KR20030095039A - 전자청진기용 피에조폴리머 필름을 이용한 접촉형마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 piezopolymer 필름을 이용한 접촉형 마이크로폰에 관한 것으로 측정부위에 거부감 없이 접촉할 수 있는 접촉부; 그 하부에는 임피던스 정합 회로가 포함된 piezopolymer 필름이 위치하고 있고; 그 하부에는 상단의 접촉부를 고정하기 위한 황동재질의 커버가 개재되어 있으며; 이 전체를 플라스틱 또는 금속성 하우징에 설치하는 구성을 갖는다.

특히, 본 발명은 전자청진기용 마이크로폰으로 활용할 수 있으며, 신체에 직접 접촉을 하여 심음 및 폐음과 같은 신체 내부에서 발생되는 소리를 들을 수 있도록 고안되었다. 즉, 본 발명은 기존의 공기층을 통과하는 진동을 검출하는 마이크로폰보다 입력되는 생리신호의 왜곡이 적으며 재현성이 좋아서 잘 들을 수 있으며, 인체에서 발생되는 생리적 소리신호를 입력받아 분석하고자 할 때 용이하게 사용될 수 있다.

Description

전자청진기용 피에조폴리머 필름을 이용한 접촉형 마이크로폰{Contact microphone using Piezopolymer film for the electronic stethoscope}

본 발명은 piezopolymer 필름을 이용한 접촉형 마이크로폰으로 더 상세하게는 임피던스 정합회로가 포함된 piezopolymer 필름을 이용하여 신체내부에서 나는 소리를 정확하게 들을 수 있도록 고안된 마이크로폰에 관한 것이다.

의학적으로 마이크로폰이 사용되는 곳은 주로 심음과 폐음, 혈행음 및 장기에서 나는 소리를 듣기 위한 전자 청진 시스템인데, 기존 전자청진기에 사용되는 콘덴서 마이크로폰 등의 공기층을 통과하는 마이크로폰들은 상당히 고가의 제품을 제외하고는 생리적 소리 신호의 낮은 주파수 대역을 제대로 검출하지 못한다는 단점이 있다.

기존의 전자 청진기에 사용하는 마이크로폰 중에서 콘덴서 마이크로폰의 원리를 살펴보면 두 판 사이의 간격을 조절하여 감도를 조절하는 것이 특징이다. 일반적으로 낮은 주파수에서는 반응값이 떨어지게 되고,ω=0 일때는 0이 된다. 따라서 커패시턴스의 변화를 비교적 간단하게 검출하는 기법으로 만들어진 콘덴서 마이크로폰은 주로 고역통과 여파기의 특징을 가진다. 이 주파수 응답은 20Hz ~ 30Hz 미만의 낮은 주파수에서는 음압을 측정하지 않는 경우에는 관계 없으나 심음 및 장기에서 발생되는 생리 소리 신호는 30Hz 미만의 저주파 성분을 가지고 있기 때문에 생리소리 신호의 측정용으로서는 부적합하다 할 수 있다. 이러한 마이크로폰의 문제점으로는 프로브(probe)의 기계적 위치 선정 및 측정시 호흡으로 인한 운동 등을 고려해야 하며, 저주파수 대역을 포함하기 위해서는 상당히 고가의 제품이 된다는 것이다.

심음 측정용 마이크로폰으로 다른 종류는 Faraday 법칙을 이용한 다이나믹 마이크로폰이 있는데, piezopolymer 필름을 이용한 마이크로폰에 비해 낮은 주파수에서의 감도가 떨어지므로 이러한 응답특성 때문에 맥박성의 파형을 기록하는데는 적합하지 못하다.

반면, piezopolymer 필름은 심음도를 측정하는 심장학에서 광범위하게 이용되고 있으며, 혈압측정에서 Korotkoff 음을 검출하는데도 유용하게 활용되고 있다.

기본적인 압전센서의 원리를 설명하면, 압전 물질은 기계적인 스트레인을 받으면 전위차를 발생시키고, 반대로 전위차가 압전 물질 양단간에 인가되면 물리적변위를 한다. 비대칭적인 결정 격자가 뒤틀리면 전하가 재배열되어 음전하와 양전하의 상대적인 변위가 생기게 된다. 변위된 내부 전하는 결정의 양단에 반대 극성을 가진 표피전하를 발생시킨다. 표피전하는 표피에 연결된 전극간 전압차를 측정함으로써 알 수 있다. 총유도 전하 q는 인가된 힘 f에 직접 비례한다.

q=kf

여기서 k는 압전상수 C/N이다. 전압 변화는 시스템이 평행판 커패시터로 동작한다고 가정하면 구할 수 있는데, 커패시터의 전압 v는 전하 q를 커패시턴스 C로 나누면 된다. 면적이 A인 평행판 두 개 간의 간격이 x일 때 그 커패시턴스는

이다. 여기서는 자유 공간의 유전 상수이고,은 부도체의 상대 유전 상수(공기 중에서 1)이다. 원리적으로는 세 개의 매개변수, A, 혹은 x를 변화시킴으로써 변위를 감지 할 수 있지만, 간편하고 널리 사용되는 기법은 두 판 사이의 간격을 변화시키는 것이다. 즉, 총유도 전하 q는 다음과 같이 설명할 수 있다.

