專利名稱：用于電磁聽覺設(shè)備的改進的發(fā)射機和換能器的制作方法
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明一般地涉及聽覺系統(tǒng)和方法。尤其地，本發(fā)明針對依靠電磁場在人耳的一部分上產(chǎn)生振動的聽覺系統(tǒng)和方法。這種系統(tǒng)可被用于增強正?；蚴軗p聽覺的聽覺過程。
當前，大多聽覺系統(tǒng)分成至少三個類別聲學聽覺系統(tǒng)；電磁驅(qū)動聽覺系統(tǒng)；以及耳蝸植入。聲學聽覺系統(tǒng)依賴于產(chǎn)生放大的聲波的聲學換能器，這些聲波進而將振動傳遞給鼓膜或耳鼓。電話聽筒、收音機、電視機以及受損聽覺者用的助聽器都是使用聲學驅(qū)動機制的系統(tǒng)的示例。例如電話聽筒在生成聲能的揚聲器中將在電線上傳送的信號轉(zhuǎn)換成振動能量。該聲能在耳道中傳播并振動鼓膜。不同頻率和振幅下的這些振動導致聲音的感知。外科手術(shù)植入的耳蝸植入在具有嚴重聽覺損失的患者體內(nèi)電激勵聽覺神經(jīng)節(jié)細胞或樹突。
通過電磁換能器將音頻信號傳遞到耳朵的聽覺系統(tǒng)是眾所周知的。這些換能器將被調(diào)制成含有音頻信息的電磁場轉(zhuǎn)換為振動，這些振動被傳遞到鼓膜或中耳的部分。電磁場使得通常為磁體的換能器位移以將振動運動傳遞給其所貼附的部分，由此使這種電磁驅(qū)動系統(tǒng)的佩帶者產(chǎn)生聲音感知。這種聲音感知方法相比于聲學驅(qū)動系統(tǒng)在質(zhì)量、效率、以及最重要的“反饋”這種聲學聽覺系統(tǒng)常見的問題的顯著減輕方面具有一些優(yōu)勢。
當聲學輸出能量返回或“反饋”到輸入換能器(話筒)時聲學聽覺系統(tǒng)中產(chǎn)生反饋，由此引起自持振蕩。反饋的電位一般與系統(tǒng)的放大程度成比例，因此許多聲學驅(qū)動系統(tǒng)的輸出增益不得不降低到小于所需的程度以防止反饋情況。在特別嚴重的情況下會導致輸出不足以補償聽覺損失的這個問題，仍然是聲學類助聽器的主要問題。為了使向話筒的反饋最小化，許多聲學聽覺設(shè)備封閉耳道的通風或為耳道提供最小通風。雖然可以降低反饋，但是代價是“阻塞”，即對大多數(shù)助聽器使用者都成問題的類隧道聽覺效應(yīng)。直接驅(qū)動耳鼓能夠使反饋最小化，因為該驅(qū)動機制是機械的而不是聲學的。由于機械地振動耳鼓，所以聲音被耦合到耳道并且波傳播在反方向上得到支持。然而這種機械到聲學的耦合效率較低，并且這種低效率在耳道中聲音降低的意義上被利用從而得到提高的系統(tǒng)增益。
Perkins等在通過引用包括于此的美國專利第5,259,032號中公開了一種將磁體非侵入性地耦合至鼓膜的系統(tǒng)。上述專利公開了一種用于產(chǎn)生電磁信號的設(shè)備，其具有通過表面附著力低強度但充分地貼附在佩帶者的鼓膜上的換能器組合件。同樣通過引用包括于此的美國專利第5,425,104號公開了一種用于產(chǎn)生電磁信號的設(shè)備，其包括外置于個人的聲學通道的驅(qū)動裝置。然而，由于磁場強度隨著距離平方的倒數(shù)而下降，所以前面的用于產(chǎn)生承載磁場的音頻的方法效率非常低，因此并不實用。當前，在傳遞足以高效地驅(qū)動耦合到人耳的聽覺器官的換能器的電磁場方面有相當大的改善空間。
因為這些原因，需要提供一種將電磁場傳遞到一換能器改進的聽覺系統(tǒng)，該換能器被充分地耦合到人耳的聽覺器官從而可用最小的能量驅(qū)動該換能器。進一步需要提供一種在耳道中留有開放的通道以使阻塞最小化的聽覺系統(tǒng)。此后描述的發(fā)明將實現(xiàn)這些目的中的至少一部分。
背景技術(shù)：
說明以上已對美國專利第5,259,032號及第5,425,104號進行說明。其它相關(guān)專利包括5,015,225；5,276,910；5,456,654；5,797,834；6,084,975；6,137,889；6,277,148；6,339,648；6,354,990；6,366,863；6,387,039；6,432,248；6,436,028；6,438,244；6,473,512；6,475,134；6,592,513；6,603,860；6,676,592；以及6,695,943。其它相關(guān)公開包括美國專利第2002-0183587、第2001-0027342號公報；Decraemer等(1994)、Puria等(1997)、Moore(1998)、Puria和Allen(1998)、Fay等(2002)以及Hato等(2003)的期刊公開。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明，一種用于產(chǎn)生個人可感知的音頻信號的聽覺系統(tǒng)包括具有與個人的中耳聽覺器官的外表面相適的表面的換能器，其中該換能器被動地響應(yīng)于磁場的變化以直接地振動該聽覺器官。該系統(tǒng)具有支撐于個人的耳道內(nèi)的發(fā)射機，以用于向換能器發(fā)送磁場。發(fā)射機具有一個有開放的內(nèi)部并且大小設(shè)計成適合放入耳道中的線圈，以及一個具有近端和遠端的磁芯，磁芯的大小設(shè)計成適合放入線圈的開放內(nèi)部內(nèi)以使得磁芯的遠端相對于換能器以預(yù)定的距離和朝向放置。該系統(tǒng)還包括為發(fā)射機的線圈提供電流的電源，該電流代表音頻信號。
