專利名稱：口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于探測(cè)由可聽到的聲音或生物物理的聲音產(chǎn)生的、組織傳導(dǎo)的振動(dòng)的口腔內(nèi)的傳感器的方法和器械，其可被應(yīng)用在聽力設(shè)備、用于監(jiān)測(cè)身體或健康的系統(tǒng)或通信設(shè)備中。
背景技術(shù)：
組織接觸式振動(dòng)傳感器(接觸式麥克風(fēng)) 在用于感測(cè)如心跳、血液流動(dòng)或呼吸的來自身體的聲音的電子聽診器中具有廣泛的應(yīng)用。此類傳感器(或換能器)被放置在接觸皮膚或接觸軟組織的位置并響應(yīng)于由生物物理過程引起、通過組織傳播的振動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)。另外一種被廣泛應(yīng)用的電子聽診器是用于探測(cè)由使用者發(fā)聲而產(chǎn)生的組織振動(dòng)的喉部麥克風(fēng)。由聲帶產(chǎn)生的聲(振動(dòng))波通過喉嚨周圍的硬組織和軟組織傳播，并在說話時(shí)被安裝在外部的接觸式麥克風(fēng)(美國專利4607383，3746789)所探測(cè)。所參考的所有的專利或?qū)＠暾?qǐng)的全部內(nèi)容被通過引用的方式并入本文。
被用來探測(cè)用戶說話的另外的組織接觸式麥克風(fēng)被通常外部安裝在前額的皮膚上、在耳后的骨乳突處或耳道中。與安裝在喉部的傳感器不同，這些麥克風(fēng)探測(cè)由喉部和聲道的其他部分(硬/軟腭、舌、嘴唇、牙齒)的共鳴引起的，通過顱骨(經(jīng)由骨傳導(dǎo))進(jìn)而通過周圍的皮膚組織傳播的振動(dòng)。無音(NAM)麥克風(fēng)被設(shè)計(jì)用來傳導(dǎo)主要在口腔周圍的軟組織中被傳導(dǎo)的微小的聲音振動(dòng)并被安裝在耳后接近下顎的軟組織上面。
被設(shè)計(jì)用來探測(cè)身體的聲音和/或語音的，被應(yīng)用在外部的組織接觸式傳感器的示例包括被集成在密封隔膜(美國專利6498854)中的電容板麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)，被放置在空腔上面的壓電聚合物的膜(美國專利6261237,6937736)，被集成在外殼中，第二密封隔膜與組織率禹合器接觸的駐極體麥克風(fēng)(electret microphone)(美國專利7433484)以及被I禹合到軟的硅膠墊的開放式的電容式麥克風(fēng)。
組織接觸式麥克風(fēng)使用多種架構(gòu)，但其總是包含與皮膚或組織的聲阻抗相匹配的接觸表面，如橡膠、聚氨酯或塑料。當(dāng)把設(shè)備調(diào)節(jié)為對(duì)通過空氣傳播的聲音不夠敏感時(shí)，與組織匹配的接觸材料有效地將穿過組織傳播的聲壓波耦合換能器。結(jié)果為，傳感器有效地減少環(huán)境噪聲并可適合在如工業(yè)場所、移動(dòng)的交通工具或戰(zhàn)場上等噪聲環(huán)境下作為雙向通信的設(shè)備使用。
近期的研究評(píng)估了若干安裝在喉部和顱骨上的組織接觸式麥克風(fēng)與懸掛式(空氣傳導(dǎo))麥克風(fēng)相比較的性能并證明了接觸式麥克風(fēng)對(duì)于語音噪聲比的改善。研究還發(fā)現(xiàn)，由于在理論上減少了從如舌和嘴唇的柔軟的發(fā)聲器官編碼的信息，接觸式麥克風(fēng)的語音清晰度次于懸掛式麥克風(fēng)的語音清晰度。然而，隨著眾多的接觸式麥克風(fēng)系統(tǒng)被商業(yè)銷售，在例如全頭頭盔、防護(hù)服和水下裝備的過大的環(huán)境噪聲或受裝備限制的環(huán)境中，排除使用空氣傳導(dǎo)式麥克風(fēng)，降低的語音清晰度明顯的可被容許。
依靠用于喉部、耳部或骨傳導(dǎo)的語音的組織接觸式麥克風(fēng)的現(xiàn)有系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其需要在外部安裝的傳感器、電子設(shè)備和/或電池。此類裝備可能很笨重并容易被發(fā)現(xiàn)、妨礙如頭盔和保護(hù)裝置的其他的裝備、可能會(huì)封閉耳道以及可能不能被用在潮濕和/ 或惡劣的環(huán)境中。
組織接觸式傳感器的領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)的進(jìn)展包括全植入式助聽器，其中麥克風(fēng)部分被安裝在耳后正上方的皮下或安裝在耳道的骨壁中。與上述被設(shè)計(jì)以探測(cè)使用者的語音的傳感器不同，被植入的助聽器麥克風(fēng)被設(shè)計(jì)來響應(yīng)周圍環(huán)境的聲音(美國專利6516228、 6626822,7204799和7354394)。在這些系統(tǒng)中，由麥克風(fēng)探測(cè)到的信號(hào)可能被處理，被放大以及被發(fā)射到用于仿真中耳的植入式換能器或被發(fā)射到用來仿真聽覺神經(jīng)的電極。放置于被植入的麥克風(fēng)上面的薄皮膚層作為隔膜并將由空氣壓力干擾導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)耦合到嵌入式傳感器(通常為駐極體麥克風(fēng))。被植入的麥克風(fēng)被測(cè)試出具有1. 5mV/Pa的平坦的靈敏度響應(yīng)直至超過5KHz以及同樣情況下的語音清晰度測(cè)試證明了在外部的70dB SPL的聲場的條件下被植入的麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)了極好的語言識(shí)別。
