CN116234492A - 模块化耳部传感系统 - Google Patents
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Abstract
本技术提供了一种模块化耳部传感系统，其可用于多种应用中的生物特征传感。传感系统包括听筒模块和电子模块。听筒模块包括壳体和一个或多个电极，该一个或多个电极具有沿着壳体外表面的触点。听筒模块具有被配置为至少部分插入耳道的第一端部和可释放地耦合到电子模块的第二端部。听筒模块和电子模块之间的耦合被配置为使听筒模块和电子模块之间能够相对移动(例如，平移和/或旋转)，同时保持听筒模块和电子模块的电极之间的电连接。
Description
相关申请交叉引用
本申请要求于2020年7月20日提交的标题为“磁性附接的导电电极”的美国临时申请号63/053,802的优先权，其公开内容在此通过引用整体并入本文。
背景技术
可穿戴传感器已被用于检测生物信号，例如脑电图(EEG)信号，心电图(ECG)信号，等等。在许多应用中，希望在几天到几周内记录这种生物信号。这些信号可用于医疗目的(例如，诊断传感和/或治疗刺激)或非医疗目的(例如，脑控制接口)。过去，已经佩戴带有传感器的帽子来捕获EEG信号。这些帽子可以通过多个数据通道获取输入。然而，长时间戴帽子可能会很麻烦和不舒服(例如，睡觉过夜)或社交尴尬(例如，在一些办公室环境或正式社交聚会中)。获得高质量的信号也可能很困难，因为浓密的头发或疤痕组织会干扰信号检测。入耳式传感器，例如使用定制模制化的听筒，也已被考虑并克服了传感器帽子的几个缺点。不幸的是，即使是定制的入耳式传感器组件也会面临多种难题，包括提供安全舒适地维持在耳朵中的稳定布置。其他难题可以包括信号传导性差，部分或完全阻挡环境声音，以及昂贵和劳动密集型的制造技术。
概述
本技术涉及模块化耳部传感系统，其可用于传感，记录，和/或处理生理信号，例如生物特征(例如，对于例如，心率，血氧，和/或呼吸速率监测的光体积描记(PPG)传感)。传感系统可用于其他类型的生物信号检测，例如监测和记录EEG信号，ECG信号等，以及人机界面。传感系统可以包括被配置为接收生理信号的入耳式听筒模块(例如，顺应性(compliant)插入元件)和被配置为包含用于记录和/或处理生理信号的电子器件的电子模块(例如，传感器主体)。听筒模块具有壳体和一个或多个电极，该一个或多个电极具有沿着壳体外表面的至少一部分的触点。听筒模块的壳体具有第一端部和与第一端部相对的第二端部，并且壳体被配置为沿第一端部至少部分插入耳道。第二端部可释放地耦合到电子模块。例如，听筒模块或电子模块中的一个可以包括金属耦合板，而听筒模块或电子模块中的另一个可以包括磁体以将听筒模块和电子模块磁性耦合在一起。在一些实施例中，听筒模块具有金属耦合板，且电子模块具有环形磁体。在一些实施例中，听筒模块具有带有一种极性的磁体，且电子模块具有带有一种相对极性的磁体。
这种布置使得在听筒模块和电子模块之间能够相对运动，例如旋转，同时保持由听筒模块携带的电极和电子模块的部件之间的电连接。例如，听筒模块可以具有信号收集组件(例如，存储器)和信号处理组件(例如，微处理器)。听筒模块和/或电子模块还可以包括附加的传感器。
第一和第二耦合元件的配置使得能够快速更换听筒模块，例如改变听筒模块的大小，改变电极配置，用于维修或清洁等。它还能够交换电子模块，从而可以选择不同的电子模块，为电池充电，将数据下载到板外处理系统等。
根据本技术的多个方面，耳部传感系统包括听筒模块(例如，插入元件)和电子模块(例如，传感器主体)。听筒模块具有壳体，第一耦合元件(例如，耦合板)和至少一个电极。壳体包括配置为至少部分插入耳道的第一端部和与第一端部相对的第二端部。第一耦合元件可以是固定在壳体第二端部的金属耦合板。电极被布置为沿着第一端部和第二端部之间的壳体。电子模块在其第一侧具有第二耦合元件，该第二耦合元件可以是环形磁体，该环形磁体被配置为磁性耦合到限定第一耦合元件的金属耦合板。听筒模块的第一耦合元件与电极电耦合，并被配置为通过第二耦合元件将电信号从电极传递到电子模块。在一些实施例中，信号不是通过第一和第二耦合元件从电极传输到电子模块，而是可以通过听筒模块和电子模块上的与第一和第二耦合元件分离的第一和第二电触点分别传输信号。例如，听筒模块和电子模块还可以包括压缩触点，这些触点通过第一和第二耦合元件施加的力相互接触。
在一个示例中，听筒模块的电极被配置成通过佩戴者的耳朵检测生物信号。在另一示例中，第二耦合元件是环形磁体，第一耦合元件是金属耦合板，该金属耦合板被配置为使第一耦合元件能够相对于第二耦合元件旋转和/或平移，同时保持听筒模块和电子模块之间的电连接。
听筒模块具有从第一端部延伸到第二端部的通孔(例如，通道或通路)。听筒模块的通孔可以被布置为沿着听筒模块的纵轴，第一耦合元件和第二耦合元件沿纵轴对准。在这种例子中，电子模块可以包括扬声器。通孔可以由沿纵轴延伸的加固管的腔限定。电子模块还可以包括通过听筒模块的通孔声学耦合到听筒模块的麦克风。
第一耦合元件和第二耦合元件均可是环形的。第一耦合元件的外径可以比第二耦合元件的外径大。附加地或替代地，第一耦合元件的内径可以比第二耦合元件的内径大。
在一些实施例中，第一耦合元件是包含被涂覆有导电材料的铁磁材料的耦合板。在一些实施例中，第二耦合元件是包含钕的环形磁体。第一耦合元件可以是垫圈形状的，并且具有永久固定在壳体的第二端部的第一侧。在这种例子中，第一耦合元件的第二侧可以被弯曲以与第二耦合元件的接触表面相配。
电子模块可以包括可操作地耦合到第二耦合元件或另一电触点的处理器模块，以接收来自听筒模块的电信号并执行接收到的电信号的机载处理和/或将接收到的电信号传输到远程处理系统。电子模块还可以包含一个或多个附加传感器，包括生物传感器，方向传感器，或加速度计中的至少一个。作为示例，附加传感器可以包括温度传感器。
