CN115590658A - 一种人工喉系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种人工喉系统及控制方法，所述系统包括气管模块，气管模块包括仿生气管、气体分流器、瓣膜片、仿生声带、传感器单元以及气管控制器；气体分流器位于所述仿生气管内部，将仿生气管分隔为呼吸管和发音管；仿生声带位于发音管内；瓣膜片连接于气体分流器的下端；传感器单元位于气体分流器上；传感器单元用于获取仿生气管内的气流数据；气管控制器用于根据气流数据控制生成瓣膜控制信号和声带控制信号；瓣膜片用于根据瓣膜控制信号打开或关闭呼吸管；仿生声带用于根据声带控制信号打开或关闭。本发明实施例提供的人工喉系统，能够辅助喉部手术切除患者恢复喉部通气和发音供能，保障患者的正常生活。

Description

一种人工喉系统及控制方法
技术领域
本申请涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种人工喉系统及控制方法。
背景技术
语音是人类最基本、最有效最、最重要的交流手段，不仅可以传递语言信息，还可以携带不同的情绪信息。然而世界上有众多喉癌及其他严重的喉病患者，经历全喉切除手术的患者会失去发声功能，承受巨大的身心痛苦。
经历喉部手术的患者需要解决吞咽与发音问题，从而重建发声功能，恢复语言交流能力。
发明内容
为解决现有的全喉切除手术后的患者的吞咽与发声问题，本申请提供一种人工喉系统，能够辅助患者恢复喉部通气和发音功能。
该技术方案如下：
一方面，提供了一种人工喉系统，包括气管模块；
所述气管模块包括仿生气管、气体分流器、瓣膜片、仿生声带、传感器单元以及气管控制器；
所述气体分流器位于所述仿生气管内部，通过机械关节与所述仿生气管连接，并将所述仿生气管分隔为呼吸管和发音管；所述仿生声带位于所述发音管内；所述瓣膜片连接于所述气体分流器的下端；所述传感器单元位于所述气体分流器上；所述气管控制器分别与传感器单元、所述瓣膜片以及所述仿生声带通信连接；
所述传感器单元用于获取所述仿生气管内的气流数据，并向所述气管控制器发送所述气流数据；
所述气管控制器用于根据所述气流数据控制生成瓣膜控制信号和声带控制信号；
所述瓣膜片用于根据所述瓣膜控制信号打开或关闭所述呼吸管；
所述仿生声带用于根据所述声带控制信号打开或关闭。
在一些实施例中，所述仿生声带包括固定部分和可调部分，所述固定部分位于所述仿生气管的管壁上，所述可调部分位于所述气体分流器的发音管面上；
当无需发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘分开，当需要发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘紧贴。
在一些实施例中，所述气流数据包括气体流速数据和气压数据，所述传感器单元包括流速传感器、气压传感器；
所述流速传感器位于所述气体分流器的呼吸管面；所述气压传感器位于所述气体分流器的发音管面，且在所述仿生声带以下；
所述流速传感器用于获取所述呼吸管内的气体流速数据；
所述气压传感器用于获取所述发音管内的气压数据。
在一些实施例中，所述系统还包括会厌模块；
所述会厌模块包括机械会厌、舌面摄像头、吞咽信号识别器以及会厌控制器；
所述机械会厌的尾端连接舌根和喉部软组织，所述舌面摄像头和所述吞咽信号识别器设置在所述机械会厌上，所述会厌控制器分别与所述舌面摄像头、所述吞咽信号识别器以及所述机械会厌通信连接。
所述舌面摄像头用于获取并向所述会厌控制器发送舌面图像，所述吞咽信号识别器用于获取并向所述会厌控制器发送吞咽信号，所述会厌控制器用于基于所述舌面图像和所述吞咽信号生成会厌控制信号，所述机械会厌用于根据所述会厌控制信号运动。
在一些实施例中，所述机械会厌包括主体和边缘，所述主体为可卷曲及展开的片状结构，所述边缘为连接在主体左右两侧的片状结构；
