CN114554965B - 用于在内耳道检测生物信号并呈现音频信号的耳塞及其方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于从内耳道检测生物信号并在内耳道处呈现音频信号的耳塞及其方法。耳塞包括管嘴和壳体，该壳体包括主体。管嘴从壳体主体延伸，并具有近端，所述近端布置成用于定位在个人的内耳道内。耳塞的耳塞尖端附接到管嘴的近端，并且适于接合内耳道。耳塞包括扬声器和各种传感器，各种传感器包括次声/振动传感器。次声/振动传感器在耳道中检测来自个人身体的生物信号，该生物信号包括次声信号，并且扬声器经由管嘴将声音从音频源传输到耳道中。耳塞优选地密封内耳道以阻挡外部声音，同时也降低在检测之前放大生物信号的耳道的声学体积。

Description

用于在内耳道检测生物信号并呈现音频信号的耳塞及其方法

相关申请

本申请要求2019年8月15日提交的美国临时申请号62/887,553的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

本申请涉及：

于2019年2月13日提交的、题为“INFRASOUND BIOSENSOR SYSTEM AND METHOD(次声生物传感器系统和方法)”的美国申请号16/274,873，现为美国专利公开号2019/0247010A1；以及题为“INFRASOUND BIOSENSOR SYSTEM AND METHOD(次声生物传感器系统和方法)”的国际申请号PCT/US2019/017832，现为国际申请公开号WO2019/160939A2；

上述所有申请全部内容通过引用并入本文。

背景技术

历史上，头戴式耳机指戴在个人头部上或周围的一对小型扬声器。这对扬声器中的每个扬声器都被封闭在框架内，所述框架容纳扬声器，并具有抵靠着耳朵外侧放置的软垫。所述扬声器播放从连接到头戴式耳机的音频源传输的可听声音。

现代版本的头戴式耳机包括入耳式耳机和耳塞。这些设备具有包括扬声器的更小的框架或壳体。这两种设备都放置在个人的耳道处，而耳塞也部分地插入耳道中。

音频源是一种计算设备，其向耳塞发送表现可听声音的音频信号。耳塞中的扬声器将音频信号转换为与音频信号相对应的声波。该声波包括可听声音。

计算设备包括至少一个或多个中央处理器(CPU)和存储器。CPU具有内部逻辑电路，所述内部逻辑电路执行算术运算，并执行加载到存储器中的应用程序的机器代码指令(“应用程序代码”)。这些指令控制输入和输出设备(I/O)(诸如显示器、打印机和网络接口)，并与其通信。

计算设备的CPU通常配置为微处理器或者微控制器。微处理器通常仅包括物理制造封装或“芯片”中的CPU。计算机设计师必须将CPU连接到外部存储器和I/O，以使微处理器运行。相反，微控制器将存储器和I/O集成在容纳CPU的同一芯片内。

微控制器和微处理器的CPU执行扩展计算设备的能力的应用程序代码。在微控制器中，应用程序代码通常在启动前预加载到存储器中，并在运行期间不能更改或替换。相反，微处理器的CPU通常配置成与操作系统一起工作，所述操作系统能够使不同的应用程序在运行时在不同的时间执行。

操作系统能够使不同应用程序的应用程序代码在运行时被加载和被执行。具体地，操作系统可以将不同应用程序的应用程序代码加载在存储器内以供CPU执行，并安排CPU执行应用程序代码的时间。此外，操作系统向应用程序提供一组CPU编程接口，称为应用程序编程接口(API)。API允许应用程序访问CPU的功能，同时也保护CPU。因此，操作系统被称为在“CPU之上”执行。

发明内容

生物信号是在生物(诸如个人)中可以检测、观察和/或测量的信号。举例来说，来自个人的生物信号的示例包括声学信号、压力信号、热信号和电信号。声学信号是通过呼吸和个人身体内的物理/机械操作产生的。例如，这些操作包括整个心血管系统的血液流动、以及血管和心脏内瓣膜的打开和关闭。这些声学信号可以是在次声范围(次声信号)内或在音频范围(音频信号)内，或者是在两者内。压力信号由身体内的压力或张力产生。热信号是响应于身体内的物理和生化过程产生的。电信号与在特定组织、器官或细胞系统(诸如神经系统)中的电流随时间的变化有关。

用于监测个人生理功能的现有医疗诊断系统存在不同程度的不便和不适。通常，此类系统要求个人至少亲自前往临床机构/医生办公室。一些诊断系统是非侵入性的，但需要附接和放置多个电极，或者在个人皮肤上放置其他传感设备。这需要大量时间，并需要经过培训的技术人员或医疗专业人员以进行正确设置，这增加了复杂性和成本。其他监测和诊断过程(诸如Swan-Ganz肺动脉插管)具有侵入性，并具有对健康造成不良影响的风险，诸如血管或心脏穿孔、出血、感染，并且在某些罕见情况下甚至死亡。

来自个人身体的次声生物信号可以在人耳内传输。然而，这种在耳朵的不同部位内传输的细节是复杂的。这是因为振动是由人体内的不同系统产生的，并且可以通过骨骼、脂肪、肌肉、皮肤等传输，然后进入耳朵中。在耳朵处，这些振动可以变成以声学信号和次声信号的形式在空气中传输。特别的是，次声信号经由内耳道以低振幅从个人身体传输出去。这些次声信号携带与身体生理过程(包括心血管活动)相关的信息。

有利的是提供一种耳塞，所述耳塞可以将来自音频源的音频播放到内耳道中，并且还可以经由内耳道被动地检测来自个人身体的生物信号，该生物信号包括次声信号。提出的耳塞可以形成健康监测系统的一部分，所述健康监测系统可以监测个人身体内的生理活动(包括心血管活动)。然后，监测系统可以分析检测到的生物信号，以评估个人的健康状况。

与现有的医疗诊断系统不同，监测系统不要求个人参加临床活动。监测系统很容易融入个人的生活方式中，并且不需要额外的设备(诸如皮肤贴片)来收集生物信号。提出的耳塞还可以经由其音频播放能力响应于监测而向个人提供反馈，并像现有耳塞一样播放音乐和其他可听声音。