在进一步的示例中，传感系统还包括被压缩在第一耦合元件和第二耦合元件之间的一对间隙柔性电路(interstitial flexible circuits)。一对间隙柔性电路可以被配置为将电信号从第一耦合元件传递到第二耦合元件。
根据本技术的另一方面，传感器系统组件被配置为检测和处理佩戴者的生物信号。传感器系统组件包括如上所述的模块化耳部传感系统和远程处理系统。远程处理系统包括被配置为与处理器模块的收发器通信的收发器和被配置为处理从处理器模块接收的生物信号的一个或多个处理器。
根据进一步的方面，模块化听筒套件包括如上所述的多个听筒模块，其中多个听筒模块中的每一个具有壳体，该壳体具有不同壳体大小或不同电极配置中的至少一个。套件还可以包括如上所述的一个或多个电子模块。例如，套件可以具有第一电子模块，该第一电子模块的传感器部件的布置与第二电子模块不同。
附图说明
图1A-B示出了示例人耳。
图2A-G示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感系统的示例。
图3A-C示出了根据本技术的多个方面的电极布置的示例。
图4A-C示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感系统的配置的视图。
图5A-C示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感系统的分解视图。
图6A-B示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感系统的一部分。
图7A示出了根据本技术的多个方面的第一耦合元件和第二耦合元件的示例。
图7B和7C是根据本技术的多个方面的第一和第二耦合元件的实施例的横截面视图。
图8A示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感组件。
图8B示出了根据本技术的多个方面的外部处理系统。
具体实施方式
人耳是高度专门化的器官，其包括三个主要部分，外耳，中耳，和内耳。在图1A的视图100中示出了外耳(耳郭(auricle)或耳廓(pinna))的示例。如图所示，外耳包括耳轮102，对耳轮104，耳垂106，耳甲108，耳屏110和到耳道的开口112。耳甲108包括被称为耳甲艇的上部区域114a；和被称为耳甲腔的与耳道相邻的下部区域114b。
图1B示出了另一视图150，其显示了部分剖面立体图以示出通向耳膜(鼓膜)154的耳道152的外部部分。外耳和耳道是由柔性软骨和皮肤形成的复杂三维结构。因此，当戴上帽子或头盔时，或者当躺下来翻身时，外耳的形状可以改变。例如，耳轮和对耳轮可能被折叠，耳垂可能被拉离或推向耳道开口，和/或耳屏可能被向内推向耳道。因此，有效的入耳式传感器系统需要是共形的(conformal)，例如具有顺应性3D形状，同时为机载传感器提供足够的接触点。
本技术提供了一种模块化耳部传感系统，该系统具有可释放地耦合到电子模块(例如，磁性耦合)的听筒模块。磁性耦合还可以在听筒模块和电子模块之间提供电连接，并在用户耳中使用期间实现听筒模块和电子模块之间的相对旋转和/或平移。当听筒模块和电子模块连接时，这种布置提供了多个自由度，其中在保持电连接的同时，一个能够相对于另一个旋转和/或滑动。电子模块可以快速断开与听筒模块的连接，例如通过将电子模块从听筒模块上拉开。
听筒模块包括顺应性壳体，该壳体被配置为在处于耳道中时获得检测到的生物信号。听筒模块可以具有沿壳体布置的一个或多个电极。例如，壳体可以包括泡沫，有机硅，或可以被压缩以插入耳道而后自动扩张以在多个点接触耳道的其他可变形材料。在佩戴期间，电子模块可以沿着耳甲布置。当不佩戴时，机载处理模块存储的数据可以被下载到远程非机载处理系统，例如通过微型USB连接或无线链接。
根据本技术的多个方面，一个或多个电极或其它传感器元件的位置位于沿着听筒模块的多个点，例如沿着听筒模块壳体的外表面。附加的传感器元件可以被设在电子模块内部或沿着电子模块。这种布置可用于PPG传感，其他生物特征识别，人机接口，或其组合。
仅作为示例，传感系统的实施例在EEG，脑磁图(MEG)或其它诊断情况下可以是有益的。例如，可以通过EEG或MEG检测到8-12Hz量级的α波。此外，也可以检测到较低频率的信号(例如，0.5-3Hz之间的δ波或3-8Hz之间的θ波)和/或较高频率的信号(例如，12-38Hz之间的β波或在38-42Hz之间γ波)。这些类型的信号中的一种或多种可以单独或与其他数据一起进行评估和分析，以提供有关佩戴者的信息(例如，生物标志物)。其他数据可以通过附加的入耳式传感器(例如，在同一听筒模块中或戴在另一只耳朵中的听筒模块中)或位于佩戴者上或附近其他地方的传感器获得。这些附加传感器可包括心率传感器，温度传感器，和/或检测皮肤电位，电阻，电导，导纳，或阻抗的电活动(EDA)传感器，例如皮肤电反应传感器。此外，还进一步的附加传感器包括脉搏血氧仪传感器，血糖仪，方向传感器，位置传感器和/或加速度计。所有这些传感器都可以以任何组合使用。可以评估生物标志物或其他信息，以帮助对精神或情绪状态以及日常生活活动进行分类。
示例结构
图2A-2G示出了根据本技术的多个方面的模块化耳部传感系统200。在一些实施例中，传感系统200包括听筒模块202和电子模块204，如图2A-B的立体图，图2C的侧视图，图2D的顶视图，图2E的底视图，图2F的前视图，和图2G的后视图中所示。听筒模块202具有壳体203，该壳体203具有第一端部206和相对的第二端部208。壳体203可以从第一端部206处的第一直径到第二端部208处的较大第二直径呈锥形，并且第一端部206可以是斜削的以便于插入用户的耳道。听筒模块202还可以包括第二端部208处的第一耦合元件210。在一些实施例中，第一耦合元件210是具有第一极性的金属板(例如，铁氧体板)或磁体。在一些实施例中，第一耦合元件210可以使用导电环氧树脂，硅橡胶，或其它适合的粘合剂连结到壳体203上。通常，希望将第一耦合元件210粘附到壳体203的材料是顺应性的，以缓解第一耦合元件210和壳体203之间的应力，从而实现结构的完整性和舒适性。