当所述主体向下卷曲时，所述边缘向下弯折，与所述主体呈钝角，以覆盖喉口；
当所述主体向上卷曲时，所述边缘向上弯折，与所述主体呈钝角；以开放喉口。
在一些实施例中，所述机械会厌的主体和边缘为合页联动的片状结构。
在一些实施例中，所述人工喉系统还包括第一供能模块和第二供能模块，
所述第一供能模块位于人体外部，用于将电能转换为电磁能，并向所述第二供能模块传输电磁能；
所述第二供能模块位于人体内部，用于将所述第一供能模块传输的电磁能转换为电能，并为所述会厌模块和所述气管模块供电。
在一些实施例中，所述第一供能模块为围脖状，以放置于人体颈部。
另一方面，提供了一种人工喉控制方法，应用于如上所述的系统，所述方法包括：
获取呼吸管内的气流率数据，若所述气流率数据大于预设的第一阈值，则控制瓣膜片关闭所述呼吸管，以使气体由发音管突破仿生声带发音；
在所述瓣膜片关闭所述呼吸管后，获取发音管内的气压数据，若所述气压数据小于或等于所述第二阈值，则控制所述瓣膜片打开所述呼吸管，以使气体由所述呼吸管进出。
在一些实施例中，所述方法还包括：
获取舌面图像和吞咽信号，基于所述舌面图像和吞咽信号判断是否进行吞咽动作；
若判定进行吞咽动作，则控制所述机械会厌遮挡所述仿生气管；
若判定所述吞咽动作结束，则控制所述机械会厌打开所述仿生气管。
本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：本发明实施例提供了一种人工喉系统及控制方法，包括气管模块；所述气管模块包括仿生气管、气体分流器、瓣膜片、仿生声带、传感器单元以及气管控制器；所述气体分流器位于所述仿生气管内部，通过机械关节与所述仿生气管连接，并将所述仿生气管分隔为呼吸管和发音管；所述仿生声带位于所述发音管内；所述瓣膜片连接于所述气体分流器的下端；所述传感器单元位于所述气体分流器上；所述气管控制器分别与传感器单元、所述瓣膜片以及所述仿生声带通信连接；所述传感器单元用于获取所述仿生气管内的气流数据，并向所述气管控制器发送所述气流数据；所述气管控制器用于根据所述气流数据控制生成瓣膜控制信号和声带控制信号；所述瓣膜片用于根据所述瓣膜控制信号打开或关闭所述呼吸管；所述仿生声带用于根据所述声带控制信号打开或关闭。本发明实施例提供的人工喉系统，能够辅助喉部手术切除患者恢复喉部通气和发音供能，保障患者的正常生活。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统的结构示意图；
图2示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中气管模块的结构示意图；
图3示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中仿生声带的结构示意图；
图4示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中仿生声带的结构示意图；
图5示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中仿生声带的结构示意图；
图6示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中会厌模块的结构示意图；
图7示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中会厌模块的结构示意图；
图8示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统中会厌模块的结构示意图；
图9示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉控制方法的实现流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将接合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请提供的人工喉系统，可以辅助患者恢复喉部通气和发音功能。
