包括腭部测试器和鼻部测试器的装置 相关申请的对照参考
本申请要求了申请日为2000年9月19日的美国临时申请No.60/233,770的益处，因此，在本申请中可结合使用该申请的全文，其包括但不应局限于在后文中特地出现的内容。
(联邦政府资助的研究或开发不适用。)
【发明背景】
1.发明领域
本发明通常涉及用于语音障碍的诊断和医治以及新语言的发声学习的装置，特别但不是完全涉及用于确定舌头的位置以及确定人说话时的鼻音的装置。
2.相关技术的描述
在19世纪精确测量技术和方法地产生在科学上打开了通向可再重复性观察和精确说明理论的道路。但是，舌头位置及运动的精确测量发展较慢，其原因在于：舌头的运动隐藏于口腔内且发生在潮湿、受化学作用的环境内。语言学家通过个人印象来推断形成声音时发生的情况。根据这些推断，他们识别、编制、表征、描述并区分声音及其不清晰度。听觉灵敏度、背景噪音、培训及经历，以及感觉偏差均会直接影响这些判断。
在十九世纪后期，科学家们发现通过在腭部涂抹粉末或其它材料，并使人说话，随后草拟和拍摄在发声期间舌头从腭部擦除所述材料的位置，能够部分克服用以证实语音原理的能力受到限制。但是，该“腭部图示”技术仅局限于单一语言的观测。发出第二种声音则会破坏擦除图形。动态语音仍保留物理上的不可测知性。
在20世纪20年代中期，发明了声谱仪。这种仪器能够将语音信号转换成时间×频率和强度的声音显示。显示声音图谱的能力在语音观测中实现了生理学至声学的转换。将语音清晰度、语音定时、不动关节(coarticulation)及其它语音实体转换成这一声学的、适于听众的模式。但是，声音输出仅能推断嘴中可能产生情况的实际情况激起了人们不断关注。因此，越发认识到对于有关实际发音位置、细腔(finecavity)结构和三维运动模型的信息的需求对于语音学的理论和实践来说是必不可少的。
20世纪50年代和60年代对语音产生的动态瞬时性和空间品质的方式进行了认真的研究。X射线，特别是射线电影摄影给出了解决办法。但是，这些数据分析伴随了许多设计问题，这些问题涉及难以进行关键性结构组织的选择，慢而费力的手动跟踪，由声音细节模糊的记录照相机产生的噪音，如果不采用不透射线的物质确定舌头和其它软组织的边缘则会遮挡舌头和其它软组织的骨结构，且最主要的是，有害辐射严重限制了X射线的使用。引入计算机化X射线微光束系统以通过跟踪固定在发音构件上的铅片来减少辐射。虽然采用了非常复杂和昂贵的仪器的技术能够减少辐射，但却限制了对能够被同步跟踪的点的观测。
在20世纪80年代，磁共振成像(MRI)将磁场、人体截面原理用于语音研究。MRI的主要限制在于目标必须处于仰卧位置，因此将测量限制在每秒仅能获得几个采样，且软组织的分辨率不良。这些因素中的每一种因素均有损于其在动态语音观察中的应用。
利用电子技术在20世纪60年代重新引入腭动描记器来克服早期单声音观察中的限制。俄国的Kusmin(Kusmin，Y1(1962)Mobilepalatograpky as a tool for acoustic study of speech sounds.第四届国际声学理事会，哥本哈根。报告G35)利用成对的电极来探测舌腭的接触。必须同步接触其电极对的两个元件以形成电路。其它几个研究人员也采用了这一方案。Kydd和Belt(Kydd，W，Belt，DA(1964)，Continuous palatography.Journal of Speech and HearingDisorders.29：489-492)在他们研制的系统中，将舌头作为正极且在一个假腭体上具有12个接触传感电极。这两个系统均伴随有严重的信号探测和传感器之间产生唾液短路的问题。