가 된다. 전형적인 k값은 석영(gartz)의 경우 2.3pC/N이고, 티탄화 바륨은140pC/N이다. 면적이 1㎠, 두께가 1mm인 압전센서가 10g의 중량을 받는 경우 그 출력 전압은 석영에서는 0.23mV이고, 티탄화 바륨은 14mV이다.

압전 센서는 물질의 특성, 판의 결정적인 방향에 따라 여러 가지 모드로 동작한다. 이 모드에는 두께, 길이 압축, 횡단 압축, 두께-전단 변형, 표면 전단 변형 등이 있다. 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluroide : PVDF)과 같이 중합체 필름 형태의 압전 물질도 있는데, 이런 필름은 매우 얇고 가벼우며 유연하기 때문에 평탄하지 않은 표면에도 쉽게 잘라 붙일 수 있다. 기계적인 품질 수준은 낮으므로 공진과 같은 응용에는 부적합하지만 마이크로폰이나 확성기 등의 음향기기에 광범위하게 응용되고 있다.

압전 물질은 크지만 유한한 저항을 가지고 있으므로 정적 편향 x가 인가되면, 전하는 10GΩ 정도의 누출(leakage) 저항을 통해 빠져나간다. 외부 전압 측정장치의 입력 임피던스는 압전 센서의 입력 임피던스보다 10배 정도는 커야 한다는 것이 매우 중요하다.

본 발명은 piezopolymer 필름의 이러한 특징을 청진용 마이크로폰에 적용하여 만들었다. 즉, 본 발명에서 사용하는 piezopolymer 필름을 이용한 접촉형 마이크로폰은 생리신호의 저주파 대역도 검출할 수 있으며 가격이 매우 저렴하여 여러 가지 적용분야에서 부담없이 광범위하게 사용될 수 있다. 또한, 신체에 직접 접촉을 하여 소리를 듣기 때문에, 공기를 매질로 하는 다른 마이크로폰에 비해 소리의 전달 및 재현성이 뛰어나서 임상에서의 적용 뿐만 아니라 유사한 다른 분야에서도 유용하게 사용될 수 있다.

일반적으로 임상에서 청진용으로 사용되는 마이크로폰 중에서 가장 많이 사용되고 있는 다이나믹 마이크로폰은 비록 출력 전압이 압전필름을 이용한 마이크로폰보다는 높지만 저주파수 대역에서의 특성이 좋지 않기 때문에 비정상적인 심음, 즉 murmurs와 같이 0.1-100Hz 대역의 소리를 측정하는데는 사용하기가 어렵다. 출력 특성 및 저주파수 대역에서도 응답특성이 좋은 다이나믹 마이크로폰이나 컨덴서 마이크로폰을 사용하게 되면 가격이 상당히 비싸므로 임상에서 쉽게 사용할 수 있는 제품으로 생산되기가 어렵다. 따라서 종래 전자청진기용으로 사용되는 마이크로폰은 컨덴서 마이크로폰으로 비접촉성이면서 공기를 매질로 하여 소리를 전달하는 특징을 가졌지만, 본 발명에서는 신체에 바로 부착하여 신체내에서 생성되는 소리를 들을 수 있도록 하는 piezopolymer 필름을 이용한 마이크로폰을 고안하였다.

본 발명에서는 piezopolymer 필름의 특장점을 충분히 이용하여 청진용 마이크로폰을 설계하였다. 즉, 직접 신체에 접촉하는 형태로 최대한의 신호 왜곡을 줄였고, 또한 임피던스 정합회로를 포함하고 있어 보다 깨끗한 생리신호를 측정할 수 있도록 하였으며 내구성을 좋게 하기 위해 상하단에 단단한 재질의 커버를 씌워서 임상에서 손쉽게 사용할 수 있는 의학용 마이크로폰을 개발하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 압전센서를 이용한 청진용 마이크의 내부구조도

도 2는 본 발명을 상단에서 본 외형도

도 3은 본 발명을 측면에서 본 외형도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 고정못 2 : 하우징의 상단면

3, 11, 14 : 고무팁 4 : piezopolymer 필름

5 : 필름 지지대 6 : 임피던스 정합회로

7 : 고정나사 8 : 하우징의 하단면

9, 12 : 전원케이블 10, 15 : 마이크로폰

13 : 3핀 콘넥터

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예를 보면 전자청진기에 적용하여 사용할 수 있는데, 심음 및 폐음, 장기에서 나는 소리와 혈행음들을 듣고 질환을 판단하는 의사들에게 있어서 소리의 정확한 재현은 반드시 고려되어져야 하는 문제이다. 그 밖에도 경동맥, 경정맥의 펄스 측정 및 심첨 심전도를 만들때에도 마이크로폰이 주로 사용되며 그때마다 고려해야 하는 점은 비정상일 때 발생되는 저주파 대역의 소리도 측정할 수 있어야 한다는 점이다. 본 발명은 piezopolymer 필름의 장점을 이용하여 고안된 것으로 의학분야 외에도 많은 분야에서 사용될 수 있으리라 사료된다.