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
如果申请文件中出现“第一\第二\第三”的类似描述则增加以下的说明，在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
实施例一、
图1示出了本申请一个示例性实施例提供的人工喉系统的结构示意图。
参见图1，本申请提供的人工喉系统包括气管模块；
所述气管模块包括仿生气管110、气体分流器120、瓣膜片130、仿生声带140、传感器单元150以及气管控制器160。
图2示出了本申请实施例中气管模块的又一结构示意图。
参见图2，所述气体分流器位于所述仿生气管内部，通过机械关节与所述仿生气管连接，并将所述仿生气管分隔为呼吸管和发音管；所述仿生声带位于所述发音管内；所述瓣膜片连接于所述气体分流器的下端；所述传感器单元位于所述气体分流器上；所述气管控制器分别与传感器单元、所述瓣膜片以及所述仿生声带通信连接；
所述传感器单元用于获取所述仿生气管内的气流数据，并向所述气管控制器发送所述气流数据；
所述气管控制器用于根据所述气流数据控制生成瓣膜控制信号和声带控制信号；
所述瓣膜片用于根据所述瓣膜控制信号打开或关闭所述呼吸管；
所述仿生声带用于根据所述声带控制信号打开或关闭。
图3示出了本发明实施例中仿生声带的结构示意图，参见图3，在一些实施例中，所述仿生声带包括固定部分和可调部分，所述固定部分位于所述仿生气管的管壁上，所述可调部分位于所述气体分流器的发音管面上；
当无需发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘分开，当需要发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘紧贴。
当使用者处于平静呼吸状态时，仿生声带的固定部分和可调部分分开，当为发音状态时，固定部分和可调部分的边缘即唇部紧贴，当自下而上的气体冲破紧贴面时产生振动发声。
在一些实施例中，所述气流数据包括气体流速数据和气压数据，所述传感器单元包括流速传感器、气压传感器；
所述流速传感器位于所述气体分流器的呼吸管面；所述气压传感器位于所述气体分流器的发音管面，且在所述仿生声带以下；
所述流速传感器用于获取所述呼吸管内的气体流速数据；
所述气压传感器用于获取所述发音管内的气压数据。
在人工喉系统使用过程中，当吸气或低速气流通过呼吸管时，根据流速传感器监测的气体流速情况控制瓣膜片关闭或开放。当发音时，高速气体流过发音管，声带下的气体压力增大，发音完成后，气体压力降低，控制瓣膜片开放。
在以上过程中，可以根据使用者的个体呼吸情况调整气流流速阈值和气压阈值。
在一个具体的示例中，仿生气管的内圈前后径为16mm，横径为16mm，外圈前后径为20mm，横径为20mm。气体分流器长16mm，宽14mm，厚4mm，纵向设置于仿生气管内。气体分流器的下端通过机械关节连接半圆形的瓣膜片，瓣膜片的半径为7mm，厚度为4mm，可由竖直位置与呼吸管侧的水平位置之间摆动，当摆动到水平位置时，会阻挡呼吸管侧的气体通过。气体分流器的呼吸管面均匀分布有20个流速传感器，发音管面均匀分布有6个气压传感器，且气压传感器均位于仿生声带下方。当所述仿生声带开放时，固定部分和可调部分的唇部边缘距离为2mm。
图4示出了本发明实施例中仿生声带的又一结构示意图。
图5示出了本发明实施例中仿生声带的再一结构示意图，
参见图4和图5，当流速传感器获得的平均气流率超过0.22L/s时，令瓣膜片关闭呼吸管，以使气体从发音管腔中突破仿生声带的唇部，从而振动发声。
当气压传感器获得的声门下压低于或等于6.80cmH2O时，令瓣膜片打开呼吸管，以使气体从呼吸管一侧进出。
