CN115734744A - 健身监测和追踪设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于健身追踪和/或监测系统的牙套，该牙套包括保持器构件，该保持器构件被成形和配置成在使用时佩戴在用户的嘴内，该保持器构件由至少两层弹性体材料层形成，至少两层弹性体材料层在至少两层弹性体材料层之间具有生理传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种可穿戴的健身追踪和/或监测设备，该健身追踪和/或监测设备用于监测用户的健身和其他生理指标，诸如心率(和/或其他心肺信号)，用于例如在体育和其他活动中使用。
背景技术
健身追踪设备是众所周知的，并且可以用于监测用户的健身相关指标，以提供关于用户的健身和/或表现的反馈。事实上，人们一直希望能够例如在训练和比赛期间对运动员的健身、疲劳和努力进行监测，以便提供关键的表现见解并降低损伤的风险。
例如，已知心率监测器用于测量心率(和/或其他心肺信号)，用于诸如健康监测、运动训练和健身的应用。直到最近，能够持续监测用户心率(和/或其他心肺信号)的传统设备一直相当笨重。例如，心率监测器通常使用心电图(electrocardiogram，EKG)信号，这需要围绕用户的胸部布置电极或带子。
用于监测心率的不太笨重的技术是基于使用光体积描记器传感器的脉搏血氧仪。光体积描记器传感器非侵入性地测量穿过用户组织(例如手指或耳垂)的光的吸收，以确定动脉血的氧饱和度水平和心率。所得到的信号被称为光体积描记器(photoplethysmograph，PPG)，并且PPG信号可以被分析以确定(除其他外)PPG传感器附接到的人的心率(和/或其他心肺信号)。
传统上，脉搏血氧仪要求用户保持相对不动，以确保获得良好的PPG信号。当对运动中的人使用PPG传感器时，传感器的移位和PPG信号中的运动伪影或噪声可能导致用户的所估计心率(和/或其他心肺信号)的不精确。
编号为10,456,053的美国专利描述了一种包括PPG传感器和惯性传感器的腕戴式心率监测器，其中，来自惯性传感器的信号用于识别和去除来自PPG信号的噪声。初始心率值从保留在所得到的PPG频谱中的多个心率候选者中选择，并用于追踪用户的心率。在追踪心率(和/或其他心肺信号)的同时监测PPG频谱，以确定所选择的初始心率值是否错误。对PPG频谱进行监测，并且根据需要重置心率值。
这种类型的腕戴式PPG传感器在健身追踪手表等中变得越来越普遍。然而，当进行诸如橄榄球的接触性运动时，手表或其他腕戴式设备通常是不实用的(或不允许的)，因为手表或其他腕戴式设备会对佩戴者或其他运动员造成损伤。此外，腕戴式健身追踪器可能不一定足够精确，以进行高效的健身追踪，至少在一些应用中是这样，即使使用软件来去除来自监测信号的噪声。
目前，职业运动中的表现追踪是通过可穿戴设备(诸如GPS追踪器和胸戴式心率监测器)和/或视频分析来实现的。然而，已知这种可穿戴设备会限制运动，并且这种可穿戴设备都测量运动员身上发生了什么，而不是运动员的身体如何反应，并且所有这种可穿戴设备都位于衣服内或皮肤(例如胸带)上，这使得所有这种可穿戴设备能够在使用过程中四处移动，从而导致传感器测量的不精确。
因此，希望提供一种精确的、用户佩戴的健身和/或表现追踪设备，该健身和/或表现追踪设备在接触式运动期间和/或在长时间佩戴时方便且安全，并且提供可用于监测用户的健身、表现和/或健康的精确生理信号，并且本发明的方面寻求解决这些问题中的至少一个或多个。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于健身追踪和/或监测系统的牙套，该牙套包括保持器构件，该保持器构件被成形和配置成在使用时佩戴在用户的嘴内，保持器构件由至少两层弹性体材料层形成，至少两层弹性体材料层在至少两层弹性体材料层之间具有生理传感器。
在优选实施例中，传感器可以被配置成生成表示用户的心率(和/或其他心肺信号)的信号。有利地，传感器可以包括光体积描记器传感器，光体积描记器传感器包括用于在使用时将光照射在用户的嘴的内部的区域上的光源以及用于接收从用户的嘴的内部的所述区域反射的光并生成表示光的电信号的传感器。