作為全植入式聽覺系 統(tǒng)的一部分，植入式麥克風(fēng)在若干方面對(duì)用戶有利聽覺系統(tǒng)為全部不可見的，消除了外觀上的障礙；其不封閉耳道，消除了舒適/不相容的問題，并在部分聽力損失情況下改善了對(duì)低頻率聲音的感知；以及其容許使用在與傳統(tǒng)助聽器不兼容的環(huán)境中或活動(dòng)中。然而，顯著的缺點(diǎn)為需要手術(shù)步驟來安裝或拆卸麥克風(fēng)、電池和信號(hào)調(diào)節(jié)/放大電子設(shè)備，以及必須具有一些在外部為電池充電的裝置。此外，植入的麥克風(fēng)依賴于若干在皮膚表面的振動(dòng)和電信號(hào)之間的介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路級(jí)，其限制了整體設(shè)備的性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述的組織植入式麥克風(fēng)和在外部應(yīng)用的組織接觸式麥克風(fēng)的限制，以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)部的、但非手術(shù)安裝的(即可拆卸的)、位于口腔中的麥克風(fēng)中的本類型的傳感器的被指明的優(yōu)點(diǎn)?？恐a、腭或齒齦的內(nèi)表面放置，傳感器作為非可見的聽力設(shè)備、身體聲音的監(jiān)測(cè)設(shè)備或通信設(shè)備中的組件，其可在與大多數(shù)已有設(shè)備不兼容的環(huán)境中運(yùn)行。
由于如PVDF(聚偏二氟乙烯)的壓電膜的高壓電電壓常數(shù)g(壓電電壓常數(shù) g將電壓與產(chǎn)生的應(yīng)變關(guān)聯(lián))、很好的匹配到組織的低的機(jī)械阻抗以及普通的魯棒性 (robustness)和機(jī)械穩(wěn)定性，如PVDF(聚偏二氟乙烯)的壓電膜很適合作為口腔內(nèi)組織接觸傳感器來使用。此外，與在封閉的空氣腔中依靠將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ψ兓噪S后由空氣傳導(dǎo)式麥克風(fēng)(諸如在美國專利6516228和7433484中所描述的)來探測(cè)的接觸式傳感器不同，組織振動(dòng)通過壓電膜由壓電效應(yīng)被直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。如上面所提到的，所參考的所有的專利或?qū)＠暾?qǐng)的全部內(nèi)容被通過引用的方式并入本文。
當(dāng)被夾到彎曲的開放式框架結(jié)構(gòu)時(shí)，PVDF膜對(duì)于法向指向的機(jī)械位移(normally directed mechanical displacement)具有非常高的敏感度并且當(dāng)?shù)陀谥C振運(yùn)行時(shí)其具有平坦的頻率響應(yīng)。曲率將法向指向的壓力轉(zhuǎn)化為可比所施加的應(yīng)力大很多的、沿著膜的軸線的拉伸應(yīng)力。所導(dǎo)致的膜應(yīng)變?cè)谀さ碾姌O上產(chǎn)生與所施加的壓力成比例的電荷。膜厚度、曲率半徑(ROC)以及電極的面積可被調(diào)整以影響電阻抗、靈敏度、諧振頻率和機(jī)械阻抗，因此容許針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行微調(diào)。
可拆卸的口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)可與可拆卸的牙齒器具(dentalappliance) 附接、粘接或集成在一起。牙齒器具耦合到牙齒，如上后白齒上，以放置麥克風(fēng)使得其與口腔中特定的軟組織保持接觸，例如保持緊密的接觸。因?yàn)辂溈孙L(fēng)被放置為盡可能的接近外部的聲音源以最大限度的減少信號(hào)衰減，所以口腔粘膜(臉頰的內(nèi)表面)可能被使用。在另外的示例中，齒齦或腭也可用作可選的位置。
附圖的簡要描述


圖1A展示了曲率將法向指向的壓力轉(zhuǎn)化為可比所施加的壓力大很多的、沿著膜的軸線的拉伸應(yīng)力的方法示例。
圖1B展示了作用在梁的端處的引起的梁中的彎曲力矩和沿著膜軸線的拉伸應(yīng)力的法向力。
圖1C展示了包含被圍繞著橡膠接觸墊纏繞的膜的壓電膜組織接觸式麥克風(fēng)，其中由于橡膠墊的徑向擴(kuò)展，作用在墊上的法向力產(chǎn)生了沿著膜軸線的應(yīng)力。
圖2A展示了被容納在被放置于牙齒的舌側(cè)或頰側(cè)的金屬或塑料外殼中的牙齒器具的麥克風(fēng)傳感器的部分。
圖2B展示了包含位于結(jié)構(gòu)開口中間的淺輪廓突出物以確保與軟組織的良好接觸并將振動(dòng)有效的耦合到PVDF膜的有效部分的接觸透鏡。
圖2C展示了由如304或316不銹鋼或鈦的生物相容性金屬所構(gòu)建的框架的示例。
圖2D展示了通過將PVDF膜層(例如10mmx20mm，52微米厚)貼合(例如通過氰基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂或雙面粘合劑)或機(jī)械的夾到彎曲的并開放的金屬框架而構(gòu)建的麥克風(fēng)傳感器的示例。
圖3A展示了被指明拉伸方向(1-方向)中的 壓電膜，其中膜的邊緣(在1-方向) 被夾住但兩側(cè)沒有被夾住，以及另外展示了使用平坦的開放框架的壓電膜傳感器的可選的布置，其中膜的邊緣(在1-方向)被夾住但兩側(cè)沒有被夾住，膜位于中間位置；還展示了使用平坦的開放框架的壓電膜傳感器，其中膜的邊緣(在1-方向)被夾住但兩側(cè)沒有被夾住，膜從中間位置偏斜。
