(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
舌用触覚刺激アレイであって：
口腔内に受け入れられ、且つ固定できるサイズに為された口内用部材；
該口内用部材が口腔内に受け入れられたときに、舌と接触すべく、該口内用部材の下面のアレイ領域に配置された導体の電極アレイ；
空間的に符号化された信号を受け取るための入力部；
前記入力部と前記電極アレイの導体と通信し、かつ、前記電極アレイの少なくとも一つの導体を刺激導体として選択的接続を形成し、該刺激導体に接地を基準とした電圧の刺激電気信号を加え、前記電極アレイの導体のうちの刺激導体以外の導体の少なくとも一つを接地導体として該接地導体を前記接地に接続して刺激導体外側に実質的に全アレイ領域一面に広がっている接地面を供給した励起回路
を含んでなる触覚刺激アレイ。
【請求項２】
前記電極アレイの導体が、第二の導体が露出されている孔を有してなる導電性シートを含み、且つ該励起回路が該導電性シートを接地導体として接地に接続し、第二の導体のうちの少なくとも１つを刺激導体として刺激電気信号に接続していることを特徴とする、請求項１の舌用触覚刺激アレイ。
【請求項３】
前記電極アレイの導体が、導電性エレメントのアレイを含み、且つ該励起回路が導電性エレメントのうちの少なくとも１つを刺激導体として刺激電気信号に接続し、導電性エレメントの残部を接地面として接地に接続していることを特徴とする、請求項１の舌用触覚刺激アレイ。
【請求項４】
該励起回路が、極を択一的に刺激電気信号もしくは接地に接続している多数の固体状スイッチを含み、且つ各刺激導体が様々な固体状スイッチに接続されていることを特徴とする、請求項１の舌用触覚刺激アレイ。
【請求項５】
該刺激電気信号が所定の電流値であることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項６】
該刺激電気信号が所定の電圧値であることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項７】
該刺激電気信号が、パルス高、パルス幅、パルス間の間隔、バーストのパルス数、バースト間の間隔からなる群から選択される可変特性を有するパルス性の電気信号であることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項８】
該空間的に符号化された信号が、定められた位置と大きさを有する複数のデータポイントを含んでおり、そして、該励起回路が対応する位置を有する刺激導体に、パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス周波数構成部分からなる群から選択される範囲及び数値としてそのデータポイントの大きさを有する関数に従った刺激電気信号を用いて電圧を加えることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項９】
該空間的に符号化された信号が、画像内の位置と画素強度に対応する大きさとを有する画素から構成される画像信号であることを特徴とする、請求項８の触覚刺激アレイ。
【請求項１０】
該口内用部材が、その下面に触覚エレメントの該アレイを支持し、ヒトの口腔の硬口蓋内に適合するサイズに為された、上向きに凹面形のプレートを含んでいることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１１】
該上向きに凹面形のプレートには、その外側端部に咬合バーが配置されており、該咬合バーを歯の間に押し込むことにより、該口内用部材を口腔内に固定できることを特徴とする、請求項１０の触覚刺激アレイ。
【請求項１２】
該上向きに凹面形のプレートには、その外側端部に、歯に取り付けるワイヤー保持エレメントが配置されており、これにより、該口内用部材を歯に対して口腔内に固定できることを特徴とする、請求項１０の触覚刺激アレイ。
【請求項１３】