在一優(yōu)選實施例中，換能器被可松開地貼附在個人的鼓膜上?；蛘?，換能器可貼附在諸如個人的錘骨、砧骨或鐙骨等中耳的另一聽覺器官上。
在換能器被貼附到鼓膜的情況下，該系統(tǒng)一般具有用于將換能器保持在鼓膜上的支承裝置。一般地，支承裝置包括非反應(yīng)性、預(yù)成型的生物相容材料，其具有足以將換能器可松開地支承在鼓膜的外表面上的面積和結(jié)構(gòu)的接觸表面。換能器一般包括磁體。
優(yōu)選的是，磁芯和線圈的大小設(shè)計成使得發(fā)射機在耳道中形成開放的通道。在大多數(shù)結(jié)構(gòu)中，該系統(tǒng)包括具有內(nèi)表面和外表面的殼體，其中外表面成形為與個人的耳道的內(nèi)壁相吻合。內(nèi)表面的大小設(shè)計成可容發(fā)射機貼附同時在耳道中保持開放的通道以允許自然聲傳播到鼓膜。
在一些實施例中，線圈纏繞在磁芯上，而線圈/磁芯組合件被貼附在殼體的內(nèi)表面上?；蛘撸€圈被敷設(shè)于殼體的內(nèi)表面上，而磁芯被貼附在線圈之內(nèi)。
在一優(yōu)選實施例中，磁芯的遠端包括相對于磁芯軸傾斜的斜面。一般地，在發(fā)射機被置于耳道中時，該斜面被定向為基本平行于換能器。
磁芯的遠端可以是錐形表面、鍥形表面、或?qū)τ诮o定的磁芯直徑使得磁芯遠端的表面積最大同時使得遠端表面相對于磁軸保持合適朝向的任何其它形狀。磁芯至少部分地由鐵、或任何其它合適的磁性材料構(gòu)成。
在本發(fā)明的一個方面，磁芯被彎曲和/或縮窄以適應(yīng)個人的耳道的幾何形狀。通常，磁芯的遠端被置于離換能器1到8mm的范圍之內(nèi)。優(yōu)選地，磁芯的遠端被置于離換能器2到6mm的范圍之內(nèi)。
在本發(fā)明的另一方面，話筒通過用于模擬或數(shù)字的信號處理裝置被耦合到發(fā)射機，以用于捕捉將由發(fā)射機發(fā)送的音頻信息。話筒可位于耳道的內(nèi)部，耳道入口處、或靠近外耳。優(yōu)選地，話筒與發(fā)射機一起位于也被稱作外耳的耳道入口處。
在本發(fā)明的又一方面，一種用于產(chǎn)生能為個人所感知的音頻信號的聽覺方法包括將響應(yīng)于磁場的換能器可松開地支承在中耳聽覺器官的外表面上；將具有磁性線圈和磁芯的發(fā)射機置于個人的耳道內(nèi)，其中磁芯具有伸進耳道中并與換能器成預(yù)定距離和朝向的遠端表面；以及將代表音頻信號電流遞送給發(fā)射機以從遠端表面發(fā)射磁場。
在一優(yōu)選實施例中，將換能器可松開地支承在外表面上包括將換能器支承在個人的鼓膜上?；蛘?，換能器被支撐在個人的錘骨上。
一般地，放置發(fā)射機包括放入支承發(fā)射機的殼體以與個人的耳道的內(nèi)部輪廓相匹配。通常，通過首先測量個人的耳道和鼓膜的物理特性來放置發(fā)射機，其中根據(jù)所測得的特性將發(fā)射機貼附到殼體。在許多情況下，個人的耳道的物理特性通過制作個人的耳道和鼓膜的鑄模來測量?；蛘撸瑴y量個人的耳道和鼓膜的物理特性包括生成三維CT、微CT、MRI、微MRI掃描、或其它任何對個人的耳道和鼓膜的光學掃描。
一般地，磁芯的大小依據(jù)于所測得的特性來定，并且磁芯的朝向依據(jù)于所測得的個人的耳道的特性來定。在一些實施例中，磁芯包括近端和遠端，并且通過將磁芯的遠端放置在離換能器預(yù)定距離處來放置發(fā)射機。一般地，磁芯被放置在離換能器1mm到8mm的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，磁芯的遠端被放置在離換能器2mm到6mm的范圍內(nèi)。
在一些實施例中，還通過將磁芯遠端的表面定向為基本平行于換能器來放置發(fā)射機。最優(yōu)地，磁芯的遠端是傾斜的以增加磁芯遠端的表面積，并且磁芯的傾斜表面被定向為基本平行于換能器。磁芯的磁軸被放置成與換能器的磁軸最大程度地對準，這使得聽覺器官在較佳方向上移動。還可將殼體、線圈和磁芯的大小設(shè)計成使得發(fā)射機與耳道形成的開放的通道。
附圖簡述

圖1是包括外耳、中耳、以及內(nèi)耳局部的人耳的剖面圖。
圖2示出了換能器耦合到鼓膜的本發(fā)明的一個實施例。