总的来说，根据一个方面，本发明的特征是耳塞，所述耳塞包括：管嘴、包括主体的壳体和耳塞尖端。管嘴从壳体主体延伸，并具有近端，所述近端布置成用于定位在个人的内耳道内。耳塞尖端附接到管嘴的近端，并且适于接合内耳道。耳塞尖端在接合时将管嘴悬挂在内耳道内。耳塞还包括扬声器和次声/振动传感器。次声/振动传感器在内耳道中检测来自个人身体的生物信号，该生物信号包括次声信号。扬声器再现来自音频源的声音，并经由管嘴将声音传输到内耳道中。

优选地，当耳塞尖端接合时，耳塞尖端的一个面与内耳道的壁形成声学密封。这在声学上将内耳道与个人身体外部的声音隔离。耳塞还可能包括位于管嘴内的压力传感器，耳塞使用所述压力传感器监测声学密封。替代地，耳塞可以使用次声/振动传感器监测声学密封。声学密封增加了内耳道内的身体产生的压力，从而增加了内耳道中的生物信号的振幅。

通常，次声/振动传感器包括在管嘴中，在管嘴的近端附近。

在一个实施方式中，管嘴包括位于次声/振动传感器的顶表面与管嘴的内壁之间的端口。以此方式，从扬声器传输的声音通过管嘴传播，并经由端口进入内耳道中。端口具有声阻抗，所述声阻抗有效地防止生物信号进入管嘴。在此，扬声器是声学兼容扬声器，声学兼容扬声器的有效声学体积(acoustic volume)等于或大于内耳道的声学体积。

压力传感器可以监测声学密封或提供静压，作为由次声/振动传感器检测到的生物信号的基线。替代地，可以使用声学/振动传感器监测声学密封。在这个示例中，密封的水平与次声信号的振幅有关，并且可以从次声信号的振幅来推断。

扬声器通常包括在壳体主体中，并与壳体主体的内壁形成声学密封，以防止空气和生物信号进入壳体主体。

在另一个实施方式中，扬声器包括：密封的背部分，其防止空气从壳体主体流入扬声器中。在此，扬声器是声学刚性扬声器，声学刚性扬声器的有效声学体积是内耳道的声学体积的量级或小于内耳道的声学体积。

在另一个实施方式中，壳体主体包括：位于扬声器的顶表面与壳体主体的内壁之间的受控端口，受控端口使空气能够在壳体主体与管嘴之间流动。壳体主体还可以包括放置在受控端口前面或之内的受控开口滤波器，并且滤波器配置成提供阻抗，该阻抗防止生物信号经由受控端口进入壳体主体。

在另一个实施方式中，壳体主体包括位于壳体主体的远端处的远端端口。远端端口使外部空气能够流入和流出壳体主体。壳体主体还可以包括远端滤波器，所述远端滤波器附接到壳体主体的内壁并放置在远端端口之上或之内。远端滤波器配置成提供调谐传输的音频信号的声阻抗。

总的来说，根据另一个方面，本发明的特征是一种操作耳塞的方法。所述方法响应于耳塞尖端至内耳道的壁内的插入，检查耳塞的耳塞尖端与个人的内耳道的壁之间的声学密封。所述方法还经由包括在耳塞内的次声/振动传感器检测来自个人身体的生物信号，所述生物信号包括次声信号，在耳塞中，生物信号在内耳道中被检测到。所述方法还经由包括在耳塞内的扬声器将声音从音频源传输到内耳道中。

在一个实施方式中，耳塞经由包括在耳塞内的压力传感器检查声学密封。为此，压力传感器感测内耳道中的压力，并且耳塞确定压力是否等于或大于阈值。替代地，次声/振动传感器可以检查声学密封。次声/振动传感器检测生物信号的次声信号，并且耳塞确定次声信号的振幅是否等于或大于阈值。声学密封增加了内耳道内的身体产生的声学压力，从而增加了内耳道中的生物信号的振幅。

本发明的以上和其他特征(包括部件的构造和组合的各种新颖细节)以及其他优点现在将参考附图更详细地描述，并在权利要求书中指出。应当理解，通过图示而不是作为本发明的限制来示出体现本发明的特定方法和装置。在不脱离本发明的范围的情况下，本发明的原理和特征可以用于各种各样的实施例中。

附图说明

在附图中，附图标记在不同视图中指代相同部分。图纸不一定按比例绘制；相反，重点放在说明本发明的原理上。在附图中：

图1是健康检测和分析系统(“健康监测系统”)的示意图，包括个人佩戴的耳内生物传感器系统，其中耳内生物传感器系统包括根据本发明原理构造的至少一个耳塞；

图2A是图1的耳内生物传感器系统中的示例性耳塞的示意图；

图2B是个人耳朵的横截面解剖图，其中示出了放置在耳朵的内耳道内的耳塞；

图3A至图3D是根据一个实施例的耳塞的剖视图，如在个人耳朵的横截面解剖图中所示，并且其中：图3A示出了耳塞的主要组件以及耳塞相对于个人的内耳道的定位；图3B示出了响应于耳塞的操作而在内耳道内和耳塞内产生的声学体积，并且还图示了由生物信号和声学体积形成的机械声学系统；并且图3C和图3D图示了先前附图中未示出的耳塞的附加操作细节；

图4是图3B的机械声学系统的等效电路，其中该电路使用对偶原理对机械声学系统的行为和机械声学系统内的组件进行建模；

图5A和图5B是根据另一个实施例的耳塞的剖视图，如在个人耳朵的横截面解剖图中所示，并且其中：图5A示出了耳塞的主要组件以及耳塞相对于个人的内耳道的定位；并且图5B示出了响应于耳塞的操作在内耳道内和耳塞内产生的声学体积，其中该附图还图示了由生物信号和声学体积形成的机械声学系统；

图6是图5B的机械声学系统的等效电路；

图7是根据又一个实施例的耳塞的剖视图，如在个人耳朵的横截面解剖图中所示，以及

图8是描述上述实施例中的操作耳塞的方法的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的说明性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个所列举的关联项的任意和全部组合。另外，除非另有明确说明，否则单数形式和冠词“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括、包含、包括有和/或包含有”是指明存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。另外，应理解的是，当一个元件(包括组件或子系统)被称为和/或示为连接或耦合到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在插入元件。