至少两层弹性体材料层中的最靠近用户的嘴的内表面的至少一层在使用时可以是大致透明的。至少两层弹性体材料层中的最远离用户的嘴的内表面的至少一层在使用时可以是大致不透明的。因此，如果传感器是光体积描记器(PPG)传感器，则内层使得光能够穿过用户的皮肤，并且使得从一个或多个血管反射回来的光能够返回到传感器，并且外层防止进入用户的嘴的环境光干扰传感器的精度。
有利地，弹性体材料是弹性体聚合物，例如乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)。
有利地，传感器位于所述保持器构件内，使得传感器在使用时位于与用户的上腭相邻。令人惊讶的是，发明人已经发现，可以从用户的上腭获得的PPG信号比可以从用户的嘴的其他区域获得的PPG信号更清晰和更稳定。
有利地，传感器可以集成在基板上，所述基板还集成有控制模块、电源单元和存储器模块。基板(例如印刷电路板或PCB)还可以集成有无线通信模块和无线通信天线，无线通信模块和无线通信天线被配置成将表示由所述传感器生成的信号的数据无线地发射到远程接收器。因此，可以在佩戴牙套的同时大致实时地收集由传感器生成的生理数据。
在示例性实施例中，传感器可以集成在第一细长柔性连接器的一个端部处。第二细长柔性连接器可以设置或一体地形成在第一细长柔性连接器的另一个端部处(与第一细长柔性连接器大致成直角)，所述第二细长柔性连接器在第二细长柔性连接器的一个端部处集成有控制模块、电源单元、存储器模块、无线通信模块和无线通信天线中的至少一个或多个。第一细长柔性连接器和第二细长柔性连接器可以一起形成大致T形的柔性连接器。因此，在示例性实施例中，PPG传感器可以位于T形柔性连接器的中心“腿部”的自由端部(使得PPG传感器在使用时位于与用户的上腭相邻)，并且其他传感器和电子部件可以位于T形柔性连接器的“臂”的自由端部。其他传感器可以包括用于测量冲击的加速度计。
在一些实施例中，保持器构件可以由至少三层弹性体材料层形成，所述传感器位于第一层和第二层之间，第一层和第二层在使用时最靠近用户的嘴的内表面，第三层形成在所述第二层上。再次，有利地，传感器包括光体积描记器传感器，并且所述第一层和第三层是大致透明的，并且所述第二层是大致不透明的。再一次，光体积描记器传感器可以设置在柔性连接器上，并且位于保持器构件内，使得光体积描记器传感器在使用时位于与用户的上腭相邻。
根据本发明的第二方面，提供了一种牙套组件，该牙套组件包括大致如上所述的牙套以及用于在不使用时接收所述牙套的存储箱，牙套包括无线充电系统的接收元件，并且所述存储箱包括无线充电系统的发射元件，其中当牙套位于存储箱内时，所述发射元件位于与所述接收元件相邻。
接收元件可以包括印刷或以其他方式设置在位于所述至少两层弹性体材料层之间的柔性印刷电路板上的导电线圈，并且所述发射元件可包括多个重叠的导电线圈。
根据本发明的第三方面，提供了一种健身追踪和/或监测系统，该健身追踪和/或监测系统包括至少一个大致如上所述的牙套、用于接受来自至少一个所述牙套的传感器的生理数据的接收器以及用于分析所述生理数据并提供指示该用户或每个用户的健身和/或表现的输出的分析平台。
根据本发明的第四方面，提供了一种制造用于健身追踪和/或监测系统的牙套的方法，该方法包括：形成用户的牙齿和牙龈的或表示用户的牙齿和牙龈的正模具，在所述模具上形成第一弹性体材料层，将生理传感器电路固定到所述第一弹性体材料层，以及在所述生理传感器电路上形成第二弹性体材料层。
如前所述，第一层可以是大致透明的，所述第二层可以是大致不透明的，并且所述传感器电路可以包括光源、光体积描记器传感器和无线通信模块，该无线通信模块用于在使用时将表示由所述传感器生成的信号的数据无线地发射到远程接收器。
本发明的这些和其他方面将从以下详细描述中变得更加明显。
附图说明
