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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Abhorchen und insbesondere betrifft
die Erfindung einen Sensor zur Aufnahme von Schall, der in einem
tierischen oder menschlichen Körper
erzeugt wird, einschließlich
der Umwandlung in ein elektrisches Ausgangssignal. Die Erfindung
betrifft auch ein vollständiges
elektronisches Stethoskop.
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Auf
akustischen Prinzipien beruhende Stethoskope sind bereits gut bekannt
und im Einsatz weit verbreitet. Herkömmliche akustische Stethoskope
mit zusätzlicher
elektronischer Verstärkung
sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt. Hydrophone zur Schallaufnahme
von Tieren unter Wasser sind von biologischen Studien der Seetiere
bekannt. Solche Techniken bilden den Hintergrund für die vorliegende
Erfindung und diese Techniken können
in der folgenden Weise betrachtet werden:
Herkömmliche
Stethoskope basieren auf Schall, der durch die Luft und über eine
Art Schlauch oder Röhre übertragen
wird. Dies ist mit einer Übertragung
von Schallwellen von Körpergewebe
auf Luft verbunden. In den Ohren der horchenden Person wird Kompression
von Luft wahrgenommen. Manchmal gibt es am vorderen Ende des Geräts eine
Membran, es bleibt jedoch eine Übertragung
auf die Luft. Die sogenannten Littman-Stethoskope sind Beispiele
dieser Art Technik.
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Herkömmliche
Stethoskope sind manchmal zusätzlich
mit Mikrophonen ausgerüstet,
die den in der Luft übertragenen
Schall aufnehmen, um ihn elektronisch zu verstärken. In diesem Fall gibt es auch
eine Schallübertragung
vom Körpergewebe
zur Luft und von der Luft zu verschiedenen Typen von Mikrophonsensoren.
Beispiele für
Hersteller solcher Stethoskope sind Littman und Ariel und es gibt
ebenfalls japanische Hersteller.
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Der
gegenwärtige
Anmelder produzierte zuvor einen Stethoskopwandler mit einem Stift
oder Zapfen aus einem harten Material, welches derart in direkten
Kontakt mit der Haut gebracht wird, daß Schall direkt vom Körpergewebe
durch das Material des harten Zapfens und in den Sensor übertragen wird.
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Des
weiteren sind Hydrophone zur Schallaufnahme in Wasser von Tieren,
Bodenformationen und Maschinenkonstruktionen gut bekannt. Solche Hydrophone
können
nicht für
diagnostische Zwecke in Verbindung mit Menschen oder Tieren eingesetzt werden,
weder innerhalb noch außerhalb
eines lebenden Körpers.
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Ultraschallgeräte werden
in hohem Maße
im Bereich der Diagnostik eingesetzt und diese Geräte verwenden
oftmals eine Art viskosen Kontakt zur Haut. Dieser viskose Kontakt
besteht jedoch für
gewöhnlich
aus einer Art Gel, das heißt
ein Gel, das nicht einen Teil des Geräts selbst bildet, sondern ein Gel,
das beispielsweise auf der Haut aufgetragen wird bevor das Gerät auf der
Haut plaziert wird.
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Aus
dem US-Patent Nr. 4,672,976 unter dem Namen Kroll ist bereits ein
Mittel zum Abhören
von Herztönen
bekannt, das dafür
angepaßt
ist auf dem Körper
eines Patienten plaziert zu werden und niederfrequente Schallwellen
zu detektieren. Dieses Mittel ist mit einer flexiblen Membran für den direkten Kontakt
zur Haut und zum Anpassen an die Körperkonturen ausgerüstet. Ein
Fluid füllt
das innere Volumen im Gehäuse
des Mittels und in dem Fluid befindet sich eine Hydrophoneinheit.
Der wichtige Punkt bei Krolls Mittel ist es, eine gute Kopplung über den ganzen
Weg in das Hydrophon bereitzustellen, indem akustische Differenzen
zwischen dem Körpergewebe
und den Materialien des Abhörgeräts minimiert
werden. Es wird auch als ein wichtiger Punkt genannt, daß das Fluid,
das das Hydrophon umgibt, ein blasenfreies flüssiges Medium oder ein "Hydrophon-Gel" ist.