应理解的是，虽然术语诸如“第一、第二”可以在本文用来描述各个元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下面讨论的元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的教导。

除非另外定义，本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的技术人员的通常理解相同的意义。应进一步理解的是，除非本文中明确定义，术语(诸如常用的字典中定义的那些术语)应该解释为具有与它们在相关技术领域的上下文中的意义相一致的意义，并且不应以理想化的或过于正式的感觉来解释。

图1示出了示例性健康检测和分析系统(“健康监测系统”)10。健康监测系统10包括个人100佩戴的耳内生物传感器系统102和数据分析系统209。

健康监测系统10还包括：由个人100携带的用户设备107、位于网络云108中的应用服务器132以及连接到网络云108的各种数据库。数据库包括病历数据库90和用户数据库80。病历数据库90包括个人100的病历50，并且用户数据库80包括个人100的用户帐户60。用户帐户60与系统10确定为系统10的授权用户的个人100相关联。

耳内生物传感器系统102包括至少一个耳塞103和控制器板105，所述至少一个耳塞放置在个人100的内耳道处。优选地，如所示的，生物传感器系统102包括左耳塞103L和右耳塞103R，每个耳塞经由单独的耳塞连接件106连接到控制器板105。替代地，耳塞连接件106可以是无线连接。在实施方式中，控制器板105可以集成在耳塞103中的一个内，或者跨耳塞103L、103R集成。

控制器板105包括非易失性存储器、电池、控制器(诸如微处理器或微控制器)和网络接口。电池为控制器、存储器和网络接口提供电源。在一个实施方式中，电池还可以为耳塞103提供电源。

控制器板105能够经由网络接口和耳塞连接件106在耳塞103L、103R之间通信。在一个实施方式中，网络接口可以包括无线收发器，所述无线收发器与包括在一个或多个耳塞103内的无线收发器通信。在这个实施方式中，用在控制器板105与耳塞103之间建立的无线链路代替物理耳塞连接件106。

用户设备107是计算设备，其包括显示器88和至少一个交互应用程序或用户应用程序40。在示例中，用户设备107可以是移动电话、智能手表或笔记本电脑。用户应用程序40在用户设备107的中央处理单元(CPU)上执行，接收由系统10中的其他组件发送的信息，并在显示器88上呈现图形用户界面(GUI)。GUI允许个人100为用户应用程序40输入信息，并且可以在显示器88上显示各种信息。

还示出了医疗专业人员110。在示例中，医疗专业人员110包括医生、护士/执业护士、医师助理和医疗技术人员。

应用服务器132是计算设备，其将生物传感器系统102和用户设备107连接到数据库80、90、医疗专业人员110和数据分析系统209。应用服务器132包括在应用服务器132上执行的安全网站软件(或安全专有应用程序)。

医疗专业人员110、用户数据库80、用户设备107和病历数据库90可以以各种方式连接到网络云108和云108内的组件。在示例中，这些连接可以是基于有线互联网的或电话连接、无线蜂窝连接和/或基于无线互联网的连接(例如Wi-Fi)。在示例中，网络云108是公共网络，诸如互联网，或专用网络。

次声

在示例中，通过呼吸、心跳、咳嗽、肌肉运动、吞咽、咀嚼、身体运动、打喷嚏和血液流动在身体内部产生生物信号，诸如声学信号。声学信号也可以由外部源产生，诸如空调系统、车辆内饰、各种工业过程等。声学信号包括可听信号和次声信号。

声学信号代表叠加在个人身体的正常环境压力上的波动压力变化，并且可以通过其频谱频率分量来定义。频率范围从20Hz至20kHz的声音代表人类通常听到的声音，并被指定为落在可听范围内。频率低于可听范围(即从0Hz至20Hz)的声音被称为亚声或次声。声级通常是根据它所代表的压力变化的振幅来定义的。这些变化可以测量，并且可以取决于声音的频率。

健康监测系统10通常操作如下。佩戴耳内生物传感器系统102的个人100通常通过访问用户设备107的用户应用程序40来启动登录程序。个人100在用户应用程序40中输入他/她的凭证，用户应用程序40进而将用于认证的凭证发送到应用服务器132。应用服务器132处的安全网站软件将输入的凭证与储存在系统10的授权用户的用户帐户60内的凭证进行比较。在发现匹配时，应用服务器132为作为系统10的授权用户的个人在用户应用程序40与应用服务器132之间通过无线连接66-2建立经认证的安全登录会话。一旦个人100被认证，用户应用程序40在用户设备107与控制器板105之间建立安全无线连接66-1。然后，用户应用程序40通过无线连接66-1向控制器板105发送各种命令。

耳塞103L、103R连续检测并收集来自个人100的身体的生物信号101。在示例中，当耳内生物传感器系统102接通时，或在个人100或健康监测系统10指定的时间，耳塞103连续操作。耳塞103将生物信号101转换为携带个人生理数据的对应电信号，并将电信号发送到控制器板105。在此，生物信号101的电子版本通常是“原始”格式：它们是未压缩的，并且可以包括一些噪声和/或运动伪影。然后，控制器板105缓冲生物信号101的电气表示，以便随后安全地传输到用于分析的数据分析系统209。

耳内生物传感器系统102可以经由其控制器板105通过可能不同的通信路径而将生物信号101的电气表示发送到数据分析系统209。这些路径在附图中标记为路径A和B。为了方便起见，耳内生物传感器系统102通过路径A、B发送的生物信号101的电子版本在下面的剩余描述中被简单地称为生物信号。

当使用路径B时，控制器板105通过链路66-1将生物信号的原始版本101R发送到用户设备107。然后，用户应用程序40将信号101R压缩成信号的压缩版本101C，用以通过链路66-2传输到应用服务器132。然后，应用服务器132将压缩的生物信号101C解压缩，并将信号转发到数据分析系统209。