参见图2B和2F，听筒模块202的壳体203可以具有通孔212，该通孔212从第一端部206到第二端部208延伸壳体203的长度，限定在电子模块204到耳道之间提供声学路径的通路或通道。虽然示出一个通孔，但壳体203可以具有两个或多个通孔，例如由通过壳体203延伸的一个或多个加固管形成的分离的通孔。此外，通孔212可以仅延伸通过壳体203的一部分，例如从第一端部206延伸到短于第二端部208的末端的中间距离。
听筒模块202的壳体203的至少外部部分可以包括泡沫，有机硅，或可以被压缩或变形以插入耳道并可选地在插入后扩张到至少大体上符合耳道部分的多个点的形貌的其他顺应性材料。壳体203的外表面可以被涂覆有导电材料，例如导电聚合物，以形成一个或多个触点(电极)。或者，电极可以由嵌在壳体203的一个或多个区域内而不是仅嵌入壳体203的外表面上的批量导电材料制成。作为示例，导电聚合物可以包括用于导电的碳颗粒(例如，石墨烯)和硅成分。也可以采用其他类型的导电聚合物，例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)。
在这两个例子中，由导电材料形成的接触区可以被配置为使得听筒模块202关于耳道的解剖结构是方向无关的。这使得听筒模块202能够具有想要的与耳朵中的神经和/或血管结构的信号连接，而不受相对于耳道的特定旋转方向的限制。当打算佩戴传感系统200几小时，几天，或甚至更长时间时，这可以特别有益。
电子模块204可以使用不同硬度的软，半软，和硬材料的不同组合和/或层来装配，以便在使用期间提供舒适性和结构稳定性。例如，可以在沿电子模块外表面的不同位置处使用导电泡沫，有机硅，尼龙，和其他材料。在一种场景中，较硬的亚克力类材料可以被涂覆有较软的生物相容性材料，以提高长期佩戴的舒适度。在一个特定的示例中，有机硅是主要的生物相容性材料，其可以在亚克力基结构上被包覆成型。在另一种场景中，导电泡沫等可用于增强佩戴者的舒适度，同时还增强沿耳朵部分的电接触。此外，电子模块可以被着色，以便设备不显眼并与佩戴者的耳朵融为一体。
电子模块204还可以包括第二耦合元件211，该第二耦合元件211被配置为与听筒模块202的第一耦合元件210相接，以将电子模块204可释放地固定到听筒模块202上。第二耦合元件211可以是具有第二极性的金属板(例如，铁氧体板)或磁体。在一些实施例中，第一耦合元件210可以是金属板，且第二耦合元件211可以是被配置为被磁吸到板型第一耦合元件210的磁体。在一些实施例中，第二耦合元件211可以是金属板，且第一耦合元件210可以是被配置为被磁吸到板型第二耦合元件211的磁体。在一些实施例中，第一耦合元件210可以是具有第一极性的磁体，且第二耦合元件211可以是具有第二极性的磁体。
图3A示出了在壳体203上和/或被嵌入在壳体203内的电极布置的示例300。在一些实施例中，一系列环形导电环302位于壳体203的外表面上，并且沿壳体203的纵轴304在第一端部206与第二端部208之间间隔开。第一端部206可以对应于在佩戴期间将与外耳道的一部分相邻的一端，且第二端部208被配置为通过第一耦合元件210耦合到电子模块204(未示出)。虽然示出四个导电环302，但在其它示例中，听筒模块202可以包括更少(例如，1-3)或更多(例如，5-10)的导电环302。可以通过沉积或以其他方式将导电材料施加到壳体203的表面，或者通过将导电材料模制到壳体203中的凹陷来形成电极的接触区。或者，可以通过在壳体203上和/或在壳体203中形成一种或多种批量导电部件来创建触点。
导电环302的数量和间距可以变化。在一种场景中，只要环不相互短路并且能够获得不受邻近环的信号影响的可靠高质量信号，就可以提供尽可能多的环。仅作为示例，每个环的宽度312可以在约2-5mm之间并且环可以具有至少约2-5mm的间距314。在另一种场景中，环和/或其他导电元件具有更窄的宽度(例如，不超过1-2mm)和间距(例如，相距不超过1-2mm)，以确保足够数量的环与耳道的不同部分接触和/或提供最小的信噪比(例如，10dB，20dB，或更多或更少)。如果某些元件不提供所选择的质量的信号，则电子模块的机载处理系统或远程非机载处理系统可以丢弃从这些元件接收到的数据。
在其它示例中，任何或所有触点可以具有其它形状，只要触点包围壳体的全部或至少部分外表面或以其他方式提供足够的信号覆盖。图3B示出了另一示例320，其中一系列点或其它形状的导电材料322沿壳体203的外表面分布。图3C示出了具有导电材料的环302和导电材料的点322的组合的进一步示例340。这些和其他电极形状(例如蜿蜒的，之字形，弧形，半球形，半圆形，矩形，或其他几何形状)可以沿壳体纵向和/或径向分布，或以任何其他适合的布置分布。
这些电极配置可以提供与方向无关的入耳式传感器布置，其不需要听筒模块在耳道中具有特定的旋转方向。尽管如此，听筒模块可以包括一个或多个物理参考特征(例如，散列标记，箭头，点等)，以便佩戴者每次佩戴时可以更容易地将其放置在相同的时钟方向，这有助于传感信号的可重复性。无论具体配置如何，沿听筒模块壳体外表面的每个触点都与相应的电极连接器相关联，以向电子模块提供独立的传感信号。
作为示例，图4A示出了其中安装有柔性印刷电路(FPC)404的壳体203的部分透视视图400。如上所述，壳体203包括泡沫或其它顺应性材料(例如，可压缩和/或可变形材料)，其可被成形以插入耳道，然后自动扩张以在多个点处接触耳道。FPC 404包括电耦合到沿壳体203的外表面布置的相应触点/电极408的导电线406。在所示的一种场景中，导电线406在壳体203内延伸并从共同部分410分岔。