圖3B展示了包含被放置在空氣腔后面的駐極體麥克風(fēng)和隔膜(隔膜與橡膠墊接觸以接觸組織)的設(shè)計(jì)。
圖3C展示了包含懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電膜傳感器，膜被通過硬粘合劑(例如環(huán)氧樹脂)貼到梁的一個(gè)表面以及梁的端部被夾到麥克風(fēng)框架。
圖3D展示了多種梁結(jié)構(gòu)的示例，其不同的特性被納入麥克風(fēng)以擴(kuò)展有效的頻率響應(yīng)。
圖3E展示了傳感器可產(chǎn)生電壓信號(hào)的方法的示例，所述電壓信號(hào)被相加并被放大以產(chǎn)生寬帶頻率響應(yīng)。
圖3F展示了包含被夾靠在硬的平臺(tái)上并被壓電膜包圍的圓柱形段的橡膠接觸墊。
圖3G展示了被夾在麥克風(fēng)外殼中的接觸墊的圓柱形部分與硬平臺(tái)的中間的壓電陶瓷圓盤的示例。
圖4展示了具有通過硬配線連接到電池電源和下游的電路級(jí)的前置放大器電路的麥克風(fēng)傳感器，其借助于在后白齒后面被引導(dǎo)的導(dǎo)管連接器具的頰側(cè)和舌側(cè)。
圖5A展示了耦合到牙齒(如上后臼齒的)以放置麥克風(fēng)從而實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)被放置為盡可能的接近外部的聲音源(例如通過口腔粘膜)以最大限度的減少信號(hào)衰減的牙齒器具的示例。
圖5B展示了被耦合到牙齒以放置(例如，靠著顎)麥克風(fēng)的牙齒器具。
圖5C展示了被耦合到牙齒以放置(例如，靠著齒齦)麥克風(fēng)的牙齒器具。
圖6A展示了依據(jù)應(yīng)用包含附加的數(shù)字信號(hào)處理電子設(shè)備、發(fā)射器或接收器電路 (或兩者都有)、天線和電池(例如鋰離子電池)的牙齒器具的相對(duì)的側(cè)。
圖6B展示了從麥克風(fēng)接收到的信號(hào)可被存儲(chǔ)在被封裝在牙齒器具中的快閃式存儲(chǔ)器中以在稍后的時(shí)間進(jìn)行分析的方法的示例。
發(fā)明的詳細(xì)描述
與同空氣傳導(dǎo)式麥克風(fēng)相似地探測(cè)所覆蓋的(組織)膜的機(jī)械振動(dòng)的皮下植入的麥克風(fēng)不同，被用來探測(cè)環(huán)境聲音的口腔內(nèi)麥克風(fēng)必須響應(yīng)耦合到頭部的軟組織并通過頭部的軟組織傳播的聲壓波。由于阻抗不匹配以及信號(hào)的散射，頭部的空氣/組織邊界成為聲音傳播的重大障礙，以及只有小部分的外部的聲壓能量被傳送到嵌入式傳感器。聲壓波在空氣/水邊界的垂直入射導(dǎo)致理論上33dB(99. 9% )的聲強(qiáng)損失?？紤]散射效應(yīng)也在其中起作用，并通過空氣中的水球體(近似于頭部)的FEA模型預(yù)測(cè)出略高的聲衰減。
因此用于測(cè)量環(huán)境聲音的口腔內(nèi)組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)必須具有足夠的SNR(信號(hào)噪聲比)以在探測(cè)最小的期望環(huán) 境聲壓水平(SPL)時(shí)克服在空氣/組織分界面上的損失。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)，被有效用作聽力設(shè)備的部件的口腔內(nèi)組織麥克風(fēng)在70dB SPL的條件下應(yīng)能達(dá)到極好的語音清晰度并在60dB SPL的條件下提供有用的性能，其中由于傳播損失，轉(zhuǎn)化為在傳感器處測(cè)量的小于30dB SPL0
當(dāng)被用來探測(cè)由使用者生成的(即本地的)聲音(如語音、呼吸或其他身體聲音) 時(shí)，口腔內(nèi)的組織麥克風(fēng)感應(yīng)在使用者的軟組織內(nèi)傳播的振動(dòng)并因此并不受限于空氣/組織邊界處的損失。軟組織作為低通濾波器，衰減聲音的高頻部分，但任何在外面安裝的組織接觸式麥克風(fēng)同樣具有這個(gè)作用。
與不添加聲道整形而感知喉的振動(dòng)的喉部麥克風(fēng)不同，在口腔內(nèi)的組織處被探測(cè)到的語音信息可能包括來自聲道的很多部分(咽頭、硬的不發(fā)音的部分(硬腭、牙齒)以及軟的不發(fā)音的部分(舌、軟腭)的貢獻(xiàn)，盡管從口腔內(nèi)組織的信號(hào)可能排除嘴唇和鼻腔的影響，其語音質(zhì)量可能顯著的優(yōu)于喉部麥克風(fēng)的語音質(zhì)量。由于在引起的骨振動(dòng)中的聲道部分的較高含量，安裝在顱骨或耳道組織的麥克風(fēng)可能提供更高的信號(hào)質(zhì)量，但其可能在很小的程度上優(yōu)于口腔內(nèi)麥克風(fēng)。發(fā)明者已經(jīng)展不了與空氣傳導(dǎo)的聲音相比的口腔內(nèi)麥克風(fēng)的良好的語音保真度。
由于如PVDF(聚偏二氟乙烯)的壓電膜的高壓電電壓常數(shù)g(壓電電壓常數(shù)g將電壓與引起的應(yīng)變關(guān)聯(lián))、很好的匹配到組織的低的機(jī)械阻抗以及其總體的魯棒性和機(jī)械穩(wěn)定性，如PVDF(聚偏二氟乙烯)的壓電膜很適合作為口腔內(nèi)組織接觸傳感器來使用。此外，與在封閉的空氣腔中依靠將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫ψ兓噪S后由空氣傳導(dǎo)式麥克風(fēng)(諸如在美國專利6516228和7433484中所描述的)來探測(cè)的接觸式傳感器不同，組織振動(dòng)通過壓電膜由壓電效應(yīng)被直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