該電極が該口内用部材の下面と実質的に同一平面上にあることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１４】
該口内用部材の下面と該電極が、可撓性のプリント回路基板として形成されていることを特徴とする、請求項１３の触覚刺激アレイ。
【請求項１５】
該口内用部材が、乳幼児の口腔内に固定できるサイズに為された乳首状部分であることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１６】
該アレイが実質的に直線で囲まれた格子であることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１７】
該入力部が励起回路と通信し、そして、該空間的に符号化された信号を電波として受け取るレシーバーであることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１８】
該口内用部材が、該励起回路を保持するチャンバーを含んでいることを特徴とする、請求項１の触覚刺激アレイ。
【請求項１９】
該励起回路が電池で駆動され、そして、該口内用部材が該励起回路と通信している電池を保持するチャンバーを含んでいることを特徴とする、請求項１８の触覚刺激アレイ。
【請求項２０】
該口内用部材が舌で作動可能な少なくとも１つの電気的スイッチを含んでいることを特徴とする、請求項５の触覚刺激アレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、１９９８年２月６日に出願された米国仮出願第６０／０７３，８７３号に基づくものであり、その利益を優先権主張するものである。この仮出願は参照して明細書の記載の一部とする。
【０００２】
連邦政府後援の研究開発に関する記述
本発明は、以下の政府機関により与えられた合衆国政府の支援を得て為されたものである：ＮＩＨ認可番号：ＥＹ１００１９。従って、合衆国政府は、本発明において一定の権利を有している。
【０００３】
発明の背景
身体の幾つかの部分のうちの１つ、例えば腹部、背部、大腿部、または指先の皮膚と接触している刺激装置のアレイ（ａｒｒａｙ）を介して画像情報を脳に送るために、触覚による視覚代用システム（ＴＶＳＳ）が用いられている。画像の各ポイントは、振動または直接的な電気励起のいずれかの方法で、アレイ中の個々の刺激装置に割り当てられている。訓練を積むことにより、深さの判断等の通常は視覚で行われる知覚的な判断をこれらの触覚画像に適用することができる。この分野における技術の概要が、参照して本明細書の記載の一部とされている、感覚代用システムのための電気式触覚表示装置及び振動式触覚表示装置（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、第３８巻、Ｎｏ．１、１９９１年１月）と題する本発明者らによる論文に記載されている。
【０００４】
触覚アレイでの知覚の遅れは、視覚の場合よりも少ない。この理由から、ＴＶＳＳシステムは、視覚障害者のためのリハビリテーション法として有望なだけでなく、特に、迅速な反応時間が要求される状況下での、視力を有する個人のための代替的なヒト／機械インターフェースを提供する。
【０００５】
残念ながら、現在のＴＶＳＳシステムを実際に適用するには制限がある。刺激装置が振動する機械的な振動式触覚器システムは、嵩高く、かなりのエネルギーを必要とする。一方、刺激装置が直接的な電気刺激を生成する電気式触覚システムは、皮膚表面と皮膚の知覚受容器との間に皮膚の保護層があるため、特に指先の領域で使用する場合には、比較的高い電圧が必要になる。知覚受容部位として指先を使用するＴＶＳＳシステムは、他の仕事に対するその手の使用を制限し、一方、腹部等の部位を使用するシステムは、より大型のアレイを必要とし、利便性に劣り、そして、適切に動作させるためには導電性ゲルが必要になる。
【０００６】
発明の概要