圖3A和3B示出了換能器耦合到錘骨的替換實施例。
圖4A示出了發(fā)射機安裝在耳道中并且換能器安裝在鼓膜上的本發(fā)明的一個實施例。
圖4B示出了線圈沿殼體的內(nèi)壁敷設(shè)的本發(fā)明的替換實施例。
圖5A和5B是包括外部驅(qū)動器組合件的本發(fā)明的實施例的示意圖。
圖6是磁芯和線圈組合件相對于換能器的擺放的說明。
圖7A和7B示出了本發(fā)明的發(fā)射機磁芯的替換實施例。
圖8是測量在相對于磁芯處于不同位置和朝向時作用于磁體的磁力的測試裝置。
圖9是示出了在不同的間隙距離處(1000匝線圈)在磁體上所感生的磁力的測試結(jié)果的坐標圖。
圖10是示出了在磁芯尖端相對于磁體處于不同的朝向角度時(250匝線圈)在磁體上所感生的磁力的測試結(jié)果的坐標圖。
定義在本說明書和權(quán)利要求書中，將參照本技術(shù)領(lǐng)域的習語和術(shù)語，為了在此使用將其明確地定義如下如在此所使用的，高能量永磁體包括釤-鈷(SmCo)、釹-鐵-硼(NdFeB)或其它任何合適的稀土磁體材料。
如在此所使用的，支撐裝置是生物相容結(jié)構(gòu)，它具有適當面積以將換能器非侵入性地貼附到耳朵的一部分，而無需諸如膠水等硬化粘合劑，或如插入鼓膜、與錘骨夾片連接、或放置在中耳的骨頭上等外科過程。相反，該支承裝置能夠毫不費力地由個人輕而易舉地安裝和卸下，并且具有用戶可容易地戴上或拿下的元件。該支撐裝置使用表面附著力現(xiàn)象將電磁換能器低強度但充分地貼附在鼓膜上并使其在受到振動、或在個人的頭部或身體經(jīng)受運動或振動時不會移位。
如在此所使用的，換能器是一種響應(yīng)于適當?shù)哪芰啃盘栆援a(chǎn)生包含音頻信息的振動并在被振動地耦合到人耳的聽覺器官時傳送音頻信息的設(shè)備。換能器可包括磁體、壓電元件、離散及集成的無源或有源電子部件、或響應(yīng)于適當?shù)亟邮盏降男盘枌⒄駝觽魉徒o鼓膜或人體的其它部分的任何單一部件或部件的組合、或適于將信號轉(zhuǎn)換成振動的任何其它裝置。
如在此所使用的，發(fā)射機是將聲音或其它有意義的信號電磁地發(fā)送給換能器的包括線圈或磁芯組合的任何設(shè)備。
如在此所使用的，聽覺器官是人耳的一部分，其能夠沿小骨鏈傳播聲波以激勵內(nèi)耳的聽覺機構(gòu)。聽覺器官包括但不限于以下任何一種鼓膜、錘骨、砧骨、以及鐙骨。
發(fā)明的具體描述本發(fā)明的聽覺系統(tǒng)包括一種電磁聽覺系統(tǒng)，該電磁聽覺系統(tǒng)具有用于產(chǎn)生包含音頻信息的電磁信號的發(fā)射機、以及用于接收這些信號并將振動傳送給耳朵的換能器組合件。電磁聽覺系統(tǒng)依靠電信號來產(chǎn)生電磁能而不是聲能。該電磁能與驅(qū)動的電信號具有相同的振幅和頻率變化特性。隨后，這些電磁場引起貼附在耳道中某一位置的磁體的振動并產(chǎn)生與原始的源信號具有相同特性的可聽聲音。將參照附圖對發(fā)射機和換能器組合件進行更為詳細的描述。
參照圖1，圖中示出了外耳30、中耳32以及內(nèi)耳34(局部)的橫截面示圖。外耳主要包括耳廓16以及耳道14。中耳在一側(cè)以鼓膜(耳鼓)10為邊界，并包含一系列三塊微小的互聯(lián)的骨頭錘骨(錘)18；砧骨(砧)20；以及鐙骨(鐙)22。這三塊骨頭被統(tǒng)稱為小骨或小骨鏈。錘骨貼附在鼓膜22上，而小骨鏈中的最后一塊骨頭鐙骨被耦合到內(nèi)耳的耳蝸24。
在正常聽覺中，通過外耳或耳道14傳播的聲波沖擊鼓膜并引起其振動。連接到鼓膜的錘骨也因此與砧骨和鐙骨一起被帶動。小骨鏈中的這三塊骨頭對鼓膜所接收到的微小機械振動起到一組阻抗匹配杠桿的作用。鼓膜和這些骨頭可起到將聽覺器官的帶寬最大化的傳輸線系統(tǒng)的作用(Puria和Allen，1998；Fay等，2002)。鐙骨振動進而在被稱為耳蝸24的螺旋結(jié)構(gòu)的前庭中引起液壓(Puria等，1997)。液壓產(chǎn)生沿基膜的縱軸的行波?？碌偈掀?Organ of Corti)位于包含感覺上皮的基膜之上，感覺上皮包括一行內(nèi)毛細胞和三行外毛細胞。耳蝸中的內(nèi)毛細胞(未示出)由基膜的運動來激勵。在此，液壓使內(nèi)耳水移位，并且毛細胞中的機械能被轉(zhuǎn)換成電脈沖，電脈沖被發(fā)送到神經(jīng)通路以及大腦的聽覺中心(顳葉)，從而引起聲音的感知。外毛細胞據(jù)信放大和壓縮對內(nèi)毛細胞的輸入。在有感覺神經(jīng)聽力損失時，一般是外毛細胞被損壞從而降低了對內(nèi)毛細胞的輸入，從而導致聲音的感知度降低。由聽覺設(shè)備進行的放大恢復了本該由外毛細胞提供的其它正常放大和壓縮。