在1969年，Flecher，Berry以及Greer(参见Fletcher等人的美国专利No.4,112,596，其授权日为1978年9月12)介绍了一种AC信号的使用，该信号用于发射流至舌头的人体电流。当舌头触到设置在口中的假腭上的传感器时，不会感觉到的电流经舌头持续流到传感器。存在于这一过程中较强电流实际上消除了唾液短路，并且显著地增大了传感器采样点的势密度(potential density)。因此，口内接触位置、面积和轮廓的精确定义是可行的并可由其它研究人员采用。目前，以电腭测量形式可以获得这样的独特性能，即识别和跟踪发音的方位和运动并在快速、复杂的发音顺序期间发生临界发音情况时，在准确的位置和瞬间提供关于动态动作图形的详细信息。
鼻部测试器是腭部测试器之后的语音纠正和新语言发声学习的第二个主要部分。自从在20世纪60年代由Fletcher及其助手作出鼻部测试器的发明以来，鼻部测试器已成为世界上用于选取和改善异常鼻音共振的最常用仪器(参见Fletcher的美国专利No.3,752,929，其申请日为1973年8月14日)。它可以探测、测量和比较在讲话期间由鼻腔和口腔发出的声音。将所述测量显示为在可选择的带宽内计算所得的“鼻音(nasalance)”声音强度比。“鼻记录(Nasogram)”图表用于鼻音异常情况的不同诊断，所述鼻音异常情况是由如腭裂这样的先天性障碍、如重症肌无力这样的蔓延性疾病以及破坏用以分离口腔发音和鼻音共振的能力的事故产生的。也可将这些测量用以指导行为、手术和/或修复术的插入并评定改进的量和型式。
在原始的鼻部测试器中，贴靠在嘴唇上以分离嘴和鼻子发出的声音的板具有一个“一种形状适合所有情况”的曲率。如果不被阻止，声音就会从麦克风声道之间泄漏并损害所得到的鼻音数。由于在我们改进的鼻部测试器中，通过使用由超过200名不同年龄段和种族的成年人和儿童所得出的面部曲率数据解决了这一问题。由这些数据开发得出的一组可互换的声音隔板有效地横跨人的面部曲率范围并使内置麦克风的声音分隔效果达到最佳。
我们的发明，即鼻部测试器能够开发与新测量技术和程序相结合的优良的舌头控制和操纵的人体全部潜能。我们已设计出了使腭部测定法与其它新型仪器设备结合的装置，所述新型仪器设备使确定语音正常状态标准以及诊断和纠正语音异常性的能力达到最佳。另外，我们还在舌头驱动的外部装置控制中，引入了用于在舌头灵活性测试中使用鼻部测试器并加强能动性的装置和技术。
尽管现有技术的装置具有许多优点，但是本发明仍提供了在此处所述的许多改进。
本发明的概述和目的
本发明的一个目的在于提供一种包括腭部测试器和鼻部测试器的装置，该装置能够使确定语音正常状态标准以及诊断和纠正语音异常性的能力达到最佳。
本发明的另一个目的在于提供一种包括腭部测试器和鼻部测试器的装置，该装置适用于语音障碍的诊断和处理以及新语音发音的学习，该装置结构和制作均较简单。
本发明的另一个目的在于提供一种按恰当要求制成的包括腭部测试器和鼻部测试器的装置。
本发明的另一个目的在于提供一种包括腭部测试器和鼻部测试器的装置，该装置能够对具有不同面部曲率的人提供可靠的测试结果。
本发明的另一个目的在于提供一种包括腭部测试器和鼻部测试器的装置，该装置能够被容易地定位以提供一致的测量结果。
在一种包括腭部测试器和鼻部测试器的装置的特定说明性实施例中将能了解上述目的以及其它未特别提到的目的。腭部测试器包括一个带有电极的柔性印刷电路，其用于检测位于恰当方位处的舌头的位置。鼻部测试器包括一组可互换的声音隔板。将麦克风固定在声音隔板上以允许进行一致的定位和测量。