现将参照附图仅以示例的方式对本发明的实施例进行描述，在附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例的健身追踪系统的示意图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的用于牙套的PCB的主要部件的示意图；
图3是根据本发明的示例性实施例的牙套的示意性截面视图；
图4是根据本发明的示例性实施例的由健身追踪/监测系统获得的PPG传感器数据的示图；
图5是根据本发明的示例性实施例的用于牙套的PCB的平面视图；
图6是根据本发明的示例性实施例的健身追踪/监测系统的牙套和存储箱的示意性透视图；以及
图7是示出根据本发明的示例性实施例的牙套中的嵌入式固件的功能的流程图。
具体实施方式
参照附图的图1，根据本发明的示例性实施例的表现监测系统包括可通信地联接(或可联接)到边缘设备12的一个或多个健康追踪设备10。边缘设备12可通信地联接到云处理/存储设施14，该云处理/存储设施对由一个或多个健康追踪设备收集的生理数据进行处理和分析，并且将表现追踪数据输出到例如通过相关联的应用程序访问的远程基于网络的分析平台上的仪表板16。可以提供存储箱18，该存储箱用于在不使用一个或多个健康追踪设备时对一个或多个健康追踪设备进行存储并且(可选地)对一个或多个健康追踪设备进行充电。
该健康追踪设备或每个健康追踪设备10包括印刷电路板(printed circuitboard，PCB)，该印刷电路板集成有一个或多个传感器，该印刷电路板嵌入在诸如运动护齿套、牙龈护罩、正畸矫治器(诸如用于减轻或治疗打鼾或睡眠呼吸暂停的正畸矫治器)、保持器等的牙套中。这种牙套可以是通用的，或者这种牙套可以定制以适配用户的嘴。PCB上的一个或多个传感器产生在佩戴牙套时获得的生理信号，并且将信号(或该信号代表的数据)无线地发射到边缘设备12，该边缘设备本质上是被配置成接收从牙套PCB发射的数据的接收器(或多个接收器)。边缘设备12的主要目的是在使用时接收来自牙套的数据，并且在本地保存数据和/或将数据上传到云端14。因此，该边缘设备用作牙套10和分析平台之间的“网关”。用户的牙套数据由云(或本地)计算平台14处理和分析，基于网络的仪表板16使得用户能够在个人计算机、平板电脑、电话或任何网络浏览器上大致实时地查看用户的数据和分析。
参照附图的图2，根据本发明的示例性实施例，嵌入在牙套中的PCB可以包括微控制器(microcontroller，MCU)212，该微控制器具有蓝牙低能量(Bluetooth Low Energy，BLE)或其他无线通信的模块24和BLE(或其他无线通信技术)天线26。PCB 20还携带电源单元(power supply unit，PSU)28、外部闪存模块30、Led 32、惯性测量单元(inertialmeasuring unit，IMU)34、高冲击加速度计(high impact accelerometer，HIA)36和脉搏血氧仪(pulse oximeter，PPG)传感器38。PSU 28被电联接到MCU模块212、IMU 34、HIA 36、PPG传感器38、LED 32和外部闪存模块30，并且向MCU模块212、IMU 34、HIA 36、PPG传感器38、LED 32和外部闪存模块30供应能量。
IMU 34可以包括3轴磁力计、3轴加速度计和3轴陀螺仪，3轴磁力计、3轴加速度计和3轴陀螺仪一起使用时可以用于生成表示在力、旋转和方向方面对运动员头部的冲击的数据。HIA 36可以比IMU检测大得多的冲击。脉搏血氧仪和心率传感器38用于获得表示用户的组织微血管床中的血容量变化的PPG。PPG传感器38通过将光源(来自LED 32)照射到用户的嘴内的区域(例如上腭)上，并且测量反射回传感器的绿光、红光和红外光(分别在537nm、660nm和88nm的范围内)的振幅以获得PPG来工作。这使得能够在运动期间收集通常不能由现有技术设备实时获得的参数，如下表所示。
表1-可以从本发明的实施例获得的可能参数/见解的列表