當(dāng)被夾到彎曲的開放框架結(jié)構(gòu)時(shí)，PVDF膜10提供對(duì)法向地指向的機(jī)械位移的非常高的敏感度，以及當(dāng)在低于諧振下操作時(shí)其具有平坦的頻率響應(yīng)。曲率將法向指向的壓力或力F轉(zhuǎn)換為可比所施加的應(yīng)力大很多的沿著膜軸線的拉伸應(yīng)力(圖1A)。所導(dǎo)致的膜應(yīng)變?cè)谀さ碾姌O上產(chǎn)生與所施加的壓力成比例的電荷。膜厚度、曲率半徑(ROC)以及電極的面積可被調(diào)整以影響電阻抗、靈敏度、諧振頻率和機(jī)械阻抗，因此容許針對(duì)應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行微調(diào)。圖1B示出了當(dāng)法向指向的力F可被施加到被配置到懸臂梁結(jié)構(gòu)中的膜10的示例， 其中指向的力導(dǎo)致了沿梁的長度的張力Ft。相似的是，圖1C示出了法向指向的力可能被作用于彎曲的結(jié)構(gòu)12以導(dǎo)致彎曲結(jié)構(gòu)上的徑向擴(kuò)展并在四周被貼合的膜中產(chǎn)生張力的另外的示例。
口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)20與可拆卸的牙齒器具附接、粘接或集成在一起(圖 4A)。牙齒器具耦合到如上后白齒M的牙齒上，來放置麥克風(fēng)20使得其與口腔中的特定的軟組織保持接觸。由于麥克風(fēng)20被放置為盡可能的接近外部的聲音源以最大限度的減少信號(hào)衰減，所以口腔粘膜(臉頰的內(nèi)表面)為優(yōu)選的(圖5A)。齒齦(圖5C)或腭(圖5B) 也可構(gòu)成替代的位置。例如，如圖5B所示，頰部分100可保持電池和/或電子設(shè)備，而經(jīng)由結(jié)構(gòu)構(gòu)件22耦合的第二部分102可容納由設(shè)備靠著軟腭的部分放置的麥克風(fēng)(如本文所述)。圖5C展示了另外的變化，其中麥克風(fēng)20可能被靠著齒齦G的頰側(cè)放置而不是放置在單顆牙齒或多顆牙齒表面上。當(dāng)兩個(gè)部分經(jīng)由結(jié)構(gòu)構(gòu)件22圍繞白齒被互相耦合時(shí)，第二部分104可能如上所述被保持在舌側(cè)上。
牙齒器具可能為通過使用牙齒結(jié)構(gòu)的模型而制成并通過熱成型工藝生產(chǎn)的定制的設(shè)備(圖4)。其也可利用非定制的形式，該形式可為通過例如連接線或其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件 22或通過拉伸安裝到合適的位置的扭轉(zhuǎn)彈簧并然后釋放而被夾到白齒上。連接線或其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件22可能另外起到用于在設(shè)備的兩個(gè)部分如接觸內(nèi)頰表面的頰側(cè)麥克風(fēng)20和可能容納電池和/或電子設(shè)備的舌部分24之間引導(dǎo)如電源和/或信號(hào)的 管道的作用。2009 年10月29日提交的美國專利申請(qǐng)2009/0268932中描述的另外的安裝技術(shù)被并入本文作為參考。牙齒器具包含一個(gè)或多個(gè)特征26，其可能符合一顆或多顆牙齒的表面并改善牙齒器具在牙齒上的保持和放置。
牙齒器具的麥克風(fēng)傳感器部分20可能被容納在依據(jù)軟組織接觸區(qū)域(圖2A)被定位在牙齒的舌側(cè)或頰側(cè)上的例如金屬、塑料或其他合適的外殼30中。麥克風(fēng)外殼的牙齒接觸部分可能包含如適合兩個(gè)白齒之間的縫隙空間的突起物的有利的特征28，以在使用期間保持定位。麥克風(fēng)20的外殼的牙齒接觸部分優(yōu)選包括軟的塑料或橡膠材料以減少經(jīng)由骨傳導(dǎo)通過牙齒耦合到外殼的振動(dòng)。外殼30可被例如用液體硅橡膠(LSR)過模制，而外殼 30的接觸軟組織(例如頰的內(nèi)表面)的部分可能具有硅樹脂或聚氨酯接觸表面32。外殼 30 (其可能封裝如信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備)的內(nèi)部38包含導(dǎo)電涂料或金屬鍍層36以減少麥克風(fēng)對(duì)于電磁干擾的敏感度。
麥克風(fēng)傳感器20可通過將一層PVDF膜10 (例如10mmx20mm，52微米厚)結(jié)合到 (例如通過氰基丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂或雙面粘合劑40)或機(jī)械地夾到彎曲并開放的金屬框架34(圖2D)而構(gòu)建，使得膜10的拉伸方向(已知的“I”方向44)為沿著框架34的曲率半徑方向(美國專利6937736被作為參考并入本文)。也可使用如PVDF的共聚物(例如PVDF-TrFE)的其他的壓電膜。
框架34 (圖2C)可能由如304或316不銹鋼或鈦的生物相容性金屬所構(gòu)建。為將無效的膜材料(其增加了寄生電容)的量減為最小，框架的邊緣寬度被保持在可實(shí)現(xiàn)的最小值以有效地夾住膜并防止偏斜。在一個(gè)示例中可使用1-2_的寬度。曲率半徑直接影響麥克風(fēng)的靈敏度和諧振頻率(由于膜柔度的影響)。在保持足夠的設(shè)備靈敏度的同時(shí)，例如 5mm-20mm的框架半徑可能被用來提供高于主要語音頻帶(300_4kHz)的諧振頻率?？蚣?4 通過例如機(jī)械緊固件或粘合劑而被集成在麥克風(fēng)外殼30中。此外，取決于期望的特性，框架34可能被配置為如橢圓形、圓形等的多種不同的形狀。此外，在可選的變化中，在壓電膜保持粘合到圍繞物(enclosure)的接觸表面并與之振動(dòng)接觸時(shí)，框架可被從圍繞物中省略和/或壓電膜可被直接固定到外殼而且不受到框架的支撐。