在下面的说明书中说明本发明其它的目的和优点，由说明书可了解其中的一部分目的和优点，或可通过无需不适当试验的本发明的实施会得知这些目的和优点。通过在附加的权利要求中特别指出的装置及装置的结合可获得本发明的目的和优点。
附图的简要说明
由以下结合附图所给出的详细说明将能够清楚地了解本发明的上述和其它目的、特点和优点，其中：
图1为透视图，其说明了根据本发明原理制得的、在使用中的包括腭部测试器和鼻部测试器的系统；
图2A为根据本发明原理制得的腭部测试器中腭体的分解图；
图2B为图2A中腭体的装配图；
图3为根据本发明原理制得的鼻部测试器的示意图；
图4为图2A中腭体的柔性印刷电路的平面图；
图5为横剖面图，其显示了图2A和2B中腭体的一个可选择性实施例，该腭体的形式为一整体腭体；
图6为ANS-P平面的示意图；
图7A为一块声音隔板的平面图；
图7B为图7A中声音隔板的一个可选择性实施例的平面图；
图7C为图7A中声音隔板的另一可选择性实施例的平面图；
图8为电路结构的几种可能方案中一种方案的示意图，其用于实现本发明的腭部测试器；
图9为电路结构的几种可能方案中一种方案的示意图，其用于实现本发明的鼻部测试器；
图10为腭体中柔性印刷电路的一种可选择性方案的平面图，其显示了从前部伸出的导线；
图11为图4中一部分柔性印刷电路的放大视图，其显示了一些连接至电极上的导体；
图12为本发明中信号处理和显示装置的一个实施例的透视图，该装置具有一个多窗口屏幕。
发明的详细描述
为了促进对本发明原理的理解，对附图给出的实施例进行说明，且利用特定的术语对其进行说明。尽管如此，应理解其不应构成对本发明保护范围的限制。对于本领域技术人员来说是常见的且在本申请所披露内容范围内的、对本申请给出的发明特征的任意改变或进一步改进，以及对本申请给出的本发明原理的任意其它应用均应被认为落入本发明权利要求的保护范围内。
为了更好地理解本发明，参见附图，图1给出了录音测试器1的透视图，录音测试器(fonometer)1包括一个腭部测试器10以及鼻部测试器20。最好将腭部测试器10和鼻部测试器20电连接至适当的信号处理和显示设备16上，以共同作为一个录音测试器工作，从而使确定语音正常状态标准以及诊断和纠正语音异常性的能力达到最佳。腭部测试器10通常包括一个容纳在图1中佩戴者口内的腭体，以及处理和显示设备16。
图2A显示了腭部测试器10中腭体或假腭40的第一个实施例，其包括一块基板11和一个柔性印刷电路12。如图2B中能非常清楚地看到的那样，基板11和柔性印刷电路12装配在一起以形成腭体40。柔性印刷电路12包括一个舌音表面13，该舌音表面含有彼此间隔距离相等的电极14以形成一系列垂直的行和列。电极之间的间距范围最好为3.0毫米-3.5毫米，但是，如果需要，也可以采用其它均匀的电极间距，以及不均匀的电极间距。可以将含有电连接至电极14的导体56的导线15固定在适当的信号处理和显示设备16上。如图11所示，导体56从电极14背离柔性印刷电路12的边缘、朝柔性印刷电路12的底部中心部分58延伸，从而允许在不破坏电路的情况下，修整柔性印刷电路的边缘达到应有的尺寸。