圖2描繪了其中換能器26駐留于鼓膜的外表面上的本發(fā)明的一個實施例。駐留于其表面之上是指換能器26被放置成與鼓膜換能器相接觸。換能器一般包括高能永磁體。如此放置換能器的一種優(yōu)選方法是采用包括換能器26和支承裝置28的接觸換能器組合件。支承裝置28在其反面被貼附到或浮置在鼓膜10的一部分上。支承裝置是具有足以支承換能器的表面積的生物相容結(jié)構(gòu)，并被振動地耦合到鼓膜。優(yōu)選地，支承裝置28被貼附到鼓膜的表面基本與鼓膜的相應(yīng)表面的形狀、尤其是鼓膜凸區(qū)域12的形狀相符。優(yōu)選使用諸如礦物油等表面潤濕劑來增強支承裝置28通過表面附著力與鼓膜形成低強度但充分的貼附的能力。在先前通過引用包括于此的美國專利第5,259,032號中描述了一種合適的接觸換能器組合件。
圖3A和3B示出了其中換能器被置于個人的錘骨之上的替換實施例。在圖3A中，換能器磁體40被貼附到下錘骨柄的近中側(cè)。優(yōu)選地，磁體40包在鈦或其它生物相容材料中。作為示例，在通過引用包括于此的美國專利第6,084,975號中公開了一種將磁體40貼附到錘骨的方法，其中通過在低錘骨柄的后骨膜中作一切口并將骨膜從錘骨柄抬起，從而在錘骨柄的側(cè)表面和鼓膜10之間產(chǎn)生袋囊來將磁體40貼附到錘骨18的錘骨柄44的近中表面上。將不銹鋼夾片器件的一個尖端置于袋囊中并為磁體40所貼附。夾片的內(nèi)部具有合適的尺寸以使得夾片至此固定在錘骨柄上從而將磁體置于其近中表面上。
或者，圖3B示出了一個實施例，其中夾片50被固定在錘骨18上位于錘骨柄44和錘骨頭部46之間的頸部周圍。在該實施例中，夾片50伸展以提供使磁體40朝向鼓膜10和耳道14的平臺，從而使得磁體處于接收電磁信號的最優(yōu)位置。
現(xiàn)在參照圖4A，示出了安裝在右耳道中并朝向換能器26的本發(fā)明的發(fā)射機組合件60(為了清晰起見將殼體66示為經(jīng)橫截的)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，換能器組合件26正對鼓膜10放置在鼓膜凸區(qū)域12處。換能器20還可放置在中耳的其它聽覺器官上，包括放在錘骨18(在圖3A和3B中示出)、砧骨20、以及鐙骨22上等位置。當放置在鼓膜10的鼓膜凸區(qū)域12中時，換能器26將相對于耳道14自然地傾斜。傾斜度因人而異，但是一般相對于耳道成大約60度角。
發(fā)射機組合件60具有配置成與個人耳道內(nèi)壁的特性相匹配的殼體66。優(yōu)選將殼體66匹配成緊密貼合個人的耳道從而使得發(fā)射機組合件60可重復地插入耳道或從耳道取下，并且在重新插入個人的耳道時仍能正確地對準。殼體66還被配置成支承線圈64和磁芯62以使得當發(fā)射機組合件被正確地安裝在耳道中時磁芯62的尖端被放置在相對于換能器26合適的距離和朝向上。磁芯62一般包括鐵氧體，但也可以是任何具有高磁導率的材料。
在一個優(yōu)選實施例中，線圈64沿磁芯的部分或整個長度繞在磁芯62周圍。一般地，線圈具有足夠的圈數(shù)從而最優(yōu)地驅(qū)使電磁場朝向換能器。圈數(shù)可根據(jù)線圈的直徑、磁芯的直徑、磁芯的長度、以及依據(jù)于個人的耳道大小的線圈和磁芯組合件的總的可接受的直徑而變化。一般地，隨著磁芯直徑增大，磁場作用在磁體上的力將增強，從而由此提高了系統(tǒng)效率。然而，這些參數(shù)受到人耳的解剖結(jié)構(gòu)限制的約束。如圖4A所示，線圈64可僅繞在磁芯長度的一部分上，以允許磁芯的尖端更深地伸到一般在到達鼓膜10時會聚的耳道14中。
一種用于使殼體66匹配耳道的內(nèi)部尺寸的方法是制作耳道腔室包括鼓膜的印模。然后從陰印模制作陽熔模。然后從復制印模外表面的陽熔模形成殼體的外表面。然后線圈64和磁芯62組合件可以根據(jù)所需的相對于換能器26的凸出放置的定向來放置和安裝在根據(jù)耳道和鼓膜的陽熔模確定的殼體66中。在一替換實施例中，發(fā)射機組合件60還可包括具有微調(diào)能力的安裝平臺(未示出)用于定向線圈和磁芯組合件以使得磁芯能夠相對于殼體和/或線圈進行定向和放置。在另一替換實施例中，可對個人執(zhí)行CT、MRI或光學掃描以生成耳道和鼓膜的3D模型。然后可使用數(shù)字3D模型表示來構(gòu)造殼體的外表面以及安裝磁芯和線圈。
如圖4A的實施例所示，發(fā)射機組合件60還可包括置于殼體66內(nèi)部的數(shù)字信號處理(DSP)單元72、話筒74、以及電池78。殼體66的近端具有可暫時取下的面板80以提供通往殼體66的空腔86和包含在其中的發(fā)射機組合件部件的入口。例如，面板80可被取下以換出電池78或調(diào)整磁芯62的位置和朝向。面板80還可具有話筒端口82以允許聲音被定向到話筒74。牽引線84也可插入在面板80的殼體66中以使得發(fā)射機組合件能夠被更容易地從耳道取出。