娃樹脂RTV或聚氨酯橡膠(例如NuSil Med-6015或Dow Corning(道康寧) X3-6121)的接觸層32 (透鏡)被鑲鑄在PVDF膜10的合適位置上。接觸透鏡32包含位于框架開口中間的淺輪廓突出物以確保其與軟組織的良好接觸并使振動(dòng)有效地耦合到PVDF 膜10的有效部分(圖2B)。透鏡澆鑄過程確保了透鏡和PVDF膜之間在整個(gè)表面上緊密的機(jī)械接觸并用來密封麥克風(fēng)組件的前表面來防止液體的侵入。另外的方法為通過使用柔性粘合劑將壓電膜附接到預(yù)成型的橡膠接觸層。這需要仔細(xì)操作以確保在有效的膜表面上的緊密接觸和在透鏡/外殼界面處的防水密封。為了使機(jī)械負(fù)載效應(yīng)變?yōu)樽钚〔p小麥克風(fēng)的輪廓，接觸透鏡可能被限制到例如l_2mm的厚度。
用于壓電膜傳感器20的可選的布置使用平坦的開放的框架34，其中膜的彼此相對(duì)的第一組邊緣(在I方向44)被夾住40，但相對(duì)的第二組側(cè)邊沒有被夾住(圖3A)。作用在接觸透鏡50上的靜態(tài)(即“DC”) 壓力(例如當(dāng)被靠著組織安裝時(shí))引起膜從被拉直的或平坦的中間位置52發(fā)生偏斜，導(dǎo)致了上述的彎曲的形態(tài)54。這里，引起的曲率54的量由被施加的DC力限定，因此，傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)將在使用期間發(fā)生改變。然而，此布置可能導(dǎo)致更輕/更小的設(shè)備和簡化的結(jié)構(gòu)。
通過此架構(gòu)，膜曲率的量可通過借助于經(jīng)由引線42連接到第一和第二電極的DC 升壓轉(zhuǎn)換器電路施加DC電場來可選擇地通過電子手段調(diào)整/控制。
可選的是，所需的壓電膜曲率可通過使用柔性粘合劑將膜粘到具有被預(yù)先確定的曲率54的橡膠接觸層，并將邊緣(在I方向)夾在框架34和外殼30之間來實(shí)現(xiàn)。
壓電膜傳感器10的另外例子并入了懸臂梁結(jié)構(gòu)68。膜10被用硬粘接劑(例如環(huán)氧樹脂)結(jié)合72到梁的一個(gè)表面并且梁的端部被夾70到麥克風(fēng)的框架(圖3C)。橡膠接觸表面50包含被靠著梁的端部放置的圓柱形部分74使得外部的聲音振動(dòng)傳播到橡膠50 中并被傳輸?shù)搅?8。在這種布置中，作用在梁68的端部的法向力導(dǎo)致了梁68中的彎曲力矩以及沿著膜軸線(圖1B)的拉伸應(yīng)力。與前面所述的彎曲/夾住的膜10布置一樣，張力作用在膜10的邊緣；膜邊緣的小的有效面積導(dǎo)致了比在膜的表面處測(cè)量的應(yīng)力的大得多的應(yīng)力，從而在相同的傳入壓力下導(dǎo)致了更高的電壓。
梁的尺寸和材料可以被調(diào)整，以提供所需的諧振頻率。例如，與塑料的梁相對(duì)比， 鋼梁會(huì)產(chǎn)生較高的諧振頻率。具有不同特性的多個(gè)梁結(jié)構(gòu)也可包含到麥克風(fēng)中來擴(kuò)展有效的頻率響應(yīng)(圖3D)。在這種布置中，單一的組織接觸墊被應(yīng)用到兩個(gè)梁上，每個(gè)梁都具有其自身的頻率響應(yīng)。比如，每個(gè)都具有被布置在梁(如上面所述)上的膜10的高頻率諧振梁80和低頻率諧振梁82可被彼此接近地沿著框架34固定，并且每一個(gè)梁80、82可具有相同的被施加的力F。響應(yīng)于外部振動(dòng),傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)被疊加和放大以產(chǎn)生寬帶頻率響應(yīng)(圖3E)。也就是說，來自高頻率諧振梁80的響應(yīng)84和來自低頻率諧振梁82的響應(yīng) 86可被疊加和放大以產(chǎn)生寬帶頻率響應(yīng)。
可選的是，壓電膜組織接觸式麥克風(fēng)包含圍繞橡膠接觸墊12纏繞的膜10，其中由于橡膠墊(圖1C)的徑向擴(kuò)展，作用在墊上的法向力F產(chǎn)生沿著膜10的軸線的張力。橡膠接觸墊50包含被靠著相對(duì)硬的平臺(tái)90 (圖3F)而被夾住 的圓柱形段94。壓電膜10被纏繞在圓柱體94上并通過使用環(huán)氧樹脂或腈基丙烯酸酯或其他的粘合劑而結(jié)合到其自身。小的暴露的鍵形物96允許接近底部電極。電引線42被連接到頂部電極和底部電極并被穿過平臺(tái)90中的孔引導(dǎo)到麥克風(fēng)圍繞物38以用于信號(hào)調(diào)節(jié)和放大。
另外的組織接觸式麥克風(fēng)包含被耦合到橡膠接觸墊50的壓電陶瓷盤92 (例如PZT 5H)。盤92被夾在(并與其接觸)麥克風(fēng)的外殼內(nèi)的接觸墊的圓柱形部分94和硬的平臺(tái) 90之間(圖3G)。盤92通過例如環(huán)氧樹脂或其它本領(lǐng)域中已知的合適的粘合材料結(jié)合到平臺(tái)90。盤92的直徑和厚度被控制以提供高于感興趣的音頻頻帶的諧振頻率。平臺(tái)90可由例如如Ultem(聚醚酰亞胺)或PEEK (聚醚醚酮)的剛性聚合物，或其他合適的聚合物材料制造，以在壓電盤背面提供不匹配的機(jī)械阻抗并提高靈敏度。電引線42結(jié)合到或焊接到頂部和底部的壓電電極并被引導(dǎo)到圍繞物38，以用于連接到信號(hào)調(diào)節(jié)電子設(shè)備。與壓電膜一樣，耦合到陶瓷92的振動(dòng)導(dǎo)致材料的應(yīng)變，產(chǎn)生電荷。在本布置中，壓電陶瓷92在其厚度模式運(yùn)行(3方向，沿著極化方向)，并且如PZT5H的陶瓷比本模式中的膜顯著地更有效。 然而，陶瓷92( 30MRayl)的高的聲阻抗限制了可從橡膠耦合的聲能的量。通過利用陶瓷 /環(huán)氧樹脂合成物來減少聲阻抗( 15MRayl),機(jī)械稱合可被顯著地改善。
