생성 소리)로부터 생성된 진동을 감쇠시켜서, 신체 생성 소리에 대한 센서(10)의 감도를 증가시킨다.

도 7은 고착 설비(50)를 갖는 하우징(12)을 포함하는 센서(10)의 도면이다. 고착 설비(50)는 사용 동안에 환자 신체 부위에 대한 센서(10)의 고착 및 사용 후의 환자로부터의 용이한 제거를 촉진한다. 도 7에 도시된 실시예에서, 고착 설비(50)는 센서(10)의 하우징(12)에 결합된 하나 이상의 탄성 밴드(54)를 포함한다. 탄성 밴드(54)는 관심 대상인 환자의 신체 부위 둘레에서 연장하도록 충분한 길이와 탄성을 갖는다. 탄성 밴드(54)의 단부에는 사용 동안에 환자에 대한 센서(10)의 견고한 결합을 허용하는 적합한 결합 설비가 제공된다. 대안적인 구성에서, 고착 설비(50)는 도 7에서 접착 (탄성 또는 비-탄성) 밴드 또는 스트립(54)에 의해 대표될 수 있는 접착 테이프의 하나 이상의 스트립을 포함할 수 있다.

신호 처리 회로(94)는 전술된 바와 같이 신체 소리 프로파일 정합과 같은, 센서(10)로부터 수신된 생체 음향 신호의 보다 정교한 분석을 수행할 수 있다. 신 호 처리 회로(94)는 센서에 의해 생성된 신호에 대한 여러 형태의 통계 분석을 수행할 수 있다. 그러한 구성에서, 신호 처리 회로(94)는 디지털 신호 프로세서를 포함할 수 있다. 대안적으로, 또는 추가로, 외부 시스템(114)이 그러한 신호 처리 및 분석의 모두 또는 일부를 수행할 수 있다. 외부 시스템(114)은 디스플레이, 사운드 시스템, 프린터, 네트워크 인터페이스 및 청진기(90)의 주 하우징(115) 내에 배치된 통신 장치(112)와의 일방향 또는 양방향 통신을 형성하도록 구성된 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.

도 8은 하우징(12)을 포함하는 센서(10)의 도면으로서, 하우징은 본 발명의 실시예에 따른 사용 동안에 하우징(12)과 신체 부위 사이의 수동 결합을 촉진하기 위해 손 조작이 용이하도록 구성된 형상을 갖는다. 하우징(12)의 형상은 센서의 특정 용도에 대해 인간공학적으로 맞추어 만들어질 수 있다. 도 8에 도시된 하우징(12)은 센서(10)의 핸드헬드 조작의 용이성을 촉진할 수 있다. 예를 들어, 임상의는 하우징(12)의 손잡이 돌출부(80)를 쥐고 하우징의 계면부(13)를 환자의 피부 또는 겉옷에 인가할 수 있다. 센서(10)는 평가 동안에 임상의에 의해 제위치에서 유지될 수 있다. 다른 하우징 형상이 고려된다는 것을 이해하여야 한다.

도 9a는 본 발명의 센서를 포함하는 청진기를 도시한다. 청진기(90)는 한 쌍의 이어 피스(ear piece)(95a, 95b), 이어 튜브(97a, 97b) 및 주 튜브(93)와 같은 종래의 구성요소를 포함하도록 구성된 전자 청진기이다. 주 튜브(93)는 주 하우징(115)에 결합되고, 주 하우징 내에 전술된 유형의 센서(10)가 배치된다. 주 하우징(115) 내에 배치될 수 있는 다른 구성요소는 전원(92), 신호 처리 회로(94) 및 통신 장치(112)를 포함한다. 신호 처리 회로(94)는 전술된 바와 같이 신체 소리 프로파일 정합과 같은, 센서(10)로부터 수신된 생체 음향 신호의 보다 정교한 분석을 수행할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 외부 시스템(114)이 그러한 신호 처리 및 분석을 수행할 수 있다. 외부 시스템(114)은 디스플레이, 사운드 시스템, 프린터, 네트워크 인터페이스 및 청진기(90)의 주 하우징(115) 내에 배치된 통신 장치(112)와의 일방향 또는 양방향 통신을 형성하도록 구성된 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.