在工作中，話筒74捕捉到進入耳廓16和耳道14的環(huán)境聲音并將聲波轉(zhuǎn)換為模擬電信號供DSP單元72處理。DSP單元72可被耦合到輸入放大器(未示出)以放大該信號并用本技術(shù)領(lǐng)域中常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后數(shù)字信號由任意數(shù)目的本技術(shù)領(lǐng)域中常用的數(shù)字信號處理器來處理。處理可包括多頻帶壓縮、噪聲抑制以及降噪算法的任意組合。然后使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將經(jīng)數(shù)字處理的信號轉(zhuǎn)回模擬信號。將該模擬信號整形、放大并發(fā)送至線圈64，線圈64生成包含代表音頻信號的音頻信息的已調(diào)制電磁場，并與磁芯62一起將電磁場定向到換能器磁體26。換能器磁體26響應(yīng)于電磁場而振動，由此振動與其耦合的中耳聽覺器官(例如，圖4A中的鼓膜10或者圖3A和3B中的錘骨18)。
在許多實施例中，面板80還有聲音開口70以允許環(huán)境聲音進入殼體的開放腔86。這允許環(huán)境聲音沿發(fā)射機組合件的內(nèi)艙穿過開放的空間86以及穿過殼體66的遠端處的一個或多個開口68。由此，環(huán)境聲波可到達并振動鼓膜10并分別將振動傳送給鼓膜。這種開放的通道設(shè)計提供了許多重要益處。首先，開放的通道使在許多聲學聽覺系統(tǒng)中普遍的閉塞效應(yīng)對耳道的阻塞降到最低。其次，進入耳道的自然環(huán)境聲音允許被電磁驅(qū)動的有效聲級輸出被限制或截止在比阻塞耳道的設(shè)計低得多的聲級。對于大多數(shù)聽覺受損患者，在較高分貝范圍的聲音再現(xiàn)是沒有必要的，因為他們的自然聽覺機制仍能接收在該范圍內(nèi)的聲音。對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人，這通常被稱為復聰現(xiàn)象，即在音量很大時聽覺受損患者的響度知覺能“趕上”正常聽覺者的響度感知(Moore，1998)。因此，開放通道的裝置可被配置成在自然聽覺接替的聲級切斷或飽和。這能夠大大降低驅(qū)動發(fā)射機所需的電流，從而允許更小的電池和/或更長的電池壽命。由于反饋的增加所以在聲學助聽器中大開口是不可能的，由此限制了設(shè)備的功能增益。在本發(fā)明的電磁驅(qū)動設(shè)備中，由于鼓膜被直接振動所以顯著降低了聲學反饋。這種直接振動最終導致在耳道中產(chǎn)生聲音，因為鼓膜起到了揚聲器紙盆的作用。然而，生成的聲學能級大大低于在耳道中產(chǎn)生直接聲能的常規(guī)助聽器。這導致本發(fā)明的開放耳道電磁發(fā)射機和換能器比常規(guī)聲學助聽器具有大的多的功能增益。
圖4B示出了發(fā)射機組合件100的一個替換實施例，其中線圈102被敷設(shè)于殼體66的內(nèi)壁上。磁芯62被放置于線圈102的內(nèi)徑之內(nèi)，并且可貼附到殼體66或線圈102。在該實施例中，環(huán)境聲音仍可進入耳道并通過開放腔86并從端口80出來以振動鼓膜。
現(xiàn)在參照示出了一個替換實施例的圖5A和5B，其中DSP單元、電池、或話筒中的一個或多個位于在耳道的外面的驅(qū)動器單元90中。驅(qū)動器單元可通過耳鉤94鉤在耳廓16的頂端上。這種結(jié)構(gòu)為殼體66的開放腔86(圖4B)提供了額外的空隙，還允許包含其它本不能容納在個人的耳道中的部件。雖然話筒74可與驅(qū)動器單元90一同位于外耳的外部，但是優(yōu)選使話筒位于耳道14中或其開口處以從耳廓16獲得高帶寬定位線索的益處。如圖5A和5B所示，話筒74通過話筒端口82捕捉進入耳道14的聲音。然后信號通過連接到面板80上的插孔98的電纜98中的輸入線被發(fā)送到位于驅(qū)動器單元90中的DSP供處理。一旦信號經(jīng)過DSP處理，該信號就通過往回穿過電纜92的輸出線被遞送給線圈64。
圖6示出了磁芯62相對于換能器26的位置的示圖。磁芯62可根據(jù)個人耳道的尺寸來個別地設(shè)計大小。例如，可將磁芯切為使得磁芯能沿耳道14向下延伸從而使得磁芯62的尖端靠近所安裝的換能器的位置的長度，同時又提供足夠的長度以使線圈能夠靠磁芯的近端纏繞，并且在磁芯的近端，耳道開口更大以適應(yīng)更大的線圈直徑。磁芯62還可彎曲角度γc，其中角度γc對應(yīng)于個人的耳道幾何形狀，從而使得磁芯尖端能夠正確地靠近換能器26放置而不與耳道內(nèi)壁相干擾。