本発明は、刺激部位として舌を用いる、改善されたヒト／機械インターフェース（ＨＭＩ）システムを提供する。舌は非常に多数の神経終末を含んでおり、従って、多数の刺激装置を用いた小型のアレイを構成することができる。本発明者らによる予備試験データによれば、指先の場合、ユーザーは、刺激電流または電圧を必要とする指先に電流を加えると、時間の経過と共に、刺激電流を高めるべく適応乃至調節する傾向があることを示している。これとは対照的に、舌の場合、被検者は、舌を刺激するための電流レベルを一定に維持するか、あるいは、その電流レベルを僅かに減少させることさえあることが現在明らかになっている。
【０００７】
詳細には、本発明は、口腔内に受け入れられ、固定化できるサイズに為された口内用部材と、その口内用部材が口腔内に受け入れられたときに舌と接触する、該口内用部材の下面に配置された触覚エレメントのアレイとを有する、舌のための触覚刺激アレイを提供する。励起回路は、触覚エレメントと通信し、そして、空間的に符号化された信号を受け取り、且つ該空間的な符号付けに従って触覚エレメントのうちの選択されたエレメントを励起する。
【０００８】
従って、本発明の１つの目的は、光学的な表示器の代替手段として、これに限定するものではないが、舌への画像情報等の空間的に符号化された情報を伝えるための、改善されたヒト／機械インターフェースを提供することである。
【０００９】
触覚エレメントは電極であってよく、そして、励起回路は、触覚エレメントのうちの選択されたエレメントを励起するために、電極を電力源に接続していてよい。
【００１０】
従って、本発明の別の目的は、舌の知覚受容器が舌の表面の近くに位置していることと、導体として唾液が存在することとの両方の理由から、舌によりもたらされる改善された電気的感度を利用することである。本発明者らが行った実験により、同等の感覚レベルを達成するのに、舌は、例えば指先の場合よりも電流がずっと少なくてすみ、僅か約３パーセントの電圧を必要とするに過ぎないことが示唆されている。
【００１１】
空間的に符号化された信号は、定められた位置と大きさを有する複数のデータポイントを含んでいてよく、そして、励起回路は、各データポイントを、対応する位置を占める触覚エレメントに割り当て、パルス振幅、パルス持続時間、及びパルス周波数構成部分からなる群から選択される範囲及び数値としてそのデータポイントの大きさを有する関数に従った電気的パルスでその触覚エレメントを励起することができる。
【００１２】
従って、本発明の別の目的は、各刺激のポイントが様々なファクターに基づいて様々な強度を持ち得る多次元の表示器を提供することである。舌がこれらのファクターを同時に識別できる限度まで、多次元の刺激を得ることができる。
【００１３】
口内用部材は、その下面に触覚エレメントを支持し、硬口蓋の下側に適合するサイズに為された、上向きに凹面形のプレートを含んでいてよい。
【００１４】
従って、本発明の別の目的は、舌の機能の妨害を最小化するアレイを提供することである。舌は非常に可動性が高く、必要に応じて、舌をベースとしたアレイに接触する向きと、そこから離れる向きに動くことができる。
【００１５】
上向きに凹面形のプレートは、その外側端部に咬合バーが配置されていてよく、こうすることで、咬合バーを歯の間に押し込むことにより、口内用部材を口腔内に固定することができる。代替的に、歯を連結するワイヤーブラキットによる歯科用固定装置設計を用いてもよい。
【００１６】
従って、本発明の別の目的は、アレイの口腔内への配置や口腔内からの取り外しを容易に行うことができるようにし、アレイを意のままにそこに固定し、次いで取り外せるようにすることである。
【００１７】
口内挿入具は、乳幼児の口腔内に固定できるサイズに為された乳首状のものであってよい。
【００１８】
従って、本発明の別の目的は、視覚障害乳児のために必要な刺激をもたらすために、乳児用のおしゃぶりまたはその種の他のものの一部として、アレイを乳児用にも適用できるようにすることである。
【００１９】
アレイは、空間的に符号化された信号を電波として受信することにより励起回路と通信するレシーバーを含んでいてよい。