통신 장치(112)는 당업계에 알려진 바와 같이 국부 시스템(local system)과 원격 시스템 사이의 통신을 실행하기 위해 전통적으로 사용된 종래의 RF(radio frequency) 링크를 형성하도록 구현될 수 있다. 통신 장치(112)와 외부 시스템(114) 사이의 통신 링크는, 블루투스 표준, IEEE 802 표준(예를 들어, IEEE 802.11) 또는 다른 공공 또는 독점 무선 프로토콜과 같이 공지의 통신 표준에 따르는 인터페이스와 같은 단거리 무선 통신 인터페이스를 사용하여 구현될 수 있다.

도 9b는 본 명세서에 설명된 유형의 센서(10a, 10b)를 포함하는 헬멧(91)을 도시한다. 도 9b에 도시된 실시예에 따르면, 센서(10a, 10b)는 헬멧(91)의 착용자에 의한 향상된 청취를 제공하도록 구현될 수 있고, 도 2를 참조하여 전술된 방식에서와 같이 주위 잡음 상쇄를 추가로 제공할 수 있다. 센서(10a, 10b) 또는 다른 센서가 보이스 픽업(pick-up)으로서 역할하도록 구현될 수 있고, 그 성능은 전술된 유형의 주위 잡음 상쇄 능력에 의해 향상될 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 센서를 포함하도록 구현될 수 있는 다양한 장치 및 장비가, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,756,028호, 제5,515,865호, 제5,853,005호, 및 의장 제433,776호에 개시되어 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 센서(10)의 다양한 구성요소를 도시하는 블록선도이다. 도 10에 도시된 실시예에 따르면, 전술된 유형의 하나 이상의 센서(10)가 전형적으로는 차동 구성에 따라 증폭기(102)에 결합된다. 수 개의 센서(10) 또는 다수의 트랜스듀서를 채용하는 구현예에서, 각각은 별개의 증폭기(102)에 결합될 수 있다. 증폭기(102)는 트랜스듀서의 고정단 상에 또는 고정단 근처와 같이, 트랜스듀서 조립체 상에 위치된 제1 스테이지(stage)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 증폭기 스테이지는 필요하다면 압전 트랜스듀서와 같은 트랜스듀서의 고 임피던스를 잡음에 덜 민감한 낮은 임피던스로 변환하도록 주로 역할할 수 있다. 제1 스테이지의 출력에서 생성된 감지 신호를 증폭하기 위해 제2 스테이지 증폭기가 사용될 수 있다.신호 처리 회로(104)가 증폭기(102)에 결합될 수 있다.

신호 처리 회로(104)의 정교함은 간단한 것으로부터 복잡한 것까지 변할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리 회로(104)는 공통 전원으로 인한 잡음을 감쇠할 목적으로 60㎐의 중심 주파수를 갖는 간단한 노치 필터(notch filter)를 포함할 수 있다. 신호 처리 회로(104)는 관심 대상인 트랜스듀서 신호 콘텐츠의 신호-대-잡음 비 및/또는 감도를 향상시키는 하나 이상의 대역 통과 필터(bandpass filter)를 포함할 수 있다.

관심 대상인 특정 신체 소리의 검출을 향상시키기 위해 보다 정교한 필터링이 감지 신호에 대해 수행될 수 있다. 그러한 필터는 아날로그 및/또는 디지털 필 터를 포함할 수 있다. 패턴 인식, 소스 분리, 특징 상관(feature correlation) 및 잡음 상쇄와 같이 보다 복잡한 신호 처리를 제공하기 위해 상대적으로 정교한 아날로그 및 디지털 신호 프로세서가 사용될 수 있다.