通过加工机械使电极14和导体56设置在柔性印刷电路12上，因此与手工安装电极和导体的现有技术的方法相比，其能够准确、快速地安装电极14和导体56。如图4所示，柔性印刷电路12在安装以前是平的且包括三个相互耦合的凸起17、17a。相互耦合的凸起17、17a具有允许在每一凸起上设置多个电极的大致相等的表面面积。每一凸起17、17a的面积均大于柔性印刷电路12整个面积的大约25％，所述柔性印刷电路12的整个面积是由电极14覆盖的且被定义为整个电极覆盖面积。经较细的侧面接线将凸起17、17a相互连接至柔性印刷电路，且以允许对柔性印刷电路进行适当模制的独特的形状侧部间隙18分隔凸起17、17a。侧部间隙18充分伸入柔性印刷电路12内，以在不起皱的情况下，使柔性印刷电路形成凹入结构。将一空间独立的中央凸起17a经一颈状部分34连接至柔性印刷电路。颈状部分34的宽度小于其长度。颈状部分34的宽度也应小于中央凸起17a的平均宽度和长度。柔性印刷电路12的独特蝴蝶形状能够使柔性印刷电路与基板11的下表面42的形状(通常是人的上腭形状)相一致，并允许电极的理想设置。柔性印刷电路12所有的尺寸和形状可与上腭几乎一致，而对于较小的上腭，能够使凸起17、17a弯曲靠在一起。而对于较大的上腭，则可保持凸起17、17a进一步分离。
在覆盖门牙内外表面的柔性印刷电路上设有一个唇状传感器19。其能够实现对下唇运动的检测以及对舌头和对应于牙齿某些部分的唇状传感器19之间的舌头-牙齿接触的检测。
首先利用已知牙科技术获得的使用者下颚的压模制造第一实施例的腭体。为标准的牙齿加热成型工艺准备压模或由压痕制成的石料模具，由此形成初级基板11。随后，将基板11切制出应有的尺寸且使其为接收柔性印刷电路12作好准备。利用合适的粘合剂，如氰基丙稀酸盐粘合剂或其它适合的粘合剂将柔性印刷电路12固定在基板11上。由于柔性印刷电路12被固定在基板11上，因此，使柔性印刷电路12从它最初的扁平结构产生变形以使其与基板11的下表面42的形状相一致，如图2B所示。随后，对使用者装配用于最后调节的腭部测试器的腭体40。
以几种标准的尺寸将柔性印刷电路12制成一种薄而扁平的、可大批生产的装置。腭体40在口中的舒适性、保持能力以及固有结构是通过利用一种软塑性材料制成基板11实现的，所述软塑性材料可经加热形成与使用者齿系-上腭的拱形形状相一致并与柔性印刷电路12结合，以制造出厚度最好小于0.5mm的腭体40。当将柔性印刷电路12固定至基板11上并将其压入使用者的上腭拱形压模时，它的形状非常符合使用者口腔结构的固有表面和构形。较理想的是，电极栅图形延伸至最远的磨牙后部，中央凸起17a的顶部侧沿门牙的下表面延伸，凸起17的侧部沿牙龈线延伸。同样，柔性印刷电路12的结构最好不覆盖牙齿，且无需确保防止线路免受磨牙造成的损坏。腭体40和柔性印刷电路12由能承受口腔的环境、清洁以及长时间电压作用的材料制成。另外，这些原料不应对使用者产生不利的影响。
柔性印刷电路12结构的设计应保证模制工艺以预定的间隔距离将其传感器插入一个标准的x-y栅格。这样便加强了其在语音接触测量中的应用。最好至少110个感应器延伸通过舌音表面13。当将腭体40模制在应有的位置处时，感应器区域的外边界50向下延伸至牙齿的内表面。如从舌头向上看到的那样，使牙齿位于视频显示器内，以便根据传感器的位置能够准确地确定它们的位置。这样便能够在初学者密切关注在形成声音所发生的情况时，使牙齿起到自然的定位标记的作用。除下唇传感器以外的最前部电极均是语音传感器52。语音传感器52最好位于距离基板11的门牙边缘大约2mm处，这是一个对应于佩戴者门牙的咀嚼边缘的位置，以便确保柔性印刷电路12在基板11上的位置能够以在显示设备16上被显示的方式使电极14处于与佩戴者嘴和牙齿相关的位置处。当以此方式定位时，舌音触点在显示监视器上的显示在数量上对应于实际舌头与电极的接触。可以使用电路结构的几种可能方案来实现本发明的腭部测试器10，在图8中显示了其中的一种。