在一些实施例中，所述系统还包括会厌模块；
所述会厌模块包括机械会厌、舌面摄像头、吞咽信号识别器以及会厌控制器。
图6示出了本发明实施例中会厌模块的又一结构示意图。
参见图6，所述机械会厌的尾端连接舌根和喉部软组织，所述舌面摄像头和所述吞咽信号识别器设置在所述机械会厌上，所述会厌控制器分别与所述舌面摄像头、所述吞咽信号识别器以及所述机械会厌通信连接。
所述舌面摄像头用于获取并向所述会厌控制器发送舌面图像，所述吞咽信号识别器用于获取并向所述会厌控制器发送吞咽信号，所述会厌控制器用于基于所述舌面图像和所述吞咽信号生成会厌控制信号，所述机械会厌用于根据所述会厌控制信号运动。
在一些实施例中，所述机械会厌包括主体和边缘，所述主体为可卷曲及展开的片状结构，所述边缘为连接在主体左右两侧的片状结构；
当所述主体向下卷曲时，所述边缘向下弯折，与所述主体呈钝角，以覆盖喉口；
当所述主体向上卷曲时，所述边缘向上弯折，与所述主体呈钝角；以开放喉口。
在一些实施例中，所述机械会厌的主体和边缘为合页联动的片状结构。
图7示出了本发明实施例中会厌模块的又一结构示意图。
参见图7，在一个具体的实例中，主体长为24mm，宽20mm，厚3mm，由四个片状结构依次相连构成，且相邻片状结构连接处为可卷曲活动的机械关节。机械会厌的尾部长4mm，可与舌根及咽部软组织缝合固定。边缘分为左右两个部分，每个部分为长20mm，宽3mm，厚3mm的片状结构，通过机械关节与主体连接。
图8示出了本发明实施例中会厌模块的又一结构示意图。
参见图8，当主体向下卷曲时，边缘向下弯折，与主体呈135度角。当主体向上卷曲时，边缘向上弯折，与主体呈135度角。
在一些实施例中，当基于舌面摄像头和吞咽信号识别器获取的数据判定将要进行吞咽动作时，控制机械会厌运动，使其形状由托盘状转变为帽状，以在吞咽时防止食物进入气管。
在一些实施例中，所述人工喉系统还包括第一供能模块和第二供能模块，
所述第一供能模块位于人体外部，用于将电能转换为电磁能，并向所述第二供能模块传输电磁能；
所述第二供能模块位于人体内部，用于将所述电磁能转换为电能，并为所述会厌模块和所述气管模块供电。
在一个具体的示例中，第一供能模块包括电源及电磁线圈，其中电源可以包括但不限于充电电池和太阳能电池。第一供能模块为环状的围脖式结构，长度约为30cm，宽度厚度及表面材质可以根据使用者需要进行调整。围脖式结构有助于将第一供能模块固定于人体颈部，从而为人工喉系统的体内部分供能。
实施例二、
图9示出了本发明实施例提供的人工喉控制方法的实现流程示意图。
参见图9，在一些实施例中，本发明实施例提供的人工喉控制方法可以包括获取呼吸管内的气流率数据和/或所述发音管内的气压数据；基于所述气流率数据和/或所述气压数据调整所述瓣膜片，以使所述呼吸管打开或关闭。
在一些实施例中，人工喉控制方法可以包括步骤101至步骤102。
步骤101：获取呼吸管内的气流率数据，若所述气流率数据大于预设的第一阈值，则控制瓣膜片关闭所述呼吸管，以使气体由发音管突破仿生声带发音；
步骤102：在所述瓣膜片关闭所述呼吸管后，获取发音管内的气压数据，若所述气压数据小于或等于所述第二阈值，则控制所述瓣膜片打开所述呼吸管，以使气体由所述呼吸管进出。
在一些实施例中，本发明提供的人工喉控制方法还可以包括会厌模块的控制过程：
获取舌面图像和吞咽信号，基于所述舌面图像和吞咽信号判断是否进行吞咽动作；
若判定进行吞咽动作，则控制所述机械会厌遮挡所述仿生气管；
若判定所述吞咽动作结束，则控制所述机械会厌打开所述仿生气管。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工喉系统，其特征在于，所述系统包括气管模块；
所述气管模块包括仿生气管、气体分流器、瓣膜片、仿生声带、传感器单元以及气管控制器；