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Derselbe
Kroll ist auch ein Miterfinder des US-Patents Nr. 4,947,859 unter
dem Namen Brewer et al., wobei in diesem Patent dieselbe Idee, die
oben erwähnt
wurde, weiter ausgeführt
ist. In
US 4,947,859 wird
der Schallwandler weiterentwickelt, in einer Vorrichtung ähnlich einem "Puck" wird anstatt einer
flüssigen
Lösung
oder einem Gel um eine zentral angeordnete Sensoreinheit herum ein
Polymermaterial verwendet, wobei die Vorrichtung auf der Haut des
Patienten ruhend plaziert werden kann. Das Polymermaterial ist im
wesentlichen akustisch an das Körpergewebe
angepaßt.
Die beiden Patente zeigen deutlich, daß es bereits bekannt ist ein
Anpassungsmaterial zu verwenden, das dafür vorgesehen ist das Körpergewebe
in Bezug auf die akustischen Eigenschaften nachzubilden. Es ist
jedoch angemerkt, daß die
Anpassung nicht darüber
hinaus geht. Die im Polymervolumen eingebettete Sensoreinheit wird
beispielsweise durch Schall von überall
her angeregt und sie hat keine Richtungsselektion oder Verstärkungsfähigkeit.
Das Abhorchmittel von Brewer et al. ist so weich, daß es wo
erforderlich entsprechend dem Körper
geformt werden kann. Dies ist nicht in jedem Zusammenhang ein Vorteil,
in einigen Fällen
ist es von Bedeutung beispielsweise eine starre Membran in direktem
Kontakt mit der Haut zu haben. Brewer et al. sind darauf angewiesen
die Signalverarbeitung außerhalb
des "Pucks" vorzunehmen und
der Abhorchvorrichtungsaufbau stellt keine Abschirmung gegen einwärts abgestrahlte
elektrische Störungen bereit.
Eine ähnliche
Vorrichtung ist aus
US 3,573,394 bekannt.
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Die
Erfindung wird in den Ansprüchen
beschrieben. Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die
wie oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen
oder zu vermindern. Daher ist gemäß der Erfindung ein erster
Aspekt der Erfindung vorgesehen, ein Sensor zur Schallaufnahme von
einem Körper,
der folgendes umfaßt:
ein akusto-elektrisches Wandlerelement zur Umwandlung von Schallschwingungen
in elektrische Ausgangssignale und eine viskoelastische Einheit, die
als ein Medium zur Anpassung zwischen einer Körperoberfläche und dem Wandlerelement
eingerichtet ist, und dies in einer Weise, daß die vordere Fläche der
viskoelastischen Einheit dazu eingerichtet ist, in direkten Kontakt
mit der Körperoberfläche gebracht
zu werden. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß das elektro-akustische
Wandlerelement mit wenigstens einem piezoelektrischen Element aufgebaut
ist, das die seitliche Fläche
der viskoelastischen Einheit eng umschließt, wobei die viskoelastische
Einheit eine zylindrische äußere Form hat,
und daß die
viskoelastische Einheit im Bereich ihres hinteren Endes in engem
Kontakt mit einem harten Rückteil
ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das akustische Wandlerelement mit zwei konzentrisch
angeordneten piezoelektrischen Folien aufgebaut, zwischen denen
eine elektrisch leitende Folie angeordnet sein kann. Eine solche
dazwischenliegende elektrisch leitende Folie kann durch ein doppelseitig
klebendes und elektrisch leitendes Band gebildet sein.