在一個優(yōu)選實施例中，磁芯尖端的表面Sc可相對于磁芯軸歪斜或傾斜角度γb。傾斜的表面不僅增加了磁芯尖端的面積，還有助于將表面Sc定向為基本平行于換能器磁體的側(cè)表面Sm，從而使得磁芯62的磁軸Ac與磁體表面Sm正交，并且與磁體26的磁軸Am共線。最大激勵內(nèi)耳的方向是鐙骨22的活塞式運動(Hato等，2002)。鐙骨的這種運動在垂直于鼓膜10的鼓膜凸的運動與沿其它方向的運動相比最大時達到最大(Decraemer等，1994)。因此，在由定向成垂直于鼓膜凸的磁芯產(chǎn)生的磁場作用在磁體26上的力達到最大并且磁體26平行于鼓膜凸的平面放置(或者貼附到鼓膜或諸如錘骨等其它聽覺器官)的情況下，系統(tǒng)效率最高。另外，與磁軸Am對準的磁芯磁軸Ac還在磁體支承裝置28與鼓膜10之間的接觸表面上傳送最小剪切力，由此使換能器組合件與鼓膜不正常地分離的可能性降到最低。
如圖7A和7B所示，磁芯尖端可以有多種替換表面以用于改變發(fā)射機發(fā)射的磁場。磁芯尖端104可以是圓錐形、球形、凹面或凸面，由此增加磁芯尖端的表面積。對于這些替換表面，為了正確地接收磁場，磁體一般要匹配磁芯尖端的形狀。對于耳道的一部分，磁芯可以具有縮小的尺寸以適應(yīng)耳道解剖結(jié)構(gòu)中的狹縮。正交方向上的尺寸相應(yīng)地增加以維持磁芯面積。
理想地，磁芯尖端表面Sc將被放置在離換能器外表面Sm距離G處以產(chǎn)生系統(tǒng)所可能的最高增益，同時距離換能器26足夠遠以使得磁體與磁芯之間的引力不會使換能器26從鼓膜(在如此貼附的情況下)脫離。磁場密度一般隨磁芯尖端表面與磁體表面之間的間隙距離G的平方而降低。因此線圈越接近磁體，磁體上的磁力就越強，并且系統(tǒng)效率越高。一般地，1mm與8mm之間的距離被認為對于電磁場的傳輸是有效的，優(yōu)選在2mm與6mm之間。
在使用圖8中所采用的裝置的一個實驗室研究中，執(zhí)行了各種測試來比較諸如磁芯長度和直徑、線圈匝數(shù)、磁芯材料、間隙距離、以及朝向等線圈/磁芯特性。一般地，增大磁芯直徑、減小磁芯長度、增加線圈匝數(shù)將使磁場強度成比例的增大。然而，與間隙距離和磁芯尖端相對于磁體的朝向相比，這些參數(shù)所顯示的對性能的影響可以忽略不計。
圖9示出了用以測量負載傳感器(圖8)在兩個不同的間隙距離2.5mm和1.5mm、以及在水平“x”方向上改變磁體與磁芯的對準的情況下的磁力的測試。示出了來自兩組不同運行的重復測量結(jié)果。在1.5mm間隙與2.5mm間隙相對照的讀數(shù)之間，磁力變化最高達到三倍，并且當磁體和磁芯在x軸上互成直線(0mm)時達到最高變化量。磁力還一定程度地受到磁芯和磁體在x方向上的對準的影響。然而，該測試顯示在-.5mm和.5mm之間損耗是可忽略不計的。
圖10示出了用于測量在磁芯磁軸Ac相對于磁體表面處于不同角度時的磁力的另一測試。該測試顯示在都是正方形末端的情況下，磁芯磁軸Ac與磁體表面成90°定向與成40°傾斜角定向相比，磁體上的力幾乎加倍。然而，使用40°傾斜角的傾斜末端磁芯，可以達到近似于90°角度情況下的增益。傾斜尖端比90°角度情況下稍高的增益是源于由傾斜引起的表面積的增加。
示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的以上描述是為了說明和描述的作用。并不試圖窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限定于所公開的精確形式。顯然，許多修改和變更對本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。本發(fā)明的范圍旨在由所附權(quán)利要求和其等效方案所定義。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生可為個人所感知的音頻信號的聽覺系統(tǒng)，所述聽覺系統(tǒng)包括具有適于貼附到所述個人的聽覺器官的表面的換能器，所述換能器響應(yīng)于能量場的變化直接地振動所述聽覺器官；被支承在所述個人的耳道內(nèi)對著所述換能器的發(fā)射機，所述發(fā)射機包括i.具有開放的內(nèi)部的能量發(fā)射器，所述發(fā)射器的大小被設(shè)計成適合放入所述耳道或外耳中；以及ii.具有近端和遠端的傳輸元件，所述元件的大小被設(shè)計成適合放入所述發(fā)射器的所述開放的內(nèi)部之內(nèi)以使得所述發(fā)射器的所述遠端被定位成相對于所述換能器成預(yù)定的距離和朝向；以及用于向所述發(fā)射機的所述線圈提供電流的電源，所述電流代表所述音頻信號。
2.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述能量場包括磁場，所述發(fā)射器包括線圈，并且所述傳輸元件包括磁芯。
3.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器被貼附到所述個人的鼓膜上。
4.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器被貼附到所述個人的錘骨上。