参照附图的图3和图4，牙套包括多种薄层材料。外保护层40是大致透明的(即，使得光能够穿过外保护层)。中间层42为黑色或非常深的颜色，黑色或非常深的颜色大致阻止光穿过中间层。内层(最接近用户的牙齿和牙龈)44是大致透明的(即，使得光能够穿过内层)。携带信息和/或标识的标签41可以被夹在外层40和中间的黑色层42之间。包括LED 32和PPG传感器38的PCB20被“夹”在黑色层42和内透明层44之间。因此，进入用户的嘴的任何环境光46被黑色层42阻挡，并因此防止干扰PPG传感器38。来自LED 32的光(介于10nm至3000nm之间)穿过内层44照射到用户的皮肤48上，并穿过下方的口腔组织50照射到一个或多个血管52，反射的光返回到PPG传感器38，在PPG传感器，可以测量反射的绿光54、红光56和红外光58的振幅，并且如此获得的数据的示例在附图的图4中示出。
PSU 28例如包括38mAh的锂聚合物电池，该锂聚合物电池可以例如通过使用协同振荡线圈的无线充电装置来充电，能量的转移借助于线圈之间的磁感应发生。
传统的护齿套由多层乙烯-醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate，EVA)塑料形成，多层乙烯-醋酸乙烯酯塑料在用户的牙齿和牙龈的正模具上加热并真空形成，一次形成一层。EVA的层随后被修整和抛光(在每层的形成之间)，以获得光滑的表面光洁度。根据本发明实施例的护齿套或牙套可以如下制造。在第一步骤中，以任何已知的方式生产用户的牙齿和牙龈的正模具。接下来，使EVA的第一透明层44在模具上进行加热并真空形成，然后以已知的方式进行修整和抛光。然后，将PCB 20粘附到第一层44，将“牙齿”下方的PPG传感器38定位到上腭区域上。在该示例性实施例中，从用户的上腭获得PPG信号，因为发明人已经令人惊讶地发现，该用户的上腭产生足够清晰和稳定的结果。然而，应当理解，PCB 20可以理论上定位在牙套中，使得可以从用户的嘴的另一部分获得PPG信号。接下来，使EVA的黑色层42在第一层44和PCB 20上进行加热并真空形成，然后进行修整和抛光。如果需要，可以将标签/标识粘附到黑色层42。最后，使EVA的第三透明层40在黑色层42和标签/标识(如果存在)上进行加热并真空形成，然后如前所述进行修整和抛光，以形成成品设备。
在替代的示例性制造方法中，第二层40和第三层42可以通过以下方式形成：首先将黑色EVA层42加热到其熔点，然后将任何标签/标识施加到黑色EVA层，然后最后缓慢地施加第三层40。
PCB 20可以被配置成“分”成三个单独的部分，这三个单独的部分通过例如聚酰亚胺柔性PCB材料形式的柔性连接器连接在一起。如附图的图5所示，PCB 20可以被配置成围绕大致“T形”的柔性PCB 60，其中，LED 32、外部闪存30和PSU 28设置在柔性PCB的一个“臂”的端部处的微芯片上，HIA、IMU和MCU模块设置在柔性PCB的另一个“臂”的端部处的微芯片上，并且PPG传感器设置在柔性PCB 60的中心“腿部”的端部处。
PSU 28的充电可以通过使用两组导电线圈的无线充电装置来实现：一组导电线圈集成在牙套10内的PCB 20上并电连接到锂聚合物电池，另一组导电线圈在存储箱中(例如)并可电连接到电源(例如通过USB(或其他)充电电缆(未示出))。参照附图的图6，(例如塑料的)存储箱70容纳牙套10。第一线圈72设置在牙套10内，其中，该线圈可以例如使用铜迹线印刷在PCB 20上。鉴于每个定制适配的牙套的独特形状和构型，存储箱70可以具有限定用户的牙齿和牙龈的负模具的凹部，使得相应的牙套10牢固地安装在存储箱70的凹部内。如果需要，凹部可以涂覆有抗菌材料。然而，存储箱70的外部构型可能是通用的，例如是矩形盒状构型。因此，无线充电装置的发射元件需要被配置成与不同的牙套形状配合。为了解决这个问题，无线充电装置的发射元件包括例如使用铜迹线印刷在薄的(稍微柔性的)PCB 76上的多个重叠线圈74(以使得能够用于牙套定位的不对准)。可以提供箱，该箱被配置成“对接”多个单独的存储箱或牙套，以用于同时存储和/或充电。