口腔內(nèi)的組織麥克風(fēng)的最后的示例可包含基于在美國專利7433484中所述的那些的聲音振動(dòng)傳感器。此設(shè)計(jì)包含被放置在空氣腔66和隔膜60后面的駐極體麥克風(fēng)62, 隔膜60與橡膠墊50保持接觸以接觸組織(圖3B)。駐極體麥克風(fēng)通常適于在外面使用并包含通到外面空氣中的泄壓孔。通過密封的封閉外殼，傳感器可被集成在之前所述的可拆卸的牙齒器具中。被封閉在麥克風(fēng)背后的腔室內(nèi)的空氣66具有影響設(shè)備的諧振頻率的勁度力抗的作用并可抵消由于加入的組織層而產(chǎn)生的額外的機(jī)械負(fù)載。
由于被安裝在上臼齒的頰側(cè)，口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)組件被容納在不大于例如20mm(水平長度)x20m(垂直寬度)XlOmm(輪廓高度)的空間內(nèi)，以在例如講話、吃、喝以及笑的正?；顒?dòng)期間改善舒適性并保持隱蔽。安裝在上顎的另外的安裝配置需要相似的尺寸限制以最小程度的影響說話并避免咽反射。
為了有效地驅(qū)動(dòng)另外的電路級(jí)，PVDF膜或駐極體麥克風(fēng)傳感器的高電容量要求信號(hào)調(diào)節(jié)電路被放置在盡可能接近傳感器的位置。前置放大器可包含用于阻抗變換和信號(hào)增益的高輸入阻抗(例如> IOM Ohm)的低噪聲JFET晶體管或商用駐極體放大器芯片，并可與傳感器一起被封裝在麥克風(fēng)的外殼中。帶通濾波器可在信號(hào)放大后被使用以突出如 300Hz-4000Hz的語音頻段。
由于麥克風(fēng)20本身的尺寸限制，牙齒器具的相對(duì)的側(cè)24可根據(jù)不同的應(yīng)用包含額外的數(shù)字信號(hào)處理電子設(shè)備、發(fā)射或接受電路(或兩者)、天線和電池(例如鋰離子電池)。在這種情況下，麥克風(fēng)傳感器或前置放大電路借助于在后白齒后面被引導(dǎo)的連接器具的頰測(cè)和舌側(cè)的導(dǎo)管22，被通過硬配線連接到電池電源和下游的電路級(jí)。
設(shè)備可在必要時(shí)(依據(jù)使用的目的或在為封閉的電池充電時(shí))從口中拆卸。充電可使用感應(yīng)裝置(其中在牙齒器具封裝中需要感應(yīng)線圈)或通過直接耦合暴露的電接觸體來完成。
可拆卸的口腔內(nèi)組織麥克風(fēng)可被用作如中耳或耳蝸植入物的聽力系統(tǒng)的一體的部分。在這種情況下，口腔內(nèi)麥克風(fēng)將取代外部的空氣傳導(dǎo)式麥克風(fēng)或皮下植入式麥克風(fēng)。 由口腔內(nèi)的麥克風(fēng)探測(cè)到的信號(hào)將被處理/過濾，放大以及通過例如近場磁感應(yīng)(NFMI)或低功耗射頻(RF)鏈路被無線發(fā)射到植入式接收線圈以用于另外的信號(hào)處理并刺激中耳或聽覺神經(jīng)?？谇粌?nèi)的麥克風(fēng)提供了用于隱蔽的中耳或耳蝸植入式聽覺系統(tǒng)的非手術(shù)的解決方案。
在另外的使用中，口腔內(nèi)的麥克風(fēng)可被集成到口腔內(nèi)的骨傳導(dǎo)式聽覺系統(tǒng)中，其中牙齒被引起響應(yīng)于外部信號(hào)的振動(dòng)，其中被引起的振動(dòng)通過骨傳導(dǎo)傳播到耳蝸并被使用者察覺為聲音。在此系統(tǒng)中，組織麥克風(fēng)和骨換能器可被包含到相同的牙齒器具中，其中麥克風(fēng)信號(hào)被通過硬配線傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電子設(shè)備?？蛇x的是，麥克風(fēng)被放置在嘴的一側(cè)上并將接收到的聲音無線發(fā)射到被放置在嘴的相對(duì)的一側(cè)上的另一器具以驅(qū)動(dòng)牙齒。在又一種可選的方案中，麥克風(fēng)可以被放置在嘴的下部或上部，并將接收的聲音無線發(fā)射到被以互補(bǔ)的方式放置在嘴的相對(duì)的下部或上部的另一器具。以這種方式，口腔內(nèi)的組織麥克風(fēng)構(gòu)成了隱蔽的并可拆卸的聽力設(shè)備。
此外，口腔內(nèi)的組織麥克風(fēng)可被用作通信系統(tǒng)的一部分，例如，收集和處理使用者的語音并將包含語音的信號(hào)無線發(fā)射到電話機(jī)(例如，蜂窩電話)、無線電收發(fā)設(shè)備(例如， 手持式無線電收發(fā)設(shè)備)，或其他能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的低功率無線電通信協(xié)議(例如，藍(lán)牙)接收和/或發(fā)射信號(hào)的通信設(shè)備。如前所述，組織麥克風(fēng)對(duì)外部的空氣傳導(dǎo)的聲音不敏感，因此所述系統(tǒng)在高噪聲環(huán)境中將是特別有用的。
可選的是，通信系統(tǒng)可利用具有更高功率的發(fā)射電子設(shè)備以將范圍增加至10-100 米或以上。因此使用者能夠佩戴完全隱蔽的麥克風(fēng)并與位于遠(yuǎn)處的接收機(jī)通信。在這種情況下，口腔內(nèi)的組織麥克風(fēng)可被用來探測(cè)使用者的語音、生物物理的聲音(例如呼吸、心跳的聲音，及其他)或環(huán)境聲音。