【００２０】
従って、本発明の別の目的は、妨害となり、じゃまなリード線を用いることなく、アレイが口腔内ですべてを含有した状態に為すことである。舌の電気刺激は、指先の場合に必要な電圧の約３パーセントしか必要とせず、また電流もずっと少ないため、内蔵電池による作動が可能である。
【００２１】
本発明の先述及び他の目的並びに利点は、以下の説明から明らかになるであろう。この説明では、その一部を形成する添付図面を参照しながら説明が行われ、例証の目的で本発明の好適な実施態様が示されている。そのような実施態様は必ずしも本発明の全範囲を表すものではなく、従って、本発明の範囲を解釈するには、特許請求の範囲の項を参照しなければならない。
【００２２】
好適な実施態様の詳細な説明
次に、図１を参照しながら説明すると、本発明の第一実施態様の口腔に配置された触覚アレイユニット１０は、典型的な成人ユーザーの歯の間に保持されるべきサイズに為された馬蹄形の咬合バー１２を含んでいる。上向きに凹面形のプレート１４は、咬合バーが歯の間に保持されたときにユーザーの硬口蓋に適合するように、咬合バー１２の対向する脚部間の間隔に広がっている。図１には示されていない代替的な実施態様では、咬合バーを排除し、図１０に示されているように、当業界で充分に理解されているような歯科用固定装置のやり方で凹面形プレート１４を単独で用いてもよい。
【００２３】
どちらの場合でも、ユーザーの舌の上面を受け入れるためのプレート１４の下面には、一般的に平行な横列及び縦列に配列された電極１８のアレイ１６が露出している。しかし、電極１８を一定の間隔で配置することに固執する必要はなく、例えば、舌の特定の部分に対して他の部分より高い空間的分解能をもたらすように間隔を変化させてもよいことが理解されよう。この点に関して、舌の側面と接触させるために、プレート１４の端部に幾つかの周辺電極２０を配置してもよい。
【００２４】
第一実施態様の図６を参照しながら説明すると、各電極１８は、絶縁材料２２のマトリックスで囲まれ、触覚アレイユニット１０が口腔内の適所に配置されたときに舌２６に向けて開口している凹部２４内に位置していてよい。また、電極１８は、上面が平坦なステンレススチール製のピンであってよい。個々の凹部２４は、電極１８間に直接流れる電流ではなく、舌２６の電気刺激を付勢するため、絶縁材料２２の凹部間領域により、プレート１４の下面に沿って間隔をあけて設けられている。凹部は、電極１８が舌２６と直接接触するのを回避しているが、口腔内の唾液腺の作用により新たに供給される唾液２８を通じた電気伝導を可能にしている。
【００２５】
次に、図７、図８、及び図９を参照しながら説明すると、より最近の研究は、電極１８と舌２６との間にギャップを形成している凹部２４（図６）が、知覚された刺激を変動させる原因となり、走査中に有害な機械的感覚を引き起こす可能性があることを示唆している。更に、舌２６は電極表面を効果的且つ連続的に浄化するものと考えられるため、舌電極としては、唾液をギャップ内に溜めることができないように完全に平坦な表面にすることが最良の選択であると思われる。従って、代替的な実施態様では、凹部が排除され、電極１８の表面は、絶縁材料２２と同一平面か、あるいは絶縁材料２２から突き出た形態に為されている。
【００２６】
図７及び図８に示されているこの後者の実施態様では、電極を、当業界で既知の手法である標準的なリソグラフィーにより製造された可撓性のプリント回路基板６３の下面に設けられた円板形のパッド１８’として実現してもよい。電極１８’は、絶縁担体６５の表面で銅を食刻し、次いで、生体適合性の目的で金メッキしたものであってよく、また、電極１８’は、当業界で既知のプレートスルーホール６６により、担体６５の他方の面に存在する写真技法により食刻されたコネクターリード線６４に接続することができる。可撓性プリン回路基板６３は上面絶縁層６８を含んでいてよく、次いで、プレート１４の材料内に埋め込むことができる。
【００２７】