5.如權(quán)利要求3所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于將所述換能器保持在所述鼓膜上的支承裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述支承裝置包括非反應(yīng)性預(yù)成型的生物相容材料，其具有足以將所述換能器可松開地支承在所述鼓膜的外表面上的面積和結(jié)構(gòu)的接觸表面。
7.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器包括磁體。
8.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯和所述線圈的大小被設(shè)計成使得所述發(fā)射機在所述耳道中形成開放的通道。
9.如權(quán)利要求8所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，還包括具有內(nèi)表面和外表面的殼體，所述外表面成形為與所述個人的耳道的內(nèi)壁相吻合，所述內(nèi)表面的大小設(shè)計成可容所述發(fā)射機貼附同時在所述耳道中保持開放的通道以允許自然聲傳到所述鼓膜。
10.如權(quán)利要求9所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述線圈被敷設(shè)于所述殼體的所述內(nèi)表面上，并且所述磁芯被貼附在所述線圈上。
11.如權(quán)利要求9所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述線圈被纏繞在所述磁芯上，并且所述線圈/磁芯組合件被貼附在所述殼體的所述內(nèi)表面上。
12.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的遠端包括傾斜表面。
13.如權(quán)利要求12所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，當所述發(fā)射機被放置在所述耳道中時，所述傾斜表面被定向成基本平行于所述換能器。
14.如權(quán)利要求12所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的磁軸與所述換能器的磁軸對準。
15.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的所述遠端包括錐形表面。
16.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的所述遠端包括鍥形表面。
17.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯由任意導磁材料構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯被彎曲以適應(yīng)所述耳道的幾何形狀。
19.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯被縮窄以適應(yīng)所述耳道的幾何形狀。
20.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的所述遠端被放置在離所述換能器1到8mm的范圍內(nèi)。
21.如權(quán)利要求20所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述磁芯的所述遠端被放置在離所述換能器2到6mm的范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求1所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，還包括通過模擬或數(shù)字的信號處理裝置耦合到所述發(fā)射機的話筒。
23.如權(quán)利要求22所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述話筒與所述發(fā)射機一起位于所述耳道的內(nèi)部。
24.如權(quán)利要求22所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述話筒位于所述外耳中。
25.如權(quán)利要求22所述的聽覺系統(tǒng)，其特征在于，所述話筒位于所述外耳的外部。