该牙套或每个牙套10的MCU 21使被配置为运行对传感器(PPG、IMU、HIA)进行采样的嵌入式固件，将数据保存到板上闪存模块30并将该数据发送到边缘设备12。每个牙套(例如运动护齿套)至少具有“游戏”(或数据收集)模式/状态和“空闲”模式/状态，该“游戏”(或数据收集)模式/状态用于在使用过程中对数据进行采样和记录，在“空闲”模式/状态下什么都不做并且优化了省电。参考附图的图7，固件配置的流程图仅作为示例提供。所需操作模式的确定可以通过用户按下按钮(“开/关”按钮)来实现。替代地，模式之间的改变可由于在一段不活动时间之后牙套的移动(或将牙套从充电站移除)(切换到“游戏”模式)或由于一段预定的不活动时间和/或将牙套“对接”以进行充电(切换到“空闲”模式)而发生。
在替代的示例性实施例中，PCB 20可以安装在保持器中或保持器上，保持器例如为通常用于牙齿美白、牙齿矫正或保护的那些保持器。这种牙套的薄得多的形状因素意味着用户的呼吸和言语不会受到显著损害，因为这种牙套可以在任何活动中佩戴，无论是接触式运动还是其他。在这种情况下，PCB可以以与上述类似的方式夹在两层材料(例如EVA塑料)之间。两层都可以是透明的，但是如果需要，外层理论上可以由较暗的材料形成。因此，保持器提供了更流线型的护齿套，同时仍然提供如上所述的一个或多个传感器的功能。在这种情况下，当用户参与接触式运动时，包覆成型以安装在保持器和用户的牙齿上的护齿套可以佩戴在保持器上。
从前述描述中，对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例进行修改和变型。在上文详细描述中，对运动护齿套进行具体地参照和描述。然而，应当理解，本发明可以适于在其他类型的嘴戴式设备中提供PPG测量能力，其他类型的嘴戴式设备包括用于各种目的的牙科或正畸保持器，并且本发明不一定旨在限制在这方面。
Claims (29)
1.一种用于健身追踪和/或监测系统的牙套，所述牙套包括保持器构件，所述保持器构件被成形和配置成在使用时佩戴在用户的嘴内，所述保持器构件由至少两层弹性体材料层形成，所述至少两层弹性体材料层在所述至少两层弹性体材料层之间具有生理传感器。
2.根据权利要求1所述的牙套，其中，所述传感器被配置成生成表示用户的心率(和/或其他心肺信号)的信号。
3.根据权利要求2所述的牙套，其中，所述传感器包括光体积描记器传感器，所述光体积描记器传感器包括光源以及传感器，所述光源用于在使用时将光照射在用户的嘴的内部的区域上，所述传感器用于接收从所述用户的嘴的内部的所述区域反射的光并生成表示光的电信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述至少两层弹性体材料层中的最靠近用户的嘴的内表面的至少一层在使用时是大致透明的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述两层弹性体材料层中的最远离用户的嘴的内表面的至少一层在使用时是大致不透明的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，弹性体材料是弹性体聚合物。
7.根据权利要求6所述的牙套，其中，所述弹性体聚合物是乙烯-醋酸乙烯酯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述传感器位于所述保持器构件内，使得所述传感器在使用时与用户的上腭相邻。
9.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述传感器集成在基板上，所述基板还集成有控制模块、电源单元和存储器模块。
10.根据权利要求9所述的牙套，其中，所述基板还集成有无线通信模块和无线通信天线，所述无线通信模块和所述无线通信天线被配置成将表示由所述传感器生成的信号的数据无线地发射到远程接收器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述传感器集成在第一细长柔性连接器的一个端部处。