由电极408检测到的信号通过FPC 404传递到电子模块204进行分析或其它处理。这可以通过连接到第一耦合元件210的一个或多个触点412来完成。导电线的布置应最大限度减少与邻近的线的干扰(例如，交叉耦合)。关注的一些频率可以非常低(例如，低于50Hz)，从而最大限度地减少串扰。尽管如此，FPC 404中可以包括接地层，以便导电线充当传输线而不是无屏蔽的线。在一种场景中，可以只有一个电极。在这种例子中，导电线可以连接在第一耦合元件圆周周围的任何位置。在其他场景中，可以采用两个或多个电极。在这些例子中，第一耦合元件的不同区域可以被电隔离并被连接到相应的电极。例如，在第一耦合元件和第二耦合元件一侧上的类似柔性电路(可能带有弹簧针(pogo pin)，板簧，凸块等)之间可存在被压缩的薄的间隙柔性电路。柔性电路会被模式化为同心环或其他形状，每个形状与另一个柔性电路上的配对者对准。可能需要中心柱(post)/小块(nub)来提供第一和第二耦合元件之间的对准。机载信号处理器可以被配置为按顺序或以另一种模式对信号进行时钟控制，以得到不同电极的电连通。
图4B示出了壳体203和FPC 404的部分剖面端视图420。这个视图是来自在使用期间与外耳道的一部分相邻的一端。线406(以虚线示出)至少部分地延伸通过壳体203并终止于电极408。
图4C还示出了从第一端部206处的开口412延伸通过壳体203到第二端部208处的开口413(以虚线示出)的通孔212。通孔212提供从电子模块204到耳道的声学路径。为了实现这一点，壳体203的内部可以包括加固管444，其大体上沿纵轴延伸，以使声音穿过。通孔212可由加固管444的腔限定，其可以是大体上呈圆柱形并且完全或至少部分地延伸通过壳体203的长度。在一个示例中，加固管444可包括不可折叠的刚性或半刚性材料(例如，塑料)，其被插入壳体203或作为壳体203的一部分被装配。加固管444防止壳体203外部处的泡沫或其它顺应性材料的挤压或卷曲。这使佩戴者能够更有效地接收声能，而不会产生可觉察到的失真(例如，不会切掉或衰减超过10-15kHz的较高频率)或音量减小。虽然在该示例中仅示出一个通孔212和加固管444，但可以沿壳体203的长度使用多个通孔和/或加固管。
图5A示出了听筒模块202和电子模块204的分解视图500。由该视图可见，听筒模块202包括壳体203，该壳体203具有第一端部206，第二端部208，和在第二端部208处的第一耦合元件210。在一些实施例中，第一耦合元件210包括具有开口510的环形板，该开口510被配置为与听筒模块202的通孔212对准。在该示例中，电子模块204的第二耦合元件211包括具有开口511的环形磁体，该开口511与第一耦合元件210的开口510对准。电子模块204还可以包括电路板516，耦合到电路板516的电路部件518，第一壳体元件520，和第二壳体元件522。电路部件518可以包括，例如，扬声器，麦克风，电池，包括无线和/或有线连接的通信模块，一个或多个传感器(例如，PPG传感器，温度传感器，加速度计，EEG传感器等)，一个或多个指示器(例如，LED)，存储器设备，以及例如控制器，基于CPU或ASIC的处理器之类的机载处理器。作为示例，电路板516可以是双侧的多层的印刷电路板，且电路部件518可以被表面安装到板的两侧。
为清楚起见，图5B示出了省略了较大电路部件518和第一壳体元件520中的一个的侧视图。从该视图中可以看出，壳体203，第一耦合元件210(例如，金属板)，和第二耦合元件211(例如，环形磁体)沿纵轴524对准。从图5C的视图中可以看出，电路板516可以包括与纵轴524对准的开口526。在一个示例中，可在电路板516上绕开口526(图5B)安装扬声器518a(图5A)，使得扬声器面向听筒模块202并沿纵轴524对准。麦克风可以被表面安装到电路板516面向壳体203的一侧，以便它通过穿过壳体203的通孔直接接收声音。
图6A和6B示出了耳部传感系统200的一部分600的立体图和侧视图，为清楚起见，听筒模块202被省略。如图所示，第一耦合元件210被磁性连结到第二耦合元件211。在一个示例中，第二耦合元件211是环形磁体，例如钕磁体，其本身电连接到电路板516上的一对升高的焊盘(elevated pads)(未示出)，以完成听筒模块202的电极和电路板516之间的电路径。如上所述，第一耦合元件210的不同区域可以被电隔离并被连接到相应的电极，并且第一耦合元件210的这些区域可以与沿着第二耦合元件211的相应部分对准。在一个示例中，由环形磁体限定的第二耦合元件211可以用导电和顺应性粘合剂附接到电路板焊盘上，以避免在组装过程中由于回流温度可能超过磁性材料的居里温度而在电路板中损坏。
如图6A的立体图所示，扬声器518a被布置在电路板516的开口中，以便分别与第一和第二耦合元件210，211的开口510，511中心对准。在一些实施例中，数字微机电系统(MEMS)麦克风的位置可以位于沿着与扬声器开口526邻近的电路板516(图5B)。在这种例子中，MEMS麦克风可以被布置成将端口(port)向下引导通过第二耦合元件211进入由不可折叠刚性或半刚性材料形成的壳体203的声管。图6B的侧视图还示出了电池模块604被贴附在电路板516与第二耦合元件211相对的一侧。
在这些示例中，第一和第二耦合元件210，211均被示出为环形。图7示出了第一和第二耦合元件210，211并排。如图所示，第一耦合元件210的外径702可以比第二耦合元件211的外径704大。类似地，在该示例中，第一耦合元件210的内径706可以比第二耦合元件211的内径708大。在其它示例中，第一和第二耦合元件210，211的内径和/或外径可以不同。例如，第一耦合元件210的内径或外径可以比第二耦合元件211小。只要有足够的接触区来传递电信号而不会失真或超过一些阈值的削波(例如，5-10％的信号失真或削波)，或者错误率低于基线(例如，0.01％)，相对内径或外径就可以变化。