在另外的應(yīng)用中，麥克風(fēng)可被用作用于監(jiān)測(cè)使用者的語音、生物物理聲音，或環(huán)境聲音的口腔內(nèi)的錄音系統(tǒng)的一部分。從麥克風(fēng)20接收到的信號(hào)可被儲(chǔ)存到被封裝在牙齒器具的舌部分24中的快閃式存儲(chǔ)器或其他合適的存儲(chǔ)器儲(chǔ)存設(shè)備中以用于在稍后時(shí)間的分析(圖6B)。
對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，用于實(shí)施本發(fā)明的上述組件方法的修改、 實(shí)際可行的不同變化之間的組合，以及本發(fā)明各個(gè)方面的變化都在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種可拆卸的口腔內(nèi)器具，其包括器具外殼，其被配置用來可拆卸地附接到實(shí)施對(duì)象口中的一顆或多顆牙齒；和，由所述外殼支撐的麥克風(fēng)，其中所述麥克風(fēng)具有接觸表面，當(dāng)所述外殼被附接到所述一顆或多顆牙齒時(shí)，所述接觸表面被放置為靠著所述口中的粘膜表面接觸，其中所述麥克風(fēng)的接觸表面具有與所述粘膜表面相匹配的聲阻抗。
2.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述器具外殼包括從所述外殼延伸并被連接到所述麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
3.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述器具外殼沿著所述一顆或多顆牙齒的第一表面放置，并且所述麥克風(fēng)沿著所述一顆或多顆牙齒的第二相對(duì)的表面放置。
4.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述外殼還包括與所述麥克風(fēng)相對(duì)的突起物使得所述突起物的尺寸被設(shè)置為與兩顆鄰近的牙齒之間的縫隙空間相適應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括由被固定在所述外殼內(nèi)的框架所支撐的壓電膜，其中所述壓電膜與所述接觸表面進(jìn)行振動(dòng)通信。
6.如權(quán)利要求5所述的器具，其中所述壓電膜包括PVDF膜。
7.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括被固定到所述外殼并不被框架支撐的壓電膜，其中所述壓電膜被附著到所述接觸表面并與所述接觸表面振動(dòng)接觸。
8.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括被放置在空氣腔后面并接近與所述接觸表面振動(dòng)通信的隔膜的駐極體麥克風(fēng)。
9.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括被梁支撐的壓電膜，其在所述梁的第一端部處被固定在所述外殼中，并在所述梁的第二端部處與所述接觸表面振動(dòng)通信。
10.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括具有第一頻率諧振的第一梁以及具有與所述第一頻率諧振不同的第二頻率諧振的第二梁，其中所述第一梁和所述第二梁中的每個(gè)被互相接近地固定在所述外殼中使得所述梁中的每個(gè)與所述接觸表面振動(dòng)通信。
11.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括與所述接觸表面振動(dòng)通信的內(nèi)部突起物以及被纏繞在所述突起物的周圍的壓電膜。
12.如權(quán)利要求1所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括與所述接觸表面振動(dòng)通信的壓電陶瓷盤。
13.—種口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)，其包括圍繞物，其具有適合于被放置在實(shí)施對(duì)象的口中的尺寸并具有組織接觸部分；框架，其被放置在所述圍繞物中；和，壓電膜，其被固定到所述圍繞物中的所述框架，使得由所述組織接觸部分產(chǎn)生的致動(dòng)向所述壓電膜施加力，其中所述圍繞物具有與所述口中的組織匹配的阻抗。
14.一種口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng),其包括圍繞物，其具有適合于被放置在實(shí)施對(duì)象的口中的尺寸并具有組織接觸部分；和，壓電膜，其被支撐在所述圍繞物中，使得由所述組織接觸部分產(chǎn)生的致動(dòng)向所述壓電膜施加力，其中所述圍繞物具有與所述口中的組織匹配的阻抗。