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In
einer Ausführungsform
kann die piezoelektrische Folie durch eine flache Folie gebildet
sein, die in der Weise um die viskoelastische Einheit gelegt ist,
daß benachbarte
Kanten mit einem Klebeband befestigt sind. Alternativ kann die piezoelektrische Folie
eine zylindrische Form haben und eng auf die viskoelastische Einheit
gewickelt sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform
des Sensors ist das akustische Wandlerelement durch einen keramischen
Ring mit einem piezoelektrischen Effekt gebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung haben das Rückteil
und die viskoelastische Einheit im Bereich des hinteren Endes genau
komplementäre
Formen, die eine Kopplungsfläche
aufweisen, die im wesentlichen konisch geformt ist und die in eine
nach vorne orientierte Richtung zeigt.
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Der
wie oben festgelegte Sensor wird vorteilhaft als ein Sensorelement
in einem elektronischen Stethoskop eingesetzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist ein elektronisches Stethoskop vorgesehen, das
folgendes umfaßt:
einen Kopfhörer
mit Hörmuscheln,
die Lautsprecher aufweisen, ein Handschallaufnahmemodul mit einem
Sensorelement und einer elektronischen Verstärkerschaltung sowie eine Verbindungsleitung
zwischen dem Modul und dem Kopfhörer,
und dieses elektronische Stethoskop ist dadurch gekennzeichnet,
daß das
Sensorelement ein Sensor ist, wie er in der allgemeinsten Weise
oben definiert ist.
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Auf
natürliche
Weise erzeugter Schall, beispielsweise in einem menschlichen Körper, besteht aus
Druckschwankungen in Gewebe, das in den meisten Fällen Wasser
enthält.
Schall entsteht in verschiedenen Organen und bei ihren Bewegungen,
deren Zusammenziehen und Ausdehnen sowie durch Fluidströme im Körper. Diese
Geräusche
verbreiten sich im Körper
und an einer bestimmten Stelle gemessene Frequenzen hängen sowohl
von der Schallquelle wie auch den verschiedenen Dämpfungs-
und Verstärkungsmöglichkeiten
ab, die sich im inneren des Körpers
befinden. Der Zweck des viskoelastischen Sensors gemäß der Erfindung
ist es, die Schallwellen vom Körper
in ein eingebautes Sensorelement/elektro-akustische Wandlereinheit
zu übertragen
und dies direkt über
ein akustisches Anpassungs-/Umwandlungs-Medium und zum eigentlichen Wandlerelement,
derart, daß der
Schalldruck gleichförmig über den
schallaufnehmenden Bereich des Wandlerelements verteilt ist. Daneben
wird versucht im Wandlerelement die Dämpfung zu minimieren und einen
Bereich hörbarer
Signale, der so groß wie
möglich
ist, zu erreichen.
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Ein
Aufbau, wie er oben beschrieben ist, unterscheidet sich deutlich
von allen bisher bekannten Sensorsystemen, in denen Schall durch
die Luft übertragen
wird und er unterscheidet sich dadurch deutlich vom Kontakt durch
einen Zapfen, daß der Bereich
zur Schallaufnahme vom Körper
viel größer ist.
Die Erfindung unterscheidet sich auch von Geräten vom Ultraschalltyp, die
mit Frequenzen weit über denjenigen
arbeiten, die der viskoelastische Sensor verarbeiten kann, und die
Ultraschallsysteme verwenden, so wie zuvor beschrieben, ein Gel
in einer sehr verschiedenen Weise, um einen Kontakt zur Haut herzustellen.
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Die
Erfindung unterscheidet sich auch von der Schallübertragung in viskosen Elementen,
so wie in den zu Kroll/Brewer et al. gehörenden Patenten beschrieben,
da entscheidende Kennzeichen der Erfindung durch sehr verschiedene
geometrische Kennzeichen gebildet werden.
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Es
ist zu bemerken, daß ein
solcher viskoelastischer Sensor sich dadurch von Hydrophonen unterscheidet,
daß herkömmliche
Hydrophone Schalldruck von Außerhalb
empfangen wohingegen der vorliegende viskoelastische Sensor mit
einem internen Übertragungsmedium
arbeiten, so daß bessere Möglichkeiten
für die
stethoskopische Anwendung gegeben sind, indem eine größere Fläche zur
Schallübertragung
bestimmt ist.