当使用路径A时，控制器板105可以通过链路66-3将原始生物信号101R发送到应用服务器132，而无需在传输之前压缩信号。在示例中，这是因为链路66-3通常是高速链路，诸如5G蜂窝无线链路或100MB WiFi链路。在此，在将信号转发到用于分析的数据分析系统209之前，应用服务器132可以对原始生物信号101R执行各种操作。在示例中，这些操作包括信号的过滤和表征、认证和/或缓冲。

然后，数据分析系统209分析生物信号101，以确定个人100的各种生理/健康状况。为此，分析系统209识别和/或提取信号101内携带的生理数据，并基于生理数据确定个人100的各种生理状况。然后，分析系统209可以响应于分析而更新个人100的病历50，将可能影响个人100健康的可能状况通知给个人100，并且还可以将这些状况通知医疗专业人员110。为此，数据分析系统209可以发送通知消息111，所述通知消息包括对病历50的更新、发送给医疗专业人员110的信息、以及可能发送给个人100的信息。

图2A示出了示例性耳塞103的主要组件。这些组件包括壳体204、管嘴214和壳体204的主体217(壳体主体217)、耳塞连接件106和耳塞尖端205。在图示的示例中，管嘴214的大部分以虚线示出。

壳体204具有远端376，并且管嘴具有近端377。管嘴214或者附接到或者形成在壳体主体217的一侧，使得管嘴377的近端与壳体204/壳体主体217的远端376相对。因此，管嘴214从壳体主体217向外延伸。通常，管嘴214为圆柱形，并且壳体主体为球形。然而，管嘴214和壳体主体217的其他形状也是可能的。

耳塞尖端205在管嘴214的近端377处附接到管嘴214。耳塞尖端205具有开口201和面299，所述面配置成用于放置在个人100的内耳道中。

管嘴214、壳体主体217和耳塞尖端205可以以不同的方式构造或布置。在一个实施方式中，管嘴214、壳体204/壳体主体217和耳塞尖端205是单独的组件。耳塞尖端205附接到管嘴214的近端377，并且管嘴214的与其近端377相对的端部附接到壳体204/壳体主体217。

在另一个实施方式中，如图所示，管嘴214和壳体主体217由一个整体材料形成，以形成壳体204，并且单独的耳塞尖端205附接到管嘴214的近端377。在示例中，壳体204的材料可以是塑料、金属、橡胶、碳基材料或这些材料的一些组合。

在又一个实施方式中，管嘴214和耳塞尖端205组合成/形成为单个部件或组件，然后附接到单独的壳体主体217。在此，组合管嘴214和耳塞尖端205可以由相同的材料形成，所述材料诸如声学兼容泡沫、塑料、金属、橡胶、碳基材料或这些材料的一些组合。然后，与管嘴214的近端相对的组合组件的一侧附接到壳体主体217。

在图示示例中，耳塞103经由耳塞连接件106连接到控制器板105(未示出)。耳塞连接件106是包括多个电线的电缆，其将控制器板105连接到耳塞103的各个组件。其中一些电线能够进行通信，诸如耳塞103与控制器板105之间的控制和数据信号的传输。其他电线为耳塞供电。在一个实施方式中，壳体主体217附加地包括本地电池，所述电池为耳塞103提供本地电源。

在另一个实施方式中，耳塞连接件106是无线连接。在这个示例中，耳塞103各自包括本地电池和无线收发器，该无线收发器与控制器板105的无线收发器通信。电池为每个耳塞内的组件(包括无线收发器)提供电源。然后，收发器通过无线链路将数据和控制信号与控制器板105的无线收发器通信。

在又一个实施方式中，控制器板105集成在一个或两个耳塞中。以此方式，耳塞103形成耳内生物传感器系统102的全无线版本。

图2B是将耳塞103放置在人耳200内的非限制性示例。耳朵200具有外部部分222以及中间和内部部分，后两部分由附图标记224表示。外部部分222的主要组件包括耳廓213、内耳道211和鼓膜210。

在附图中示出了示例性耳塞103。耳塞尖端205定位在内耳道211处/内，以使耳塞103能够检测来自个人100的生物信号101。

作为背景，人体产生机械振动和/或声波，这些振动和/或声波通过人体中的不同介质(诸如血管、骨骼、肌肉、组织和软骨)传播。人体产生的这种振动可以通过附接在身体不同部位处的不同变换器和/或振动传感器来感知，例如，在地震心动图(seismocardiography)和球示心动图(ballistocardiography)中。耳塞103经由包括在左耳塞103L和右耳塞103R内的一个或多个传感器来检测这些机械振动和/或声波。

由于耳塞103的耳塞尖端205将开口密封到内耳道211，耳道内的压力可以积聚/增加，并且身体振动可能被困在内耳道211内，并且也可能被困在耳塞103内。这种压力的增加可以放大振动，尤其是上述低频次声振动。这种关系可以用以下等式来表征：

P＝Va*Za,其中

P＝耳道内的声学压力，单位为帕斯卡(Pascals)

Va＝耳道中空气的声学体积速度，单位为立方米/秒(m³/sec)，以及

Za＝从耳道向外看向自由空间的声阻抗(帕*秒/立方米(Pa*sec/m³))。

作为示例，与个人心血管系统相关的人体振动可以在0-25Hz的频率范围内产生，大部分信号在0-5Hz的范围内。在大约20摄氏度的空气中，这种振动具有从13m到3.3km变化的波长。

由于这些波长比任何耳朵尺寸都长得多，可以说这些是相对较低的频率。在低频时，从开放的耳道向外看的声阻抗可以忽略不计，但当耳道被阻塞和密封时，声阻抗变得成比例：

其中

Z_cavity＝密封空腔的声阻抗

ρ＝空气密度(1.21kg/m³)

C＝空气中的声速(342m/sec)，以及

Volume＝空腔的体积，单位为m³。

当内耳道体积随着闭塞和密封的增加而减少时，耳道空腔的阻抗Za增加。因此，对于由身体引起的给定体积速度Va，压力将相对于内耳道增加。

作为附加的非限制性示例，理想气体定律的一种形式表明：

P₁*V₁＝P₂*V₂,其中

P1＝未封闭耳道内的身体产生的初始声学压力，单位为Pa

V1＝未封闭耳道的初始体积，单位为m³

P2＝封闭耳道内的声学压力，单位为Pa

V2＝未封闭耳道的体积，单位为m³

未封闭内耳道211的体积相当大。当从内耳道211看向耳廓213并向外看向自由空间时，这个体积接近无穷大。相反，封闭耳道的体积大约为2cc。从VI到V2的巨大减少导致了从PI到P2的相应的大幅增加。注意，从200cc减少到2cc将使压力增加40dB。