金メッキされた銅の接地面７０は、電極１８’が環状のギャップ内で露出され、ギャップ７２の外側の領域が相互に電気的に接続されるように、各電極１８’について環状のギャップ７２を食刻することにより、電極１８’の周囲に形成してもよい。接地面７０は、電極１８’からの電流の帰路を形成するために接続されている。
【００２８】
可撓性プリント回路基板６３が可撓性であることにより、固定装置の構造の可撓性を高めることができるだけでなく、快適さの改善が約束される。担体６５は、生体適合性を維持し、口内環境における水分の吸収を最小化するため、好適にはポリエステルである。どちらの実施態様の場合でも、電極１８は、ステンレススチール、チタン、白金、金、または他の生体適合性の導体であってよい。
【００２９】
このようにして製造される電極アレイの一例は、約３平方ｃｍのアレイを形成するために、２．３ｍｍの格子に配列された１４４個の電極を含むであろう。電極のサイズ及び個数は、以下の指針に従って容易に変更することができる。一般的に、小型の電極ほど刺痛感覚を生成することができ、一方、大型の電極ほど、分解能は犠牲になるが、快適な振動知覚を生成することができる。現在のところ、０．６ｍｍの電極が折衷案として受け入れられるように思われる。
【００３０】
次に、図１及び図３を参照しながら説明すると、電極１８及び２０は、舌との干渉を最小化するため裏向きにプレート１４に取り付けられた回路ブロック３０と通信する。個体群の横断面に対する固定装置の研究は、プレート１４の後方で２３×１５×２ｍｍの１つのスペースか、あるいは１２×９×４ｍｍの２つのスペースが利用できることを示唆している。これらのスペースは、アレイ１６を保持し、且つ咬合バー１２を形成する同一の絶縁材料２２内に被包された電池電源（図示せず）と共に、回路ブロック３０を保持することができる。
【００３１】
以下で述べられるように、回路ブロック３０は、電波またはその種の他のものにより、それに直接接続することなく外部装置と通信可能であってよい。しかし、代替的な実施態様では、口内での電子処理の必要性を排除して、回路ブロック３０を含む外部処理エレクトロニクスに直接接続するため、プリント回路材料、またはプリント回路材料の導体に接続されたケーブルが口腔の外側へ延びていてもよいことが理解されよう。
【００３２】
更に別の代替的な実施態様では、回路ブロックをプレート内に組み込むが、その電源を、例えば低周波誘導またはその種の他のもの等の外部的なソースから導いてもよい。
【００３３】
各電極１８は、回路ブロック３０内のスイッチアレイ３４に接続される。電極１８をスイッチアレイ３４に接続している個々のリード線は、鋳造品またはエレクトロニクスで形成されたものであってよい絶縁マトリックス内に埋め込まれている。電極がプリント回路の一部でない場合には、当業界で広く理解されているように、可撓性プリント回路技術を用いて電極とエレクトロニクス間を相互に接続してもよい。プリント回路配線の上に絶縁カバーを配置し、プリント回路配線をプリント回路材料の絶縁基体と絶縁カバー間に挟む。
【００３４】
スイッチアレイは、マルチプレクサー４０からのマルチプレクサーライン３８により活性化される一連の固体スイッチ３６を保持している。各固体スイッチ３６は、１つの電極１８に接続された１つの連結点と、マルチプレクサーライン３８の状態に応じてその連結点をパルス信号発生器４２かアース４４のいずれかに接続可能にする２つの極を有している。
【００３５】
マルチプレクサーライン３８を制御するマルチプレクサー４０とパルス信号発生器４２は、位置情報４６と強度または多次元刺激情報５０からなるレシーバー４７からのデータを受け取る。データが画像である場合、位置情報４６はその画像内の画素値の位置であり、強度情報は、画素の強度（画像が白黒の場合）であるか、あるいは画素の全カラー値または部分的カラー値である。
【００３６】