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Des
weiteren ist Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Geräuschen eine der wichtigen Absichten,
die einen Ausgangspunkt für
die Entwicklung der vorliegenden Erfindung gebildet haben. Bei Unfällen und
Notfällen
kann es für
einen Arzt schwierig sein eine Diagnose durch Abhorchen durchzuführen, da viele äußere und
störende
Geräusche
von Maschinen, Motoren, Rufen etc. vorhanden sind. Durch die hohe
Impedanz des viskoelastischen Sensors wird externer, durch die Luft übertragener
Schall stark gedämpft.
Dies hilft dem Arzt dabei sich auf Geräusche vom Körper zu konzentrieren. Eine
solche Eigenschaft ist bei herkömmlichen
Stethoskopen oder Mikrophon-basierten Stethoskopen oder solchen,
die eine Membran in Verbindung mit einer Zapfenanordnung haben,
nicht vorhanden.
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Unempfindlichkeit
gegenüber
einem "Beschleunigungsmesser-Effekt" ist ein weiteres
neues Kennzeichen. Ein isozentrischer Aufbau des Sensors sorgt für eine Abtrennung
gegenüber
mechanischen Vibrationen durch die Handhabung oder den Betrieb des
viskoelastischen Sensors. Eine Beschleunigungskraft in einer Richtung,
die eine Spannungsantwort verursacht, bewirkt auch eine entgegengesetzte
Kraft auf das Sensorelement und bedingt so eine Spannung mit der
entgegengesetzten Polarität und
auf diese Weise wird das Störsignal
gedämpft.
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Eine
gute Isolierung gegenüber äußeren elektromagnetischen
Feldern ist sehr wichtig in Bezug auf die Verringerung der Störungen,
die die Diagnosefunktion beeinträchtigen
können.
Dies ist eine Eigenschaft, die gegenüber herkömmlichen Hydrophonen beim vorliegenden
viskoelastischen Sensor neu ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung genauer erläutert, indem Ausführungsformen
davon beschrieben werden und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung,
bei der
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1 ein
Beispiel einer viskoelastischen Einheit darstellt, die einen Teil
eines Sensors gemäß der Erfindung
bildet,
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2 ein
Rückteil
darstellt, das dafür
konzipiert ist an die viskoelastische Einheit in 1 angepaßt zu werden,
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3 eine
Ausführungsform
eines Sensors gemäß der Erfindung
in einer Explosionsansicht darstellt, um deutlich die im Sensor
enthaltenen Teile zu zeigen, und
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4 dieselbe
Ausführungsform
des in 3 dargestellten Sensors zeigt, der in ein Stethoskopmodul
eingebaut ist.
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Um
bestimmte Ausführungsformen
genauer zu betrachten, beziehen wir uns zuerst auf 1. 1 zeigt
einen kompakten Körper 2 mit
einer zylindrischen äußeren Form
in einer Seitenansicht und einer Draufsicht. Der zylindrische Körper 2 hat
eine innere Bohrung/Aushöhlung
mit einer Öffnung
zur Unterseite. Die Form der Bohrung/Aushöhlung ist nahezu komplementär zur Form der
oberen Abschnitte des Rückteils 1,
das in 2 zu sehen ist, wobei das Rückteil weiter unten genauer
besprochen wird. Oben endet der Zylinderkörper 2 mit einer im
wesentlichen ebenen oder leicht gekrümmten Fläche, wobei diese Fläche die
vorgesehene Aufnahmefläche
für Schall
von einem Körperbereich
ist. Der Volumenteil des Zylinderkörpers 2 besteht im
wesentlichen aus einem homogenen und viskoelastischen Material 20, wobei
das bevorzugte Material 20 Gummi ist, das heißt der Zylinderkörper 2 kann
bevorzugt aus geformtem Gummi, vorzugsweise Silikongummi, hergestellt
sein.
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In 2 ist
ein Rückteil 1 zu
sehen, das dafür
konzipiert ist mit dem Zylinderkörper 2 zusammenzuwirken.