第一耦合元件210可以包括铁磁材料并且是导电的。在一个示例中，第一耦合元件210可以镀上或以其他方式涂覆导电材料(例如，金)。如上所述，第二耦合元件211可以包括钕，尽管可以采用其它磁性材料。像第一耦合元件210那样，第二耦合元件211是导电的，以便由听筒模块202的传感器获得的信号可以传递到电子模块204的处理系统。即使在第一耦合元件210相对于第二耦合元件211进行旋转或平移(例如如果沿耳甲重新设置电子模块204的位置)时，也应维持电连接。
在一种场景中，第一耦合元件210可以具有两侧平坦的垫圈型形状。在其它场景中，第一耦合元件210的一个或两个表面可以是弯曲的或具有一些其它形状。例如，参考图7B和7C，第一耦合元件210的面向磁体的一侧可以是圆的(图7B)或成角度的(图7C)，以与第二耦合元件211的相对的圆的(图7B)或成角度的(图7C)表面相配。在又一种场景中，可以用载有弹簧的压缩弹簧针将塑料层设在第一和第二耦合元件210，211之间，例如处于巴霍马型(bahoma-type)配置。在进一步的场景中，可以采用球形或半球形进行电/磁连接。作为示例，杯形接受器(receptacle)可以被布置在第一耦合元件210和/或第二耦合元件211上以接收相应的半球形投射。这可被用于提供上述方式的一条电路径，或多条电路径。
示例系统
随着听筒模块的一个或多个传感器和电子模块中的任何传感器采集传感器数据，该信息被存储并可被处理系统处理。然后可以将存储或处理后的数据下载到远程处理系统进行进一步评估和分析。
图8A示出了机载处理系统800的一个示例，且图8B示出了远程处理系统850的一个示例。在该示例中，来自听筒模块电极302，322，408(图3A-3C和4A-4B)的信号可由模拟前端(AFE)802接收，其与第二耦合元件电接触。AFE 802可以通过缓冲器804提供一个或多个信号缓冲，通过过滤器806进行过滤，通过放大器808进行信号放大，和/或通过模数转换器(ADC)810进行模数转换。
处理系统800还可以从电子模块的附加生物传感器812(例如测量温度，心率，EDA/皮肤电反应，血氧水平，葡萄糖水平，和/或其它生理参数的传感器)接收生物特征和其它信息。其它传感器可以包括一个或多个方向传感器814和加速度计616。来自这些其他传感器的一些或所有信息也可以由AFE 802处理。
处理系统800可以使用机载处理器模块818分析获得的数据，该机载处理器模块818包括一个或多个处理器820以及存储器822，该存储器822存储指令824和可由处理器820执行或使用的数据826。一个或多个处理器820可以是例如控制器或CPU。或者，一个或多个处理器820可以是专用设备，例如ASIC，FPGA，或其它基于硬件的设备。作为示例，设备可以是32位或64位RISC多核处理器模块。存储器822可以是能够存储由处理器以非暂时性方式(例如固态闪存等)访问的信息的任何类型。
指令824可以是由处理器直接(例如机器代码)或间接(例如脚本)执行的任何一组指令。例如，指令可以作为计算设备代码存储在非暂时性存储器中。在这方面，术语“指令”和“程序”可以在本文中互换使用。指令可以被存储为目标代码格式，以便处理器直接处理，也可以被存储为任何其他计算设备语言，包括按需解释或预先编译的独立源代码模块的脚本或集合。可以由一个或多个处理器根据指令824取得，存储，或修改数据826。作为示例，数据826可以包括在校准或评估电极响应特性时使用的启发式方法。
替代地，或者除了机载信号分析之外，处理系统可以将获得的数据传输到远程处理系统850。例如，这可以经由无线收发器828或有线链路830，例如微型USB或其它通信路径来完成。在前一种例子中，无线收发器828可以通过蓝牙，蓝牙低功耗(BluetoothTMLE)，近场通信(NFC)或一些其它无线通信方法与远程处理系统850通信。在前一种例子中，用于无线收发器的天线可以是被配置为在2.4GHz频段工作的单极天线，并且其位置可以位于沿着电子模块的内顶表面。在后一种例子中，柔性印刷电路，USB缆线，或其它有线连接可以用图2D的耦合件216进行，以便处理系统850能够接收和/或处理从听筒模块获得的生物信号和其它信息。
处理系统800还包括电池832来为系统的部件供电。还可以包括电池充电器834。电池充电器可以是非接触式的或插入外部电源来对电池充电，例如当微型USB缆线连接到远程处理系统850时。在一个示例中，单节锂聚合物电池(例如，大约45-90mAH)可以直接焊接到电路板上或可拆卸贴附在电池接受器上。可以通过位于电池保护板上的保护电路(未显示)保护电池以防过电压和电流以及过放电。
充电状态可以通过系统软件进行监测，例如其可以通过ADC引脚测量电池电压。在一种场景中，听筒模块的一些或所有部件可通过小型低压差(LDO)稳压器产生的3.3V电源驱动。其他部件(例如被安装在电路板上的PPG传感器芯片)也可以直接连接到电池，但在更高(或更低)的电压下工作。此类部件可具有它们自己的内部LDO稳压器。麦克风可直接由耦合到电池的通用I/O(GPIO)片上系统(SOC)单元供电。在这种场景中，系统能够进入仅几微安的空闲电源模式。锂聚合物电池可以通过线性充电器充电，例如当连接到远程处理系统或非机载充电器设备时。
在一个示例中，PPG传感器被配置为在反射模式下工作以测量脉冲速率。通常的机制是测量传感器内部LED产生的特定波长下组织和血液反射的光。例如，传感器可以控制三种内部LED强度(例如，绿色，红色，和IR)，并测量光电二极管中流动的电流。传感器可以按顺序排列LED照明和光电二极管测量结果，以表征每个LED被点亮时的反射光水平，以及不发光时的环境光水平。除了测量基本心率之外，还可以处理传感器信息以产生心率变异性(HRV)和血氧饱和度(SP02)，以及呼吸频率。在一种场景中，沿着电子模块安装PPG传感器，以便传感器的光学表面与佩戴者的皮肤直接接触。理想情况下，到达光电二极管的尽可能多的光穿过组织，并有机会通过脉冲血流进行强度调制。PPG子系统可以以每秒50-250个样本的速度工作。处理系统可以采用一系列信号处理技术(过滤器，相关器，FFT/DFT)从可能被运动伪影破坏的微弱PPG信号中提取有用信息。