图3A示出了图1的健康监测系统10中的耳塞103的优选实施例。在图示示例中，耳塞103定位在个人耳朵的外部部分222处/内。以横截面示出耳塞103和耳朵的外部部分222，以示出耳塞103的组件/耳塞103内的组件，并能够描述关于外耳部分222的组件。为了改进耳塞103的图示和描述，未示出外耳部分222的耳廓213。

耳塞103包括壳体主体217和/或管嘴214内的各种组件。这些组件包括：扬声器208、印刷电路板207、诸如次声/振动传感器206的声学传感器、以及其他传感器，所述其它传感器包括压力传感器、运动传感器以及甚至可能的温度传感器。运动传感器可能是加速度计、陀螺仪或这些设备的组合。在附图中未示出压力传感器、温度传感器和运动传感器。

耳塞尖端205具有面299，该面299设计成接合内耳道211。这允许耳塞103留在个人耳朵中。为此，个人100将耳塞尖端205放置在个人耳朵内，使得面299插入内耳道211的壁212处/内。

耳塞尖端205还在耳塞尖端205的面299与内耳道211的壁212之间形成气密密封354。为了提供这种密封354，尖端205的形状通常是球形的，并且由柔韧材料形成，使得尖端205能够紧贴在内耳道211中。在示例中，该材料可以是硅树脂、泡沫(诸如记忆或声学泡沫)或橡胶。

密封354具有以下优点。首先，它防止空气进入耳道211，并可以显著减弱可能干扰生物信号101的外部声音。密封354还可以使内耳道内的压力积聚/增加。这种压力的增加在内耳道211内形成声学体积，可以显著放大/增加内耳道211内的生物信号101的振幅。同时，这种压力的增加对个人100也是无害的。

耳塞尖端205的材料还影响密封354和耳塞103检测生物信号101的能力。在耳塞103的操作期间，内耳道内的生物信号101撞击耳塞尖端205，导致尖端振动。如果形成耳塞尖端205的材料在声学上太柔顺，则耳塞尖端205可能振动到足以导致密封354的水平降低。这降低了内耳道中的压力/降低其声学体积，并因此降低内耳道211中可以检测到的生物信号101的振幅。因此，通常为耳塞尖端205选择更硬/声学上更刚性的材料，以最小化耳塞尖端205的振动，并因此最大化密封354，限制内耳道211的声学体积，并且最大化生物信号101的振幅。

耳塞尖端205附接到管嘴214。尖端205通常使用诸如压配合或摩擦配合的配合附接到管嘴214。当耳塞尖端205与耳道211/耳道211的壁212接合时，这种附接能够使管嘴214悬浮在内耳道211内。

扬声器208具有背部分219和膜片356。背部分219可以安装到印刷电路板207，并且膜片356向外朝向管嘴214。经由附图标记350表示，扬声器208也密封在壳体主体217内。背部分219还具有开口，所述开口通向壳体主体217。

印刷电路板207包括在壳体主体217内。印刷电路板207紧固到壳体主体217的内表面399，并且能够使扬声器208刚性附接到印刷电路板207。由于扬声器208安装到板207，膜片356也从前到后被密封。

耳塞103还可以包括安装到印刷电路板207的本地微控制器和电池。微控制器具有本地存储器，并由电池供电。微控制器可以从压力传感器和次声/振动传感器206接收信息，并在经由耳塞连接件106发送信息之前预处理这个信息。例如，微控制器可以基于压力传感器和/或次声/振动传感器206检测到并发送的信息来评估声学密封354的泄漏水平。在一个实施方式中，使用编程到专用集成电路(ASIC)组件或芯片中的自定义逻辑来实现微控制器。

在又一个示例中，控制器板105包括在一个或多个耳塞103中。在此，控制器板105是印刷电路板207。

还示出了控制器板105(附图中未示出)与耳塞103之间的连接。耳塞连接件106的扬声器电线352和传感器电线353连接到扬声器208和传感器，诸如图示的次声/振动传感器206。电缆密封件355也形成在壳体主体217与耳塞连接件106之间，以排除空气和外部声音349进入壳体204的可能性。

管嘴214通常包括次声/振动传感器206和压力传感器(未示出)。次声/振动传感器206优选地位于管嘴214的近端377处，并且附接到管嘴214的内壁301。次声/振动传感器206面向内耳道211，并且在管嘴214的近端377处或附近基本封闭管嘴214。

压力传感器可以监测声学密封354或提供静压，作为由次声/振动传感器206检测到的生物信号101的基线。替代地，可以使用次声/振动传感器206监测声学密封354。在这个示例中，密封354的水平与生物信号101的次声信号的振幅有关，并且可以从生物信号101的次声信号的振幅来推断。

管嘴214还包括在管嘴214的近端377处的开口或端口216。在图示示例中，端口216是位于次声/振动传感器206的顶表面302与管嘴214的内壁301之间的在管嘴214内的间隙。

在另一个实施方式中，端口216是插入管嘴214的以其他方式密封的近端377中的管。在此，密封的端部由次声/振动传感器206和(填充位于传感器206的顶表面302与管嘴214的内壁301之间的在管嘴214内的间隙的)材料形成。

耳塞103通常操作如下。来自个人100的身体的包括次声信号的生物信号101经由壁212离开个人100的身体，并进入内耳道211。密封354能够使内耳道211中的压力增加，并因此降低内耳道211的声学体积。这进而增加了声学体积中的生物信号101的振幅。以此方式，在耳塞103在内耳道211中检测到生物信号101之前，生物信号的振幅显著增加。

然后，生物信号101进入耳塞尖端205的开口201，并撞击在次声/振动传感器206的检测面283上。次声/振动传感器206检测生物信号101，并经由耳塞连接件106向控制器板105发送信号的电子表示。控制器板105缓冲信号，并通过一个或多个无线链路66将信号101发送到用于分析和报告的数据分析系统209。