在图12中显示了信号处理和显示装置16的最佳实施例。最好使显示形成在分画面显示屏64中，以便同时显示两个图像。在接触前，电极14最好在监视器被显示成栅格阵列内的小黑点66。黑点66位于屏幕上，以致能根据牙齿和上腭的结构准确地描述出它们的位置。如观察者从舌头向上看到的那样，显示牙齿界标70。因此，牙齿界标70起到自然定位界标的作用，以有助于观察者关注在模拟及发出不同声音时发音动作在口中发生的方式、时间和位置。最好将点66的图像放大并使其颜色变为蓝色以显示出68所示的传感器触点。每一个放大的点68均表示与一相应电极14的接触，从而实现接触的边界、范围和面积的量化。
在图5中给出了以44所示的上腭体的第二实施例。上腭体44的第二实施例与第一实施例40相似，其不同之处在于：上腭体40a是一个整体件。不使用独立的柔性印刷电路，相反，利用机器直接使电极14和导体56设置在低温热塑性基板11。与第一个实施例相似，牙齿实验室采用的是使用者的石料压模。随后，在石料压模上热成型基板11以形成上腭体。随后，将上腭体44切成应有的大小，从而使其适于使用者。
下面，参照图10说明柔性印刷电路中一种可选择的方案。如前面所描述的那样，此处所说明的本发明的最佳实施例仅用于说明本发明可能采用的方案，其中包括图10所示的内容。
应理解，图10中所示的柔性印刷电路的可选择性实施例包括多种与图2A、图2B和图4中所示相同的结构，下面仅对新的或不同的结构进行说明以非常简要地说明图10中所示实施例所带来的其它优点。柔性印刷电路12的可选择性实施例包括从中央凸起17a前部伸出的导线15a。导线15a具有用于将柔性印刷电路12连接至处理和显示设备16的插头62。由于导线直接从柔性印刷电路前面伸出来而不是从后部环绕的，因此，导线15a的结构具有更高的空间效率。这种结构允许辅助电极沿柔性印刷电路后部的设置且不会对使用者造成侵害。由于导线15a不会碰撞允许使用者更易说话的嘴角，因此，导线15a并不会产生太多的不便。
同样，在图10的实施例中给出了触点54，这些触点用于提供通向地面的恒定电路。可以将触点54设置在接片60上，最好将所述接片60插入上腭体40的狭槽中。随后，折叠接片60使其与上腭体40齐平，以便使触点54位于上腭体40中与电极14相反的一侧。
在使用中，将上腭体40或44装于说话者的口中，导线15从口中伸出并固定至处理和显示设备16上。使电极14具有特殊的结构、位置、间隔和形状以便舌头和嘴唇能够接触电极14，或如果患者正常说话，应当使舌头和嘴唇接触电极14。在美国专利NO.3,752,929中描述的早期系统中，经固定至患者身体上的电极对舌头提供持续的电流。当舌头触及一个或多个假腭电极时，形成电路。在此处所描述的电流系统中，最好以200Hz的间隔、经上腭体40上的电极14使电流产生脉冲。限制作用在每一电极上的电流以保护使用者。随后，在电流在舌头接触电极14的条件下流过舌头时，使电路延伸至地面。每一个上腭体优选具有4个触点54，这些触点用于对地面提供稳定的电路。因此，目前的结构能够使腭部测试器10能够探测到舌头以所接触的基板14为基准的比较准确的位置。在本发明保护范围内可以使用任何适当的响应接地电流的探测方式，这些方式对于本领域技术人员来说是已知的。由于唾液与舌头之间的电阻差异，因而，任何通过唾液产生的电极之间的短路均被读取为较高的电压。因此，用一种物质，最好是蜡涂覆上腭体40，以阻止唾液汇集在其表面上。
当病人或者或新的语言发音学习者发出或试图发出特定的声音或语句时，在显示屏上反映出取决于舌头与电极14接触的语言模式。为了纠正的目的，该显示器可以向病人或者临床医师进行显示。
图3显示了鼻部测试器20，其包括一块声音隔板21，麦克风22、23以及处理和显示装置16，该处理和显示装置用于处理由信号装置产生的电信号以提供显示。通过一个壳体保持麦克风22和23打开而不是关闭以便防止共振混杂。