其它生物传感器可以包括温度传感器，EEG传感器，和/或皮肤电反应传感器。在一个示例中，ADC 810能够检测温度，尽管其精度可能因自发热和与耳朵的间接接触而变化。在另一示例中，红外非接触式温度传感器可以沿纵轴524被瞄准，通过插入件。替代地，或者附加地，传感器测量电子模块内的温度，其可以与佩戴者的温度密切相关。
如上文参考图5A-5C的讨论，在一个示例中，扬声器836可以被并入系统800。扬声器836可操作地耦合到机载处理器模块818，以向耳道的内部部分提供声音。模块818可以致动扬声器836以补充(增强)穿过耳道的声音，或者产生不同的声音，例如可听见的提示(例如，音调，哔哔声，咔嗒声，啁啾声，白噪声等)以提供信息，给予通知，给予实验刺激，或给予佩戴者听觉反馈。扬声器能够在人类听觉的整个范围上或在更有限的范围上产生音频信号。替代地或附加地，可以采用一个或多个触觉致动器838来向佩戴者提供触觉反馈或其它物理感觉。
麦克风840的位置可以被设置为沿着电路板或被放置在电子模块内，以便它能够直接从加固管形成的声学路径接收音频信号。在一个示例中，麦克风能够输出大约500Kbps至1500Kbps的脉冲延迟调制(PDM)数据流。该数据流可以被采样并转换为大约10-20kHz的时间序列以进行内部处理。信号可以不以原始形式存储或传递；而是，可以对其进行处理以提取低频幅度包络(声压级)，该包络以大约10-30的非常低的样本/秒数据速率呈现。该模块的声压级可用动态范围可以在20dB/A至120dB/A之间，或更多或更少。
此外，一个或多个指示器842，例如LED，可以位于电路板上或电子模块内部或沿着电子模块。作为示例，一个LED可以用作用户指示器。当被安装在电路板上时，LED可以具有到电子模块的外壳表面的光管。另一个LED可被配置为当与远程非机载系统通信时进行光学同步参考。
处理系统800可以作为单片集成电路或作为一组离散的组件被并入或安装在电子模块204(图2A-2G)上。例如，机载处理系统可以被集成为安装在电路板516上的片上系统(SOC)模块(图5A-5B)。仅作为示例，AFE 802，传感器812，814，和816，电池832，电池充电器834，扬声器836，触觉致动器838，麦克风840，和/或指示器842不需要位于与机载处理器模块818在一起的位置。而是，各个部件可以被分布在或沿着电子模块204的壳体的不同部分。在一种场景中，电路板可以是中密度双侧SMT多层电路板516。安装在电路板任一侧的部件可以限制为1.0mm高或更低。在一种场景中，电路板本身是四层0.8mm厚的板。
根据本技术的一个方面，给定的听筒模块将使用机载处理从多种传感器收集数据与数据链路/存储元件相结合。然而，在其他场景中，听筒模块可主要收集传感器数据并非机载地将其传输以供处理。
图8B示意性地示出了远程处理系统850，包括收发器852，该收发器852被配置为与无线收发器828和有线链路830中的一个或两个通信。系统850还包括电源854，其可包括电池和/或用于插座等的连接。电源854能够对听筒模块的电池进行充电。从机载处理系统800接收的信息，无论是原始的还是未处理的，都从收发器852传递到非机载处理器模块856。
非机载处理器模块856被配置为以类似于上述描述的方式用一个或多个处理器858和存储器860分析所获得的数据，该存储器860存储可由处理器858执行或使用的指令862和数据864。一个或多个处理器858可以是例如控制器或CPU。或者，一个或多个处理器858可以是专用设备，例如DSP，ASIC，FPGA，或其它基于硬件的设备。存储器860可以是能够存储由处理器以非暂时性方式(例如固态闪存，硬盘，光学介质等)访问的信息的任何类型。非机载处理器模块856还可以包括用户界面子系统866，其可用于向佩戴者，技术人员，医生，或其它授权用户呈现关于处理后的数据的信息。
如上所述，希望模块化耳部传感系统被长时间佩戴。这可以提供可用于不同目的的丰富信息。例如，可以评估温度，包括两点之间的热交换和排热。温度可根据佩戴者是睡着，坐着，移动等而变化。可以测量不同类型的大脑活动，并将其与身体的在进行的其他情况进行比较。
在使用时，可以通过经由将第一耦合元件与第二耦合元件配合来将听筒模块磁连接到电子模块来组装传感系统。可以提供不同的听筒模块。在磁性耦合的例子中，听筒模块可以被快速改变，例如改变听筒模块的大小，改变电极配置，进行维修或清洁等。类似地，可以使用不同的电子模块，例如以改变为一组不同的传感器，为电池充电，或将数据下载到远程处理系统。
听筒模块的壳体的顺应性外部部分将被压缩并被深深插入耳道中，为电极提供宽且相对较大的接触表面。在一种场景中，当泡沫或其他顺应性材料扩张时可以将听筒模块保持在适当位置，然后电子模块可以附接到听筒模块(例如，通过磁吸)。电子模块204的主体上的偏置和参考导电电极贴片(例如，参见图2A-2C中的214)的位置可由佩戴者设置(例如，通过旋转和/或滑动磁性附接点)以完成电连接。不同的电子模块可以在听筒模块保留在耳道中时从一个换成另一个。在另一种场景中，听筒模块和电子模块可以在将听筒模块插入耳道之前耦合在一起。
以下被编号的条款进一步限定了根据本技术的模块化耳部传感系统的多种示例。被编号的条款可以限定上述特征的多种组合。
1.一种模块化耳部传感系统，包括：