26.一種用于產(chǎn)生可為個人所感知的音頻信號的聽覺方法，所述方法包括將換能器可松開地支承在耳朵的聽覺器官的外表面上，所述換能器被動地響應(yīng)于磁場；將發(fā)射機放置在所述個人的耳道內(nèi)，所述發(fā)射機具有磁線圈和磁芯，其中所述磁芯具有伸進所述耳道中并與所述換能器成預(yù)定距離和朝向的遠端表面；以及向所述發(fā)射機遞送電流以從所述遠端表面發(fā)射磁場，所述電流代表所述音頻信號。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，將換能器可松開地支承在外表面上包括將所述換能器支撐在所述個人的鼓膜上。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，將換能器可松開地支承在外表面上包括將所述換能器支承在所述個人的錘骨上。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括放入匹配所述個人的耳道的內(nèi)部輪廓的殼體，并且所述殼體支承所述發(fā)射機。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括測量所述個人的耳道的物理特性，并且所述發(fā)射機根據(jù)所測得的特性被貼附到所述殼體上。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，測量所述個人的耳道的物理特性包括制作所述個人的耳道的鑄模。
32.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，測量所述個人的耳道的物理特性包括生成所述個人的耳道的CT、微CT、MRI、微MRI、或者光學掃描。
33.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括根據(jù)所測得的特性來確定所述磁芯的大小。
34.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括根據(jù)所測得的特性來確定所述磁芯的朝向。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述磁芯包括近端和遠端，并放置發(fā)射機包括將所述磁芯的所述遠端放置在離所述換能器預(yù)定距離處。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述磁芯的所述遠端被放置在離所述換能器1mm到8mm的范圍內(nèi)。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述磁芯的所述遠端被放置在離所述換能器2mm到6mm的范圍內(nèi)。
38.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括將所述磁芯的所述遠端的表面定向為基本平行于所述換能器。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，還包括傾斜所述磁芯的所述遠端以增加所述磁芯的所述遠端的表面積，并且放置發(fā)射機包括將所述磁芯的傾斜表面定向為基本平行于所述換能器。
40.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括將所述磁芯的所述遠端的磁軸定向為與所述換能器的磁軸對準。
41.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括設(shè)計所述殼體、線圈以及磁芯的大小以使得所述發(fā)射機與所述耳道形成開放的通道。
42.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括將所述線圈敷設(shè)在所述殼體的內(nèi)表面上，并且將所述磁芯貼附到所述線圈。
43.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，放置發(fā)射機包括在所述磁芯上纏繞所述線圈，并且將所述線圈/磁芯組合件貼附到所述殼體的內(nèi)表面。
全文摘要
一種用于產(chǎn)生可為個人所感知的音頻信號的聽覺系統(tǒng)。該聽覺系統(tǒng)包括具有適于貼附到個人的中耳聽覺器官的表面的換能器，其中換能器響應(yīng)于由發(fā)射機發(fā)射的磁場的變化直接地振動該聽覺器官。發(fā)射機被支承在個人的耳道內(nèi)。發(fā)射機具有線圈和磁芯，所述磁芯被放置成使得磁芯的遠端相對于換能器成預(yù)定的距離和朝向。
文檔編號H04R25/00GK101073288SQ200580029776
公開日2007年11月14日 申請日期2005年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月28日
發(fā)明者R·C·帕金斯, S·普里亞, J·P·費, J·H·威斯坦德 申請人:耳鏡股份有限公司