통신 장치(112)는 증폭기(102)의 출력부에 결합될 수 있다. 통신 장치(112)는 통신 장치(112)와 외부 시스템 사이에 통신 링크를 제공하는 전술된 유형의 것일 수 있다. 전원(110)은 센서의 능동 구성요소에 전력을 공급한다. 프로세서/제어기(117)가 도 10에 도시된 구성요소의 다양한 기능을 조정하기 위해 포함될 수 있다. 증폭기(102)의 출력부(108)에서 생성된 감지 신호는 전기 또는 광 전도체일 수 있는 전도체(들)(106)를 거쳐 하류측 구성요소에 전달된다.

프로세서/제어기(117)는 다양한 진단 및 보정(calibration) 작업을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 주어진 센서의 각각의 트랜스듀서의 이득 응답을 동등하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 주파수 응답 보정을 수행하여 "튜닝"을 하거나 트랜스듀서(들)의 주파수 응답의 "튜닝"을 조절하는 것이 또한 바람직할 수 있다. 각각의 트랜스듀서의 이득 및/또는 주파수 응답은 보정 루틴(calibration routine) 동안에 조절될 수 있어, 각각이 사전 확립된 진폭에 있고/있거나 원하는 주파수 응답을 나타내도록 한다. 보정은 센서의 사용 전 또는 사용 동안에 개시될 수 있고, 프로세서/제어기(117)에 의해 조정될 수 있다. 하나의 구성에 있어서, 공지된 특성을 갖는 여기 신호를 발생시키는 여기원(excitation source)이 센서에 (내부 또는 외부에서) 포함될 수 있어서, 트랜스듀서 이득 및/또는 주파수 응답의 상대적으로 용이하고 정확한 보정을 허용한다.

일 실시예에 따르면 그리고 도 11에 도시된 바와 같이, 아날로그 광섬유 송신기(119)에 직접적으로 인터페이스 접속된 임피던스 변환 증폭기(118)가 트랜스듀서(11)에 또는 그 근처에 구현될 수 있다. 광섬유 송신기(119)의 출력부는 수신기 회로(120)에 접속된 광 가이드(optical guide, 116)에 접속된다. 수신기 회로(120)는 광 가이드(116)를 거쳐 전달된 광 신호를 다시 전기 신호로 변환하는 아날로그 광섬유 수신기(122)를 포함한다. 광 수신기(122)의 출력부는, 추가의 증폭, 신호 처리 및/또는 광 가이드(116)를 지나 전달된 신호/데이터를 기록하는 시스템을 포함할 수 있는 회로(124)에 결합된다. 수신기 회로(120)는 전기 또는 무선 링크(126)를 거쳐 추가의 장치 또는 회로(130)에 결합될 수 있다. 추가의 장치 또는 회로(130)는 이어폰과 같은 오디오 출력 장치, PDA 또는 PC와 같은 전자 정보 장치, 디스플레이 장치, 또는 네트워크 인터페이스일 수 있다.

압전 트랜스듀서(14)를 포함하는 도 11의 하우징은 임피던스 변환 증폭기(112) 및 광 송신기(114)에 전력을 공급하는 소형 배터리를 포함할 수 있거나, 이들 및 다른 능동 구성요소에 전력을 공급하기 위해 광섬유 가이드 또는 케이블(116)과 묶음으로 2개의 소형 와이어가 포함될 수 있다.

신호 컨디셔닝 또는 처리 회로가 트랜스듀서(11)에 또는 그 근처에 위치될 수 있거나, 트랜스듀서와 일체로 연관될 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서(11) 및 신호 처리 회로는 단일형 구조물일 수 있다. 신호 컨디셔닝 또는 처리 회로는 버퍼와 같은 하나 이상의 증폭 회로, 이득 및/또는 임피던스 정합 증폭 회로, 필터 회로, 신호 변환 회로, 및 보다 정교한 회로를 포함할 수 있다.