12.根据权利要求11所述的牙套，其中，第二细长柔性连接器设置或一体地形成在所述第一细长柔性连接器的另一个端部处，所述第二细长柔性连接器在所述第二细长柔性连接器的一个端部处集成有控制模块、电源单元、存储器模块、无线通信模块和无线通信天线中的至少一个或多个。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的牙套，其中，所述第一细长柔性连接器和第二细长柔性连接器一起形成大致T形的连接器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，多个生理传感器设置在第一弹性体材料层和第二弹性体材料层之间的柔性连接器上。
15.根据权利要求14所述的牙套，其中，所述多个传感器包括或包含心率监测器和加速度计。
16.根据权利要求15所述的牙套，其中，所述心率监测器包括光体积描记器传感器。
17.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述保持器构件由至少两层弹性体材料层形成，所述传感器位于所述至少两层弹性体材料层之间。
18.根据权利要求17所述的牙套，所述牙套还包括可移除的护齿套或护龈套设备，所述护齿套或护龈套设备被配置成在使用时安装在保持器和用户的牙齿和牙龈上。
19.根据前述权利要求中任一项所述的牙套，其中，所述保持器构件由至少三层弹性体材料层形成，所述传感器位于第一层和第二层之间，所述第一层和所述第二层在使用时最靠近用户的嘴的内表面，第三层形成在所述第二层上。
20.根据权利要求19所述的牙套，其中，所述传感器包括光体积描记器传感器，所述第一层和所述第三层是大致透明的，并且所述第二层是大致不透明的。
21.根据权利要求20所述的牙套，其中，所述光体积描记器传感器设置在柔性连接器上，并且位于所述保持器构件内，使得所述光体积描记器传感器在使用时与用户的上腭相邻。
22.一种牙套组件，所述牙套组件包括根据前述权利要求中任一项所述的牙套、以及用于在不使用时接收所述牙套的存储箱，所述牙套包括无线充电系统的接收元件，并且所述存储箱包括无线充电系统的发射元件，其中当所述牙套位于所述存储箱内时，所述发射元件与所述接收元件相邻。
23.根据权利要求22所述的牙套组件，其中，所述接收元件包括印刷或以其他方式设置在位于所述至少两层弹性体材料层之间的柔性印刷电路板上的导电线圈，并且所述发射元件可包括多个重叠的导电线圈。
24.一种健身追踪和/或监测系统，所述健身追踪和/或监测系统包括至少一个根据权利要求1至21中任一项所述的牙套、用于接收来自至少一个所述牙套的传感器的生理数据的接收器以及用于分析所述生理数据并提供指示用户或每个用户的健身和/或表现的输出的分析平台。
25.一种制造用于健身追踪和/或监测系统的牙套的方法，所述方法包括：形成用户的牙齿和牙龈的或表示用户的牙齿和牙龈的正模具，在所述模具上形成第一弹性体材料层，将生理传感器电路固定到所述第一弹性体材料层，以及在所述生理传感器电路上形成第二弹性体材料层。
26.根据权利要求25所述的制造牙套的方法，其中，所述第一层是大致透明的，所述第二层是大致不透明的，并且所述传感器电路包括光源、光体积描记器传感器和无线通信模块，所述无线通信模块用于在使用时将表示由所述传感器生成的信号的数据无线地发射到远程接收器。
27.根据权利要求26所述的制造牙套的方法，其中，所述第一层和所述第二层是大致透明的，并且所述传感器电路包括光源、光体积描记器传感器和无线通信模块，所述无线通信模块用于在使用时将表示由所述传感器生成的信号的数据无线地发射到远程接收器。
28.根据权利要求27所述的制造牙套的方法，所述方法还包括以下方法：形成包括所述牙套的用户的牙齿和牙龈的或表示用户的牙齿和牙龈的正模具，在所述模具上形成护齿套设备。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的制造牙套的方法，所述方法还包括：在所述第二层上形成大致透明的第三弹性体材料层。
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