본 발명의 구성은 도 1에서 도시된 바와 같이 하우징의 상단면(2)을 고정하는 고정못(1)이 원형 하우징의 동서남북 네 방향에 위치하고, 신체에 접촉하여 압력이 측정되면 piezopolymer로 전달하도록 고안된 고무팁(3)이 있고, 그 하단에 piezopolymer 필름(4)이 있다. piezopolymer 필름 하단에 필름 지지대(5)가 있으며, piezopolymer 필름으로 입력된 신호의 출력을 위한 임피던스 정합회로(6)가 그하단에 위치한다. 이상의 구조물들을 고정하기 위해 고정나사(7)가 있고, 이와 같은 구조물들이 안착될 수 있도록 홈이 파여진 하우징의 하단면(8)이 전원케이블(9)과 연결되어 있다.

도 2는 본 발명을 상단에서 본 것으로 플라스틱으로 싸여져 있는 마이크로폰(10)과 신체표면에 접촉되는 고무팁(11)이 있고, 출력단, 접지단, 전원단이 하나로 연결된 케이블(12)과 3핀 콘넥터(13)가 있다. 측면에서 살펴보면 도 3과 같은데, 신체에 접촉되게 하기 위한 고무팁(14)과 플라스틱 또는 금속 하우징으로 싸여져 있는 piezopolymer 필름을 포함하고 있는 마이크로폰(15)으로 구성되어 있다.

본 발명의 작용을 살펴보면, 다음과 같다.

3핀 콘넥터에 전원 5V를 인가하고 돌출된 고무팁을 소리를 듣기 원하는 신체부위에 접촉하면 고무팁에 인가되는 심음 및 폐음과 같은 소리에 대한 음압이 바로 piezopolymer 필름으로 전달이 되고, 압전필름의 출력은 임피던스 정합회로를 거쳐 높은 전압으로 출력된다.

실시 예를 든다면 전자 청진기를 말할 수 있는데, 본 발명으로 만들어진 압전필름을 이용한 청진용 마이크로폰을 활용하게 되면, 기존의 전자청진기용으로 사용되었던 마이크로폰을 사용했던 것보다 저주파수 대역에서 더 섬세한 소리를 들을 수 있을 뿐만 아니라 전체적으로 안정된 출력을 보여줄 수 있다.

본 실시예에서 설명한 것은 하나의 예이며, 본 실시예에 사용한 piezopolymer 필름을 이용한 청진용 마이크로폰은 기능이 유사한 제품을 이용하여 구현할 수 있으며, 본 실시예에 한정되는 것이 아니다.

이상에서와 같이, 본 발명의 piezopolymer 필름을 이용한 청진용 마이크로폰은 공기를 매질로 하지 않고 바로 신체에 접촉하여 소리를 들음으로써 저주파대역의 왜곡을 줄임으로써 정확한 진단을 내릴수 있도록 하는데에 있다.

Claims (4)

1. piezopolymer 필름을 이용한 접촉형 마이크로폰에서

   거부감없이 신체에 직접 접촉할 수 있는 고무커버, 고무커버를 통해 입력된음압을 감지하고 전기적인 신호로 변환하는데 필요한 증폭하는 임피던스 정합회로를 포함하고 있는 piezopolymer 필름단, piezopolymer 필름의 위치 및 변위 등을 고정하는 황동커버, 이 전체를 둘러싸고 있는 플라스틱 또는 금속성 커버 및 출력단, 전원단, 접지단으로 구성된 3핀 컨넥터를 포함하고 있는 청진용 마이크로폰
2. 제 1항에서

   상기의 마이크로폰은 신체에 직접 접촉을 하여 소리를 검출하는 것을 특징으로 하는 접촉형 마이크로폰
3. 제 1항에서

   전체를 둘러싸고 있는 원형 플라스틱 또는 금속성 하우징은 마이크로폰의 내구성을 좋게하고, 전자청진기에 활용될 수 있도록 함을 특징으로 하는 청진용 마이크로폰
4. 제 1항에서

   저주파수 음압의 변화에서 민감하게 반응할수 있도록 주파수 응답범위 10Hz~5kHz를 커버하는 piezopolymer 필름을 이용한 것을 특징으로 한 청진용 마이크로폰