同时，扬声器208经由扬声器电线352从音频源接收音频信号。扬声器208经由扬声器的膜片356将信号转换成声波。附图标记359表示了在此过程中膜片356的振动。扬声器208将声音传输到管嘴214中，并在内耳道211的方向上传输。传输的声音经由管嘴端口216离开管嘴214，并通过耳塞尖端开口201离开耳塞103，并进入内耳道211。然后，鼓膜210响应于传输的声波而振动。

图3B提供了图3A中的耳塞103的实施例的更多细节。

扬声器的密封件350具有多个目的。它防止由膜片356的后向表面产生的声波与由膜片356的前向表面处产生的声波相互作用。密封件350还防止可能进入管嘴214的任何生物信号101进一步行进到管嘴214中并进入壳体主体217。

还示出了扬声器208的背部分219中的开口357。开口357能够使气流在膜片356的背面与壳体主体217之间流动。由开口357提供的气流允许膜片356比具有封闭背部分219的扬声器振动更多。因此，扬声器208可以被认为是声学兼容的扬声器。

由附图标记364表示图3A中描述的内耳道211的声学体积。然而，这不是耳塞103设计者必须考虑的唯一声学体积。此外，耳塞103本身具有在耳塞103的操作期间形成的与耳塞103的组件相关联的总声学体积。

耳塞103的声学体积是耳塞103内的组件的单个有效声学体积和在壳体204和/或管嘴214内的、声音可以通过其传播的空间/空腔中形成的声学体积的总和。这些声学体积包括扬声器208的有效声学体积381、壳体间声学体积380和小的、上部声学体积379。

从阻抗的角度来看，这些声学体积是并联-串联组合的，由此产生的等效声学体积与以下各项的和成比例：(耳道声学体积364+扬声器有效声学体积381+壳体间声学体积380+上部声学体积379)。扬声器有效声学体积381说明了扬声器208在其在壳体主体217中的安装位置处的操作所产生的声学体积。壳体间声学体积380形成在膜片356与次声/振动传感器206之间的空间中。将内耳道体积364连接到扬声器和壳体间声学体积380的上部声学体积379形成在位于传感器206的顶表面302与管嘴214的(顶部)内壁301之间的间隙中。

设计师必须设计耳塞及其组件，使得耳塞103的声学体积不显著增加耳道声学体积364。这是因为内耳道211中的生物信号101的振幅通常随着内耳声学体积364减小而增加。通常，声学兼容扬声器208被设计为使得其有效声学体积381等于或大于内耳道声学体积364。通常，个人平均内耳道的声学体积是大约2立方厘米(2cc)。

该图还图示了由生物信号101和声学体积364、379、380和381形成的机械声学系统。在一个示例中，使用对偶原理，设计师可以通过创建等效电路来对机械声学系统的行为进行建模。

图3C图示了图3A和图3B所示的耳塞103的更多方面。在此，该图示出了耳塞103如何可以有效地防止生物信号101的次声信号经由端口216进入管嘴214。该次声信号包括：次声信号的原始或“高振幅”版本362、以及次声信号的衰减版本363。该图还示出了图3B中首先引入的开口357的更多细节。

次声/振动传感器206检测撞击在次声/振动传感器206的检测面283上的次声信号的高振幅版本362。然后，次声/振动传感器206经由耳塞连接件106将次声信号的电气表示362发送到控制器板105。

耳塞103有效防止生物信号101的次声信号进入管嘴214的能力经由端口216的声阻抗361实现。声阻抗361足够高，使得原本高振幅362次声信号在端口216处显著衰减。该图中次声信号的衰减版本363说明了这一点。

没有端口216提供的声阻抗361，一些高振幅362次声信号可能经由端口216进入管嘴214。这本质上是声学泄漏；次声信号只是消散到明显更大的体积中，使得其振幅减小。

相反，端口216仅允许一些衰减版本363的次声信号进入管嘴214。实验已表明，进入管嘴214的信号的相对较少的衰减版本363结合其较小的振幅，对扬声器208传输的声波的影响可以忽略不计。

还更详细地示出了扬声器208的背部分219中的开口357。开口357允许气流358流入和流出扬声器208的背部分219。

图3D更详细地图示了图3A至图3C所示的耳塞103的一些方面。在图示示例中，示出了扬声器208传输的音频信号277，并且附图标记382表示了信号277从扬声器208传输到内耳道211中的方向。

更详细地，膜片356的振动359导致音频信号277在膜片356外部的空间中传输。在示例中，所述空间是壳体主体217与管嘴214之间的空腔。然后，音频信号277在朝向管嘴214的近端377的传输方向382上传播。

在管嘴214的近端377处，端口216允许信号277离开管嘴214。为此，端口的声阻抗361被设计/“调谐”成以最小修改将声学信号277从端口216传出。然后，信号277可以通过耳塞开口201并进入内耳道211中。

随着扬声器208的顺应性增加，端口216的阻抗361必须相对较高，以保持声学密封354的效果。参考图3B，上部声学体积379、壳体间声学体积380和扬声器有效声学体积381必须保持等于或大于耳道阻抗的组合阻抗。然而，端口216的长度必须足够短，使得传输的声音277的高音不被端口216的声学质量引起的低通滤波器切断。因此，端口216必须具有尽可能短的长度和最大的开放区域(二者都是为了使声学质量最低)，并且开放区域通常必须用声阻材料覆盖或填充。

图4是图3B中描述的耳塞103的机械声学系统的等效电路402。电路402使用对偶原理对机械声学系统的行为和机械声学系统内的组件进行建模。

电路402包括各种电路组件，所述电路组件“映射”到图3B中的对应组件和声学体积。这些电路组件包括：交流电压源404、扬声器208、电容器Cl和C2、电阻器R1和电感器L1以及生物信号源101S。还示出了由附图标记A1和A2表示的两个并联电路支路以及位于支路A1与A2之间的串联部分。