听筒模块，该听筒模块具有壳体，第一耦合元件和至少一个电极，所述壳体包括被配置为至少部分插入耳道的第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，所述第一耦合元件被固定到所述壳体的所述第二端部，并且所述电极被布置为沿着所述第一端部和所述第二端部之间的所述壳体；和
电子模块，该电子模块在其第一侧具有第二耦合元件，所述第二耦合元件可释放地附接到所述第一耦合元件上；
其中所述第一耦合元件和所述第二耦合元件促成所述听筒模块与所述电子模块之间的电连接，以将电信号从所述电极传输到所述电子模块。
2.根据条款1所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件包括板，且所述第二耦合元件包括磁体。
3.根据条款1和2中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中：
所述板包括金属板，且所述磁体包括环形磁体；和
当被耦合在一起时，所述环形磁体和所述金属板使所述金属板相对于所述环形磁体能够进行旋转或平移中的至少一种，同时保持所述听筒模块和所述电子模块之间的电连接。
4.根据条款1-3中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块的所述壳体具有从所述第一端部到所述第二端部的通孔。
5.根据条款1-4中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块的所述通孔沿所述听筒模块的纵轴布置，并且所述第一耦合元件和所述第二耦合元件沿所述纵轴对准。
6.根据条款1-5中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括扬声器。
7.根据条款4-6中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块具有沿所述纵轴从所述第一端部延伸至所述第二端部的加固管，并且所述通孔通过所述加固管延伸。
8.根据条款4-6中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括通过所述听筒模块的所述通孔声学耦合到所述听筒模块的麦克风。
9.根据条款1-8中任意项所述的模块化耳部传感系统，其特征在于，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件均为环形。
10.根据条款9所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的外径比所述第二耦合元件的外径大。
11.根据条款10所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的内径比所述第二耦合元件的内径大。
12.根据条款1-11中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件与所述电极电耦合且所述第二耦合元件与所述电子模块的电子部件电耦合，并且电信号通过所述第一耦合元件和所述第二耦合元件从所述电极传输到所述电子模块。
13.根据条款1-12中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件包括铁磁材料并被涂覆有导电材料。
14.根据条款1-13中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述第二耦合元件包括钕。
15.根据条款1-14中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件是垫圈形的，具有永久固定在所述壳体的所述第二端部的第一侧。
16.根据条款1-15中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的第二侧被弯曲以与所述第二耦合元件的接触表面相配。
17.根据条款1-16中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括可操作地耦合到所述第二耦合元件的处理器模块，以接收所述电信号并执行接收到的电信号的机载处理或将接收到的电信号传输到远程处理系统。
18.根据条款1-17中任意项所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块还包括一个或多个附加传感器，包括生物传感器，方向传感器，或加速度计中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的模块化耳部传感系统，其中所述一个或多个附加传感器包括温度传感器。
20.根据条款1-19中任意项所述的模块化耳部传感系统，还包括被压缩在所述第一耦合元件和所述第二耦合元件之间的一对间隙柔性电路，所述一对间隙柔性电路被配置为将所述电信号从所述第一耦合元件传递到所述第二耦合元件。
21.一种传感器系统组件，被配置为检测和处理佩戴者的生物信号，所述传感器系统包括：
根据条款1-20中任意项所述的模块化耳部传感系统；和
远程处理系统，该远程处理系统包括被配置为与所述处理器模块的收发器通信的收发器，以及被配置为处理从所述处理器模块接收的所述生物信号的一个或多个处理器。
22.一种听筒套件，包括：
根据条款1-20中任意项的多个听筒模块，所述多个听筒模块中的每一个具有所述至少一个电极的不同壳体大小或不同配置中的至少一个；以及
根据条款1-20中任意项所述的至少一个电子模块。
23.根据条款22所述的听筒套件，其中所述电子模块限定第一电子模块，并且所述套件还包括第二电子模块，该第二电子模块的传感器部件的布置与第一电子模块不同。