An seinem unteren/hinteren Ende hat das harte Rückteil 1 einen Basisteil 12 in
Form einer Platte und von der Platte nach oben hervorstehend einen
schmaleren halsartigen Teil 13, der seinerseits einen Kopfteil
trägt,
der eine größeren Durchmesser hat.
All diese Teile/Abschnitte des Rückteils 1 sind
zylindrisch und koaxial geformt, jedoch hat der Kopfteil am vorderen/oberen
Ende die Form einer konischen Fläche 11.
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Es
ist deutlich zu erkennen, daß wenn
der Kopfteil mit seiner konischen Spitze 11 in die Aushöhlung des
Zylinderkörpers 2 gedrückt wird,
die Gummimasse 20 in eine Position um den Kopfteil und
den schmaleren Teil 13 herum einschnappt, derart, daß das viskoelastische
Material 20 an dem Rückteil 1 über alle
Flächen
dicht anliegt.
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Das
Rückteil 1 ist
vorzugsweise aus Metall hergestellt und einteilig ausgebildet. Die
wichtigste Eigenschaft des Rückteils 1 ist
es dazu fähig
zu sein, für
ein (bisher nicht besonders erwähntes)
umgebendes elektro-akustisches Wandlerelement einen gleichmäßigen Schalldruck
bereitzustellen. Dies ist ein Grund für die konische Form des oberen/vorderen
Teils des Rückteils.
Zusätzlich
zu schallreflektierenden Eigenschaften, das heißt der Umstand, daß das Material
hart ist, ist es wünschenswert
in Richtung des eigentlichen Wandlerelements und seinen Signalleitungen
gute Abschirmeigenschaften für elektromagnetische
Strahlung zu haben und daher wird das Rückteil beziehungsweise wenigstens
der Basisteil 12 aus Metall gefertigt.
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In 3 ist
in einer Explosionsansicht ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorteils
gemäß der Erfindung
zu sehen. Die zwei oberen Teile 1 und 2 sind die
gerade in Verbindung mit den 1 und 2 erwähnten Teile.
Das nächste
Teil ist ein doppelseitig klebendes Band 3, das nicht notwendig
ist, das jedoch eine verbesserte Befestigung für eine äußere piezoelektrische Folie 4 bereitstellen
kann, im dargestellten Beispiel ein rechteckiges Blatt angepaßter Länge, die
dicht um das Klebeband 3 oder direkt auf den viskoelastischen
Körper 2 gelegt
werden kann und die durch ein Stück
Klebeband 5 zusammengehalten wird. Die Sensorfolie 4 bildet
das elektro-akustische Wandlerelement des Sensors und ist normalerweise
mit dünnen
(nicht dargestellten) Signalleitungen ausgestattet, die an der Innenseite
und der Außenseite
angebracht sind.
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Die
hier abgebildete Ausführungsform
basiert auf dem Einsatz von zwei piezoelektrischen Folien und daher
befindet sich außerhalb
der Folie 4 ein elektrisch leitendes Band 6, das
vorzugsweise ebenfalls ein doppelseitig klebendes Band ist. Das
leitende Band 6 sorgt für
elektrischen Kontakt zwischen der Außenseite der inneren piezoelektrischen
Folie 4 und einer zweiten piezoelektrischen Folie 7,
die außerhalb
des Bands 6 angeordnet ist. Ein Klebeband 8 hält die Enden
der Folie 7 zusammen, in der gleichen Weise, wie Band 5 über dem
Spalt der Folie 4.
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Das
Bezugszeichen 9 bezeichnet einen symbolisch dargestellten
Schaltkreis, der mir der Innen- und Außenseite einer der piezoelektrischen
Folien verbunden ist, um Signalspannungen von der Folie zu erfassen
und zu verarbeiten. In diesem Beispiel sollte konkret auch eine
Signalleitung zur Innenseite der Folie 4 führen, um
die Signale beider Folien 4 und 7 nutzen zu können.