所述气体分流器位于所述仿生气管内部，通过机械关节与所述仿生气管连接，并将所述仿生气管分隔为呼吸管和发音管；所述仿生声带位于所述发音管内；所述瓣膜片连接于所述气体分流器的下端；所述传感器单元位于所述气体分流器上；所述气管控制器分别与传感器单元、所述瓣膜片以及所述仿生声带通信连接；
所述传感器单元用于获取所述仿生气管内的气流数据，并向所述气管控制器发送所述气流数据；
所述气管控制器用于根据所述气流数据控制生成瓣膜控制信号和声带控制信号；
所述瓣膜片用于根据所述瓣膜控制信号打开或关闭所述呼吸管；
所述仿生声带用于根据所述声带控制信号打开或关闭。
2.根据权利要求1所述的一种人工喉系统，其特征在于，所述仿生声带包括固定部分和可调部分，所述固定部分位于所述仿生气管的管壁上，所述可调部分位于所述气体分流器的发音管面上；
当无需发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘分开，当需要发音时所述固定部分和所述可调部分的边缘紧贴。
3.根据权利要求1所述的一种人工喉系统，其特征在于，所述气流数据包括气体流速数据和气压数据，所述传感器单元包括流速传感器、气压传感器；
所述流速传感器位于所述气体分流器的呼吸管面；所述气压传感器位于所述气体分流器的发音管面，且在所述仿生声带以下；
所述流速传感器用于获取所述呼吸管内的气体流速数据；
所述气压传感器用于获取所述发音管内的气压数据。
4.根据权利要求1所述的一种人工喉系统，其特征在于，所述系统还包括会厌模块；
所述会厌模块包括机械会厌、舌面摄像头、吞咽信号识别器以及会厌控制器；
所述机械会厌的尾端连接舌根和喉部软组织，所述舌面摄像头和所述吞咽信号识别器设置在所述机械会厌上，所述会厌控制器分别与所述舌面摄像头、所述吞咽信号识别器以及所述机械会厌通信连接；
所述舌面摄像头用于获取并向所述会厌控制器发送舌面图像，所述吞咽信号识别器用于获取并向所述会厌控制器发送吞咽信号，所述会厌控制器用于基于所述舌面图像和所述吞咽信号生成会厌控制信号，所述机械会厌用于根据所述会厌控制信号运动。
5.根据权利要求4所述的一种人工喉系统，其特征在于，所述机械会厌包括主体和边缘，所述主体为可卷曲及展开的片状结构，所述边缘为连接在主体左右两侧的片状结构；
当所述主体向下卷曲时，所述边缘向下弯折，与所述主体呈钝角，以覆盖喉口；
当所述主体向上卷曲时，所述边缘向上弯折，与所述主体呈钝角；以开放喉口。
6.根据权利要求4所述的一种人工喉系统，其特征在于，所述机械会厌的主体和边缘为合页联动的片状结构。
7.根据权利要求1至6任一项所述的人工喉系统，其特征在于，所述人工喉系统还包括第一供能模块和第二供能模块，
所述第一供能模块位于人体外部，用于将电能转换为电磁能，并向所述第二供能模块传输电磁能；
所述第二供能模块位于人体内部，用于将所述第一供能模块传输的电磁能转换为电能，并为会厌模块和气管模块供电。
8.根据权利要求7所述的人工喉系统，其特征在于，所述第一供能模块为围脖状，以放置于人体颈部。
9.一种基于人工喉控制方法，应用于如权利要求1至8任一项所述的人工喉系统，其特征在于，所述方法包括：
获取呼吸管内的气流率数据，若所述气流率数据大于预设的第一阈值，则控制瓣膜片关闭所述呼吸管，以使气体由发音管突破仿生声带发音；
在所述瓣膜片关闭所述呼吸管后，获取发音管内的气压数据，若所述气压数据小于或等于预设的第二阈值，则控制所述瓣膜片打开所述呼吸管，以使气体由所述呼吸管进出。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取舌面图像和吞咽信号，基于所述舌面图像和吞咽信号判断是否进行吞咽动作；
若判定进行吞咽动作，则控制所述机械会厌遮挡所述仿生气管；
若判定所述吞咽动作结束，则控制所述机械会厌打开所述仿生气管。
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