본 발명의 생체 음향 센서는 본 명세서에서 설명되는 유형의 트랜스듀서 및 트랜스듀서에 대한 강화 특성을 제공하는 질량체의 사용에 의해 이례적인 감도 및 신호-대-잡음 비를 제공한다. 센서의 성능은 심음도(phonocardiogram)를 이용하여 검증되었다. 상이한 질병과 관련된 상이한 심음이 콤팩트 디스크를 통해 소리의 관점에서, 그리고 이러한 센서를 이용한 심음도(PCS)의 관점에서 재생되었다. CD 상에 기록된 원래의 소리와 재생된 센서 소리 사이에는 차이가 거의 없었다. 센서는 환자의 옷 위에 위치된 때에도 아주 양호한 신호-대-잡음 비를 달성할 수 있을 정도로 민감한 것으로 밝혀졌다.

본 발명의 다양한 실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 모두 망라하거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려고 의도한 것이 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 변경예 및 변형예가 가능하다. 예를 들어, 수면 장애 자체 및 보다 심각한 신경학적 질병의 표시로서의 수면 장애가 대두되고 있다. 모든 연령대에서의 수면 질식 및 갓난아이의 유아 돌연사 증후군이 그들의 병인(etiology)이 확인되면서 또한 대두되고 있다. 진단 방법은 상기의 표시에 의해 환자의 호흡음/폐음 및 신체 움직임을 모니터링하는 것을 포함할 수 있고, 이는 본 명세서에서 설명된 종류의 센서를 사용하여 용이하게 수행될 수 있다. 또한, 본 발명의 센서는 생체 음향 감지 응용 이외의 응용들에서 사용될 수 있다. 본 발명의 범주가 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않고 오히려 본 명세서에 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되도록 의도된다.

Claims (51)

1. 사용 동안에 신체 부위와의 결합을 달성하도록 구성된 계면부를 포함하는 하우징;

   하우징의 계면부에 결합되고, 생물학적 기원 물체에 의해 생성되는 소리를 감지하도록 구성되고, 트랜스듀서의 변형에 응답하여 신호를 변조 또는 발생시키도록 구성된 트랜스듀서;

   트랜스듀서에 결합된 하나 이상의 전도체;

   트랜스듀서의 표면에 유연하게 결합된 질량체; 및

   트랜스듀서 표면과 질량체 사이에 배치되고, 트랜스듀서의 여기 중에 트랜스듀서 표면과 질량체 사이의 차동 운동을 허용하는 개재 재료

   를 포함하는 생체 음향 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 생체 음향 센서는 복수의 트랜스듀서를 포함하고, 복수의 트랜스듀서 각각은 복수의 트랜스듀서 중 적어도 하나의 다른 트랜스듀서의 주파수 응답과 상이한 주파수 응답을 갖도록 구성되는 센서.
3. 사용 동안에 신체 부위와의 결합을 달성하도록 구성된 계면부를 포함하는 하우징;

   하우징의 계면부를 거쳐 전달된 생체 음향 에너지를 신호로 변환하는 수단;

   강화 층; 및

   변환 수단의 여기 중에 변환 수단과 강화 층 사이의 차동 운동을 촉진하기 위한 수단

   을 포함하는 생체 음향 센서.
4. 하우징 내에 배치된 트랜스듀서를 사용하여 생체 음향 에너지를 감지하는 방법으로서,

   생체 음향 에너지에 응답하여 트랜스듀서를 여기시키는 단계;

   트랜스듀서의 여기 중에 트랜스듀서와 강성 질량체 사이의 차동 운동을 촉진하게 하는 단계; 및

   트랜스듀서의 여기에 응답하여 트랜스듀서에 의해 신호를 발생시키거나 변조하는 단계

   를 포함하는 방법.
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