除非另有说明，上述替代示例并不相互排斥，但可以以多种组合实现，以获得独特的优势。由于可以在不脱离权利要求所定义的主题的情况下利用上述特征的这些和其他变化及组合，因此实施例的前述描述应当通过说明而不是通过限制权利要求所定义的主题来进行。此外，本文所描述的示例的规定，以及措辞为“例如”，“包括”等的分句，不应被解释为将权利要求的主题限定于具体示例；而是，这些示例旨在说明许多可能的实施例中的一个。此外，不同附图中的相同参考标记可以标识相同或类似的元件。除非本文另有明确说明，可以以不同的顺序或同时执行过程或其他操作。
Claims (23)
1.一种模块化耳部传感系统，包括：
听筒模块，该听筒模块具有壳体，第一耦合元件和至少一个电极，所述壳体包括被配置为至少部分插入耳道的第一端部和与所述第一端部相对的第二端部，所述第一耦合元件被固定到所述壳体的所述第二端部，并且所述电极被布置为沿着所述第一端部和所述第二端部之间的所述壳体；和
电子模块，该电子模块在其第一侧具有第二耦合元件，所述第二耦合元件可释放地附接到所述第一耦合元件上；
其中所述第一耦合元件和所述第二耦合元件促成所述听筒模块与所述电子模块之间的电连接，以将电信号从所述电极传输到所述电子模块。
2.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件包括板，且所述第二耦合元件包括磁体。
3.根据权利要求2所述的模块化耳部传感系统，其中：
所述板包括金属板，且所述磁体包括环形磁体；和
当被耦合在一起时，所述环形磁体和所述金属板使所述金属板相对于所述环形磁体能够进行旋转或平移中的至少一种，同时保持所述听筒模块和所述电子模块之间的电连接。
4.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块的所述壳体具有从所述第一端部到所述第二端部的通孔。
5.根据权利要求4所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块的所述通孔沿所述听筒模块的纵轴布置，并且所述第一耦合元件和所述第二耦合元件沿所述纵轴对准。
6.根据权利要求5所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括扬声器。
7.根据权利要求4所述的模块化耳部传感系统，其中所述听筒模块具有沿所述纵轴从所述第一端部延伸至所述第二端部的加固管，并且所述通孔通过所述加固管延伸。
8.根据权利要求4所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括通过所述听筒模块的所述通孔声学耦合到所述听筒模块的麦克风。
9.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其特征在于，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件均为环形。
10.根据权利要求9所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的外径比所述第二耦合元件的外径大。
11.根据权利要求10所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的内径比所述第二耦合元件的内径大。
12.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件与所述电极电耦合且所述第二耦合元件与所述电子模块的电子部件电耦合，并且电信号通过所述第一耦合元件和所述第二耦合元件从所述电极传输到所述电子模块。
13.根据权利要求12所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件包括铁磁材料并被涂覆有导电材料。
14.根据权利要求13所述的模块化耳部传感系统，其中所述第二耦合元件包括钕。
15.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件是垫圈形的，具有永久固定在所述壳体的所述第二端部的第一侧。
16.根据权利要求15所述的模块化耳部传感系统，其中所述第一耦合元件的第二侧被弯曲以与所述第二耦合元件的接触表面相配。
17.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块包括可操作地耦合到所述第二耦合元件的处理器模块，以接收所述电信号并执行接收到的电信号的机载处理或将接收到的电信号传输到远程处理系统。
18.根据权利要求17所述的模块化耳部传感系统，其中所述电子模块还包括一个或多个附加传感器，包括生物传感器，方向传感器，或加速度计中的至少一种。
19.根据权利要求18所述的模块化耳部传感系统，其中所述一个或多个附加传感器包括温度传感器。
20.根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统，还包括被压缩在所述第一耦合元件和所述第二耦合元件之间的一对间隙柔性电路，所述一对间隙柔性电路被配置为将所述电信号从所述第一耦合元件传递到所述第二耦合元件。
21.一种传感器系统组件，被配置为检测和处理佩戴者的生物信号，所述传感器系统包括：
根据权利要求1所述的模块化耳部传感系统；和
远程处理系统，该远程处理系统包括被配置为与所述处理器模块的收发器通信的收发器，以及被配置为处理从所述处理器模块接收的所述生物信号的一个或多个处理器。
22.一种听筒套件，包括：
根据权利要求1的多个听筒模块，所述多个听筒模块中的每一个具有所述至少一个电极的不同壳体大小或不同配置中的至少一个；以及
根据权利要求1所述的至少一个电子模块。
23.根据权利要求22所述的听筒套件，其中所述电子模块限定第一电子模块，并且所述套件还包括第二电子模块，该第二电子模块的传感器部件的布置与第一电子模块不同。
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