耳塞103的机械声学系统如下映射到电路402。来自音频源277的电压被建模为交流电压源404。电压的方向由VAC表示。扬声器208产生的压力及其方向由附图标记P_audible表示。扬声器的有效声学体积包含在扬声器模块208中。生物信号101添加到耳道364的压力由附图标记P_biosignal表示。这个压力由生理生物信号源101S产生。

上部声学体积379被建模为电路402的串联电路部分，由附图标记“379_equiv”表示。在此，串联电路部分包括电阻器R1和电感器L1。壳体间声学体积380被建模为并联支路A1，并由附图标记“380_equiv”表示。电路支路A1包括电容器C1。在类似情况下，耳道声学体积364被建模为并联支路A2，并由附图标记“364_equiv”表示。电路支路A2包括电容器C2。

图5A示出了另一个耳塞实施例，耳塞103A。耳塞103A包括与图3A至图3D所示的耳塞103基本类似的组件，并且以类似的方式操作。然而，存在差异。

如在图3A至图3D的耳塞103中的，耳塞103A抵靠着壁212的密封354允许压力在内耳道211中和次声/振动传感器周围产生。这放大了由次声传感器检测到的耳道211中的生物信号101。从扬声器传输的音频信号277也行进穿过管嘴214并进入内耳道211。

相反，耳塞103A包括：更刚性的扬声器208A，其带有封闭的背部分219A；以及不同的次声/振动传感器布置，其由附图标记206A表示。与图3A至图3D的耳塞103相比，次声/振动传感器206A的布置排除了存在端口216的可能性。

在图示示例中，扬声器208A是声学刚性扬声器，其形成刚性机电声学有效组件。刚度与柔度成反比(柔度＝1/刚度)。此外，空腔的刚度与空腔的体积成反比(刚度～1/体积)，因此柔度与等效体积成正比。对于诸如208A的扬声器，等效刚度包括机械-声学转换比(辐射面积或等效活塞面积)。扬声器208A的膜片356A的振动通常小于耳塞103的扬声器208的振动，由附图标记359A表示。扬声器208A也经由密封件350相对于壳体主体217密封。

次声/振动传感器206A反而布置成使得其检测面现在可能面向任何方向。在图示示例中，检测面283向上指向/平行于地面或地板的平面。在此，在传输的音频信号277同时向外行进穿过管嘴214并进入内耳道211时，生物信号101可以自由地进入管嘴214(不存在如耳塞103中的“端口”)。

图5B提供了图5A中的耳塞103A的实施例的更多细节。

如上所述，减少耳道声学体积384将增加由生物信号101引起的声学压力。相反，将体积增加到耳道声学体积384将降低生物信号101的声学压力。

在图示示例中，示出了扬声器208A的有效声学体积381A和内耳道声学体积364’。在此，内耳道声学体积364’由内耳道和管嘴214内的空腔的组合形成，所述空腔现在向内耳道211打开。这个空腔从耳塞开口201延伸并延伸到管嘴214中，直至扬声器208A的膜片356A。

耳塞103A必须设计成使得其整体声学体积与耳道体积相当，或小于耳道体积，使得生物信号声学压力的降低(由于扬声器208A的存在)将小于一定的容许量。在这个示例中，扬声器208A指的是声学子系统，所述声学子系统包括由扬声器体现的物理声音变换器组件、以及变换器周围可能存在的任何反向声学负载。这些反向声学负载可以包括：受限(滞留)在变换器后面的空气、变换器后面的滞留空气之间连接的任何端口、以及变换器前面的任何空气。

因此，扬声器208A必须具有有效声学体积381A，其是内耳道声学体积364’的量级或小于内耳道声学体积364’。换句话说，刚性扬声器208A是声学子系统的一部分，所述声学子系统包括扬声器208A和扬声器208A周围可能存在的任何反向声学负载。这个声学子系统具有小于内耳道声学体积364’的有效声学体积381A。更准确地，扬声器208A的刚度必须等于或大于内耳道211的刚度。

图6是图5B中描述的耳塞103A的机械声学系统的等效电路602。电路602使用对偶原理对机械声学系统的行为和机械声学系统内的组件进行建模。

电路602包括各种电路组件，所述电路组件“映射”到图5B中的对应组件和声学体积。这些电路组件包括交流电源404、扬声器208A、电容器C3和生物信号源101S。还示出了由附图标记A3表示的一个并联电路支路。

耳塞103的机械声学系统如下映射到电路602。来自音频源的电压被建模为交流电压源404。电压的方向由VAC表示。扬声器208A产生的音频信号的声学压力及其方向由附图标记P_audible表示。扬声器有效声学体积381A包含在扬声器模块208A内。生物信号的生理源被建模为101S，并且生物信号101添加到内耳道体积364'的压力被表示为P_biosignal。

内耳道声学体积364’被建模为并联支路A3，并由附图标记“364’_equiv”表示。电路支路A3包括电容器C3。

图7示出了耳塞的又一个实施例，耳塞103B。

耳塞包括：在远端376处的在壳体主体217中的远端开口/端口384、远端滤波器385、在扬声器208A的顶部处的受控开口387以及受控开口滤波器388。

远端开口/端口384能够使外部气流386流入壳体主体217中。远端滤波器385放置在远端开口384上方，并且可以附接到壳体主体的内壁399，或者包括在远端开口384内。远端滤波器385和远端端口/开口384可以用于调谐传输的音频信号277。

受控开口387位于扬声器208A的顶表面与壳体主体217的内壁399之间。受控开口387允许壳体主体217与管嘴214之间的气流389。受控开口滤波器388或者放置在扬声器208A的背部分219处的受控开口387的前面，或者包括在受控开口387内。与图3A至图3D的耳塞103中的端口216一样，受控开口滤波器388可以用于提供阻抗，以使可能经由受控开口387进入壳体主体217的生物信号101限制/衰减。

图8是描述操作耳塞103/103A/103B的方法的流程图。

在步骤802中，响应于耳塞尖端205至内耳道212的壁212内的插入，包括耳塞尖端205的耳塞检查耳塞尖端205与个人100的内耳道211的壁212之间的声学密封354。在一个实施方式中，压力传感器可以监测声学密封354或提供静压，作为由次声/振动传感器206检测到的生物信号的基线。然后，耳塞可以确定压力是否等于或大于阈值。