動作の際には、位置情報４６が、典型的にはレシーバー４７により受け取られたデータポイントの暗黙配列に基づいてマルチプレクサーに通される。マルチプレクサー４０は、マルチプレクサーライン３８のうちの選択されたラインを駆動して、１つの電極を固体スイッチ３６を介してパルス信号発生器４２に接続し、そして、周囲の電極または他のすべての電極をアース４４に接続することにより、即ち、他の電極を固体スイッチ３６を介して帰すことにより、一度に１つの電極１８を活性化する仕方ですべての電極１８を走査する。刺激されている特定の電極１８は位置情報に従って逐次的に変更され、走査期間中にすべての電極１８が次々と刺激される。典型的には、電極１８は、各横列を横断的に移動し、次いで、すべての電極が走査されるまで、次の縦列の最初の列に戻ってこの動作を繰り返すラスターパターンで走査されるであろう。代替的に、標準的な端線検出外形測定法により決定された対象物の輪郭に従って電極を走査してもよい。
【００３７】
図５も参照しながら説明すると、ある与えられた電極１８の刺激の量は強度情報５０に従っている。最も単純な実施態様では、強度情報はバイナリーであり、各電極１８は、簡単な形状を検出できるように、単相（ゼロ正味ＤＣ）パルスか、あるいは無パルスのいずれかを受け取る。「刺痛」や「振動」の連続的な知覚に対しては、電極は、１秒当たり１０〜４００パルスの割合で５〜５０μｓの間、パルスが与えられる。パルスは、電流制御方式（０．４〜４．０ｍａ）か電圧制御方式（５〜１５ボルト）のいずれであってもよい。当業界で理解されているように、電流制御方式は、電流値を限定し、舌にその電流値が生成されるように電圧を調節することを意味しており、一方、電圧制御方式は、電圧を限定し、舌にその電圧が生成されるように電流を調節することを意味している。好適な実施態様では、マルチプレクサー４０で１つの電極１８が選択されると、多次元強度情報５０がパルス信号発生器４２に供給され、パルス信号発生器は、その強度情報５０の関数として、以下の６個のパラメーターのうちのいずれか１つが変動するパルス５２を生成する：パルス高（電流または電圧あるいは電力として測定したパルス高）、パルス幅、パルス間の間隔、バーストのパルス数、バースト間の間隔、及びフレーム率（即ち、アレイの連続的走査間の時間）。一般的には、これらの最後の５個のパラメーターがパルスのスペクトル特性を定める。波形の６個のすべてのパラメーターは、原理的には、特定の範囲内で独立に変動することができ、潜在的に別個の応答を誘引することができる。
【００３８】
適当なパルスを供給する（但し、口腔の外部でのみ使用できるサイズに為されている）パルス信号発生器４２は、ＶｉｄｅｏＴａｃｔという商品名で、ウィスコンシン州のマジソンにあるＵｎｉｔｅｃｈ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｃ．から製品として入手することができる。
【００３９】
図５に示されているように、３個の連続的な電極１８ａ、１８ｂ、及び１８ｃは、アレイ１６内でのそれらの配列順序に従って、異なるタイミングで１つのパルス５２を受け取る。各パルス５２はサブパルス５１で構成されており、これにより、パルス５２の周波数構成部分及びエネルギーの制御を容易に行うことができる。ある与えられた電極（例えば、１８ａ）がパルス５２で刺激されているときには、他の電極（例えば、１８ｂ及び１８ｃ）は、電流に対する帰路を形成する接地状態にある。また、図５に示されているように、パルス１８ｂは、パルス１８ａより低い振幅５４とパルス１８ａとは異なる周波数構成部分を有しており、そして、パルス１８ｃは異なるパルス幅５５を有している。訓練を積んだユーザーが、振幅、幅、及び周波数からなる多数のこれらの特性を同時に識別できる限度まで、パルス５２は、異なる色受容体の独立した刺激から目が色を知覚するのと殆ど同じやり方で、多次元の情報を担うことができる。
【００４０】