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Die
dargestellten piezoelektrischen Folien 4 und 7 erscheinen
im Beispiel in 3 als rechteckige "Blätter", die um eine zylindrische
Form gelegt werden. Es ist jedoch auch möglich zylindrische Folien zu
verwenden, die dann eng um die Außenseite des viskoelastischen
Körpers 2 gewickelt
werden müssen.
Dieser Vorgang kann ein wenig schwierig sein.
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Es
ist zu bemerken, daß die
Erfindung sich auch auf andere Typen elektroakustischer Wandler als
piezoelektrische Folien bezieht und ein weiterer bevorzugter Wandlertyp
sind piezokeramische Ringe, die etwas starrer als Folien sind, da
sie aus einem keramischen Material hergestellt sind, die jedoch entsprechend
demselben Prinzip arbeiten, das heißt indem sie eine Spannungsdifferenz
zwischen der Innen- und Außenseite
erzeugen, wenn eine Druckeinwirkung von der Innenseite vorliegt.
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In 4 ist
ein Querschnitt durch ein Stethoskop-Sensormodul 15 zu
sehen, bei dem es sich um ein tragbares Gerät handelt, das vom Arzt verwendet wird,
um direkt von der Haut oder Gewebeoberfläche eines Patienten zu erfassen.
Ein Sensorteil 10 vom in 3 in einer
Explosionszeichnung dargestellten Typ ist ein zentrales Teil, das
innerhalb des Sensorgehäuses 16 des
Sensormoduls derart angebracht ist, daß die vordere im wesentlichen
flache Oberfläche
des viskoelastischen Körpers 2 in
Kontakt mit beispielsweise der Hautoberfläche gebracht werden kann, um
Schalldruckschwankungen aufzunehmen. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet
ein Handgriffteil oder Hauptteil des Sensormoduls 15, Bezugszeichen 18 bezeichnet
allgemein elektronische Schaltungen zur Verarbeitung und Verstärkung von
Signalen im Modul, während
Schalter und Warnleuchten allgemein mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet
sind.
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Der
Betriebsmodus des viskoelastischen Sensors besteht darin Schallwellen
vom Gewebe oder der Haut, das oder die sich vor dem viskoelastischen
Körper 2 befindet,
zu erfassen, wobei Schall in das viskoelastische/viskose Medium 20 übertragen wird.
Im viskoelastischen Medium 20 erzeugt die Schallenergie
einen variablen oder dynamischen Druck gegen die Innenseite des
elektro-akustischen Wandlerelements 4, 7 und der
Druck bewirkt eine mechanische Spannung im Wandlerelement 4, 7 das seinerseits
direkt eine elektrische Spannung erzeugt. Die Spannungsänderung
hat dabei dieselbe Frequenz und Phase wie die Schallwelle. Die erzeugte Wechselspannung
ist das Signal, das in der elektronischen Schaltung 18 in
verschiedener Weise verstärkt,
angepaßt,
gefiltert und verändert
werden kann, derart, daß es
einfach zu handhaben oder an andere elektronische Geräte zu übertragen
ist.
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Der
vorliegende Sensor wurde in einer Art beschrieben, die in einem
Stethoskop für
gewöhnliche
diagnostische Einsätze
an menschlichen Körpern
verwendet werden kann. Der Kontaktbereich zur Aufnahme von Schallwellen
vom Körper
kann beliebig geformt sein, indem der Durchmesser des Sensorkörpers 2 festgelegt
wird. Der diagnostische Einsatz kann auch mit einer Ausführungsform der
Erfindung ausgeführt
werden, die ein piezokeramisches Wandlerelement mit mittlerer bis
hoher Empfindlichkeit verwendet, das ein viskoelastisches Silikonmaterial
umgibt. Mit kleinen Variationen in der Konfiguration und dem Material
kann dasselbe Konzept sowohl zum Einsatz in Stethoskopen implementiert
werden, wie auch zum Einsatz in Instrumenten, die innerhalb des
Körpers
plaziert werden. Der Betriebsbereich des Sensors ist im Schallbereich
20 Hz–22
kHz, mit einer Erweiterungsoption auf einen Bereich 0 Hz–30 kHz
für spezielle
Zwecke.