替代地，可以使用声学/振动传感器监测声学密封354。在这个示例中，密封354的水平与生物信号101的次声信号的振幅有关，并且可以从生物信号101的次声信号的振幅来推断。然后，耳塞可以确定次声信号的振幅是否等于或大于阈值。

根据步骤804，耳塞经由包括在耳塞内的次声/振动传感器来检测来自个人100的身体的生物信号101，该生物信号101包括次声信号。生物信号101在内耳道211中被检测到。

在步骤806中，耳塞还经由包括在耳塞内的扬声器将音频277从音频源传输到内耳道211。

尽管已经参考其优选实施例具体示出及描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可以在不脱离所附权利要求所涵盖的本发明的范围的情况下对其形式及细节进行各种改变。

Claims (18)

1.一种耳塞，其包括：

管嘴和包括主体的壳体，其中，所述管嘴从壳体主体延伸，并具有近端，所述近端布置成用于定位在个人的内耳道内；

耳塞尖端，所述耳塞尖端附接到所述管嘴的近端，适于接合所述内耳道，其中，所述耳塞尖端在接合时将所述管嘴悬挂在所述内耳道内；以及

扬声器和次声传感器，其中，所述次声传感器包括于所述管嘴内，使得当耳塞尖端接合于内耳道中时所述次声传感器位于内耳道内，所述次声传感器构造成在所述内耳道中检测来自个人身体的生物信号，所述生物信号包括次声信号，并且其中，所述扬声器从音频源再现声音，并经由所述管嘴将声音传输到所述内耳道中，

其中，所述管嘴包括位于所述次声传感器的顶表面与所述管嘴的内壁之间的端口，其中，从所述扬声器传输的声音通过所述管嘴传播，并经由所述端口进入所述内耳道中，

其中，所述端口具有声阻抗，所述声阻抗有效地防止所述生物信号经由所述端口进入所述管嘴，

其中，所述次声信号包括5Hz或更低的次声。

2.如权利要求1所述的耳塞，其中，当所述耳塞尖端接合时，所述耳塞尖端的面与所述内耳道的壁形成声学密封，以在声学上将所述内耳道与所述个人身体外部的声音隔离。

3.如权利要求2所述的耳塞，其中，所述耳塞包括位于所述管嘴内的压力传感器，所述耳塞将所述压力传感器用于监测所述声学密封。

4.如权利要求2所述的耳塞，其中，所述耳塞使用所述次声传感器来监测所述声学密封。

5.如权利要求2所述的耳塞，其中，所述声学密封增加所述内耳道内的身体产生的声学压力，从而增加所述内耳道中的所述生物信号的振幅。

6.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述次声传感器包括在所述管嘴中，在所述近端附近。

7.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述扬声器是声学兼容扬声器，所述声学兼容扬声器的有效声学体积等于或大于所述内耳道的声学体积。

8.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述扬声器包括在所述壳体主体中，并且其中，所述扬声器与所述壳体主体的内壁形成声学密封，以防止空气和所述生物信号进入所述壳体主体。

9.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述扬声器包括：密封的背部分，其防止空气从所述壳体主体流入所述扬声器中。

10.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述扬声器是声学刚性扬声器，所述声学刚性扬声器的有效声学体积是所述内耳道的声学体积的量级或小于所述内耳道的声学体积。

11.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述壳体主体包括位于所述扬声器的顶表面与所述壳体主体的内壁之间的受控端口，所述受控端口使空气能够在所述壳体主体与所述管嘴之间流动。

12.如权利要求11所述的耳塞，其中，所述壳体主体还包括：放置在所述受控端口前面或之内的受控开口滤波器，并且其中，所述滤波器配置成提供阻抗，所述阻抗防止所述生物信号经由所述受控端口进入所述壳体主体。

13.如权利要求1所述的耳塞，其中，所述壳体主体包括位于所述壳体主体的远端处的远端端口，并且其中，所述远端端口使外部空气能够流入和流出所述壳体主体。

14.如权利要求13所述的耳塞，其中，所述壳体主体还包括：放置在所述远端端口上方或之内的远端滤波器，并且其中，所述远端滤波器配置成提供声阻抗，所述声阻抗调谐传输的音频信号。

15.一种操作耳塞的方法，所述方法包括：

响应于耳塞尖端至内耳道的壁内的插入，检查所述耳塞的耳塞尖端与个人的内耳道的壁之间的声学密封，其中，耳塞尖端至内耳道的壁内的插入导致耳塞尖端与内耳道的接合；

经由包括在所述耳塞内的次声传感器，在所述个人的所述内耳道中检测来自个人身体的生物信号，所述生物信号包括次声信号，其中，所述次声传感器包括于管嘴内，所述耳塞尖端附接到从耳塞的壳体主体延伸的管嘴的近端，并且所述耳塞尖端在接合所述内耳道时将所述管嘴悬挂在所述内耳道内，由此使得所述次声传感器位于内耳道内；以及

经由包括在所述耳塞内的扬声器将声音从音频源传输到所述内耳道中，

其中，所述管嘴包括位于所述次声传感器的顶表面与所述管嘴的内壁之间的端口，其中，从所述扬声器传输的声音通过所述管嘴传播，并经由所述端口进入所述内耳道中，

其中，所述端口具有声阻抗，所述声阻抗有效地防止所述生物信号经由所述端口进入所述管嘴，

其中，所述次声信号包括5Hz或更低的次声。

16.如权利要求15所述的方法，其中，检查所述耳塞的耳塞尖端与个人的内耳道的壁之间的声学密封包括：包括在所述耳塞内的压力传感器感测所述内耳道中的压力，并且所述耳塞确定所述压力是否等于或大于阈值。

17.如权利要求15所述的方法，其中，检查所述耳塞的耳塞尖端与个人的内耳道的壁之间的声学密封包括：所述次声传感器检测所述生物信号的次声信号，以及所述耳塞确定所述次声信号的振幅是否等于或大于阈值。

18.如权利要求15所述的方法，还包括：所述声学密封增加所述内耳道内的身体产生的声学压力，从而增加所述内耳道中的所述生物信号的振幅。