利用一个带状装置24将声音隔板固定在适当的位置处。带状装置24具有一个水平带25，其包括用于将所述带状装置固定至一个人身上的装置26，如VELCRO钩和环状紧固件。利用顶部调节带27调节带状装置24高度。一条定位带28将声音隔板21连接至水平带25和顶部调节带27上。上部调节钮29和下部调节钮30允许声音隔板21在带状装置24上的调节。定位带28还包括一个用于将声音隔板21连接至带状装置24上的卡件31或其它合适的装置。
通过顶部麦克风22接收由使用者鼻子发出的声音，而通过底部麦克风23接收由使用者嘴发出的声音。可以利用由使用者产生的声音的显示来确定使用者语音的鼻音。可以利用电路结构的几种可能方案实现本发明的鼻部测试器，在图9中显示了几种方案中的一种。
声音隔板21以及麦克风22和23的位置会影响鼻音的测量，在这种情况下，如果将麦克风设置在相对于鼻子和嘴的不同位置处，则能够获得不同的测量结果。因此，应将麦克风22和23固定至声音隔板21上，以便使麦克风相对于声音隔板21的位置保持恒定。可以将麦克风22和23牢固地固定在声音隔板21上或可拆卸地将其固定在声音隔板21上，以便在切换具有不同形状的声音隔板时，能够使用相同的麦克风。
图7a-7c显示了三种不同的隔板21a、21b、21c，这些隔板具有一定范围的曲率以与位于使用者上嘴唇后的前上颌骨的水平形状相一致。隔板是可互换的并且通过将它们卡装在带状装置24上能够使它们可拆卸地固定至鼻部测试器上，以便鼻部测试器更贴切地适合使用者脸部特殊的曲率。
在经我们改进的鼻部测试器20中克服的第二个问题涉及在麦克风22和23之间定位声音隔板21。过去，使声音隔板21贴靠说话者上嘴唇的中心处且使该声音隔板21转动至与人脸平面垂直的位置处。一些定位错误可造成因定位差异而导致的鼻音数的变化。这种现象是难以避免的，其原因在于：人脸部的前部具有曲线且经常因人与人之间、种族与种族之间发生显著的变化。其产生的结果是应设定新的基准平面，如图6所示，该平面从位于鼻子底部的上颌骨的鼻前棘(ANS)32延伸至位于外耳道中心的人体测量点、部位、(P)33处。为了将声音隔板21带至这一平面，操作者仅需使声音隔板21的曲线边缘靠在说话者上嘴唇的中央，然后使其转动以平行于标准的直线式ANS-P基准平面。对比由这一高重复性工序产生的数据和由脸平面基准点产生的数据表明：通过使用所述新的平面，可大大提高测量的有效性和可靠性。这些改进表明了鼻咽技术中的一个主要进步性步骤。
作为一种可选择的方法，可以使说话者的头部垂直定位，以便两个外耳门上缘中点(porion)33处于理想的位置处，最好在同一水平解剖平面上。然后，操作者从一个外耳门上缘中点33划出ANS-P线并调整声音隔板21使其与ANS-P线平行。
应理解，此处所披露的结构和装置仅仅是用于实现某些功能的例子，且应理解，任何用于实现与此处所披露功能相同或等效的功能的结构、装置或系统均应用于实现所述功能的措施的范围内，它们包括那些用于实现目前已知的或将来存在的功能的结构、装置或系统。
应理解，上述结构仅是本发明原理的应用说明。在不脱离本发明思想和范围的情况下，本领域技术人员可设计出各种改进和可供选择的结构，附加的权利要求用于覆盖这些改进和结构。因此，虽然结合目前被认定为本发明最有效及最佳的实施例、在附图和以上特别详细说明的内容中已描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不脱离本申请所限定的原理及概念的情况下，可在尺寸、材料、形状、形式、功能、操作方式、装配上作出多种改进。