15.—種探測(cè)實(shí)施對(duì)象口中的聲信號(hào)的方法，包括在所述口中靠著組織區(qū)域放置麥克風(fēng)圍繞物的組織接觸部分，其中圍繞物的所述組織接觸部分具有與所述組織區(qū)域匹配的聲阻抗；接收經(jīng)由所述圍繞物的所述組織接觸部分穿過所述組織區(qū)域發(fā)射的聲信號(hào)；以及，致動(dòng)所述圍繞物中的壓電膜使得產(chǎn)生表示所述聲信號(hào)的電信號(hào)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中放置組織接觸部分包括靠著所述實(shí)施對(duì)象的頰的內(nèi)表面放置所述組織接觸部分。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中放置還包括靠著所述實(shí)施對(duì)象的一顆或多顆牙齒的表面放置所述麥克風(fēng)圍繞物使得靠著所述頰的內(nèi)表面的接觸被保持。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其中放置還包括靠著所述實(shí)施對(duì)象的齒齦表面放置所述麥克風(fēng)圍繞物使得靠著所述頰的內(nèi)表面的接觸被保持。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中放置組織接觸部分包括靠著所述實(shí)施對(duì)象的軟腭放置所述組織接觸部分。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中放置組織接觸部分包括靠著所述實(shí)施對(duì)象的齒齦表面放置所述組織接觸部分。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中接收聲信號(hào)包括在所述壓電膜中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力使得產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所述聲信號(hào)的電信號(hào)。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其中致動(dòng)壓電膜包括致動(dòng)PVDF膜。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括將表示所述聲信號(hào)的所述電信號(hào)發(fā)射到能夠接收和/或發(fā)射信號(hào)的通信設(shè)備。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括記錄表示所述聲信號(hào)的所述電信號(hào)。
25.如權(quán)利要求15所述的方法，其中致動(dòng)壓電膜包括致動(dòng)被固定到所述圍繞物中的框架的所述壓電膜。
26.—種雙向通信的口腔內(nèi)器具,其包括被配置用于可拆卸地附接到實(shí)施對(duì)象口中的一顆或多顆牙齒的器具外殼；被所述外殼支撐的麥克風(fēng)，其中所述麥克風(fēng)具有接觸表面，當(dāng)所述外殼被附接到所述一顆或多顆牙齒時(shí)，所述接觸表面被放置為靠著所述口中的粘膜表面接觸，并且其中所述麥克風(fēng)具有與所述粘膜表面匹配的聲阻抗；以及，與所述粘膜表面振動(dòng)接觸的換能器，其中所述換能器被配置用來探測(cè)穿過所述粘膜表面的由使用者產(chǎn)生的聲音，并且所述器具被配置用來無線發(fā)射包含所述由使用者產(chǎn)生的聲音的信號(hào)。
27.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述器具外殼沿著所述一顆或多顆牙齒的第一表面放置，并且所述麥克風(fēng)沿著所述一顆或多顆牙齒的第二相對(duì)的表面放置。
28.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括由固定在所述外殼中的框架支撐的壓電膜，其中所述壓電膜與所述接觸表面振動(dòng)通信。
29.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述壓電膜包括PVDF膜。
30.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述麥克風(fēng)包括被放置在空氣腔后面并接近與所述接觸表面振動(dòng)通信的隔膜的駐極體麥克風(fēng)。
31.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述器具被配置用來向電話機(jī)或無線電設(shè)備無線地發(fā)射信號(hào)。
32.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述無線信號(hào)經(jīng)由低功率無線電通信協(xié)議發(fā)射。
33.如權(quán)利要求26所述的器具，其中所述無線信號(hào)在IO-1OOm的范圍內(nèi)發(fā)射。
34.如權(quán)利要求26所述的器具，其中由使用者產(chǎn)生的聲音包括由使用者產(chǎn)生的語音或生物物理聲音。
全文摘要
口腔內(nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)的裝置和方法被描述為位于口腔內(nèi)的、內(nèi)部的但非手術(shù)安裝的麥克風(fēng)?？谇粌?nèi)的組織傳導(dǎo)式麥克風(fēng)可附接、粘接或集成到可拆卸的牙齒器具，所述牙齒器具靠著頰、腭或齒齦的內(nèi)表面放置。傳感器用作不可察覺的聽力設(shè)備、身體聲音的監(jiān)測(cè)設(shè)備或通信設(shè)備的一部分，其可在大部分現(xiàn)有設(shè)備不適宜的環(huán)境中操作。通常情況下，作為傳感器的壓電膜與組織很好的匹配并直接將通過口腔粘膜、齒齦或腭接收的信號(hào)通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
文檔編號(hào)H04R1/08GK103026730SQ201180022497
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者蒂姆·普羅克斯, 雷薩·卡薩亞恩 申請(qǐng)人:索尼圖斯醫(yī)療公司