図５では、各パルス５２は、マルチプレクサー４０で次の電極１８が選択される前に終了するように描かれているが、必ずしもこうである必要はなく、走査をより迅速にし、且つパルス５２の周波数構成部分を下げることができるように、パルス５２のサブパルス５１に他のパルス５２のサブパルス５１がインターリーブされていてもよいことが理解されよう。従って、例えば、各サブパルス５１は２５マイクロ秒のオーダーであってよいが、各電極１８に対する第一サプパルス５１が第二サブパルス５１の前に生じることができるように、１つの電極アレイに対する走査時間が５ミリ秒未満の場合、次のサブパルスとの間に５ミリ秒の時間間隔を設けることができる。
【００４１】
当業界で理解されるように、パルスは電流制御方式か電圧制御方式のいずれであってもよく、従って、図５に描かれている高さは電流であっても電圧であってもよく、これらの２つは、舌電極インターフェースの固有抵抗により関連付けられている。一般的には、電流と電圧の両方の限界がパルス５２に課せられる。
【００４２】
アレイ１６の電極１８を刺激する方法として、端線の増強及びその他同種類のものをもたらすために、個々のデータポイントの強度情報５０だけでなく、隣接するデータポイントの強度情報５０も考慮に入れる方法を含む他の方法を用いてもよいことが理解されよう。更に、画像がアレイ１６で「拡大」されるズーム効果が得られるように、データポイントの位置情報４６と特定の電極１８の配列を変更してもよい。ズーム量は、外部制御装置（図示せず）か、あるいは口腔内そのものに配置された検出電極により調節することができよう。特にズーミングに関しては、例えば、充分には解像されていないが中心から外れた対象物の存在を検出できる周辺視覚をまねて、アレイ１６の外側のデータポイントグループの複合強度情報５０の指示を得るために、周辺電極２０を利用することができる。
【００４３】
次に、第一実施態様における図２を参照しながら説明すると、レシーバーで受け取られる視覚データは、例えば固体ＣＣＤ、即ち電荷結合素子型の検出器を用いた小型カメラ５６から得られる画像データであってよい。カメラ５６からの画像データを触覚アレイユニット１０へ導くための電線の必要性を排除するため、データを、当業界でよく知られている技法に従った送受信アンテナ４５を介して電波で送信してもよい。例えば、ＦＭ変調無線周波数信号を用いてもよく、また、カメラ５６のきわめて近くに触覚アレイユニット１０がある場合には、直接、変調低周波磁界を用いてもよい。本明細書で使用する場合、電波という用語は、あらゆる周波数の電磁波を包含するものと考えるべきである。この場合、固定装置構造のワイヤークリップがアンテナとして機能することができよう。カメラ５６は眼鏡のフレーム５８に取り付けられていてよく、また、必要な送信用エレクトロニクスは、レシーバー４７を保有する回路ブロック３０の近くで、且つ回路ブロックに関して安定的に配置するため、眼鏡のフレームのつる６１に支持されていてよい。ユーザーの口腔から触覚アレイユニット１０が取り外されたときに触覚アレイユニット１０用の電池の電力を節約するため、近接検出エレクトロニクスを組み込んでもよい。
【００４４】
図４に示されている本発明の第二実施態様では、アレイ１６の電極１８は、当業界で広く知られている通常のおしゃぶりに似た外向きの形状を有するおしゃぶり６２の一部を形成する乳首状部分６０の下面から露出していてよい。乳児には、最も早い時期から口の吸引調節機能が存在しており、従って、そのような吸引作用により、乳首状部分６０を口腔内に保持及び固定することができよう。カメラ５６は、ピボットリングまたはその種の他のものに対して常態的に保有され、且つ、乳児の顔が自然に画像のソースに向けられるように乳首状部分６０の長軸と光学的に整列した、乳児の口から延びるおしゃぶり６２の部分に配置される。この場合、回路ブロック３０は、おしゃぶりそのものの本体内であって、乳児の口の外側に留まる部分に保持される。カメラ５６とエレクトロニクス間を直接接続することにより、無線による結合の必要性を排除することができる。視覚障害乳児に与えられた刺激は、画像処理に使用される神経経路の発達に役立つものと信じられている。成人にもおしゃぶりの形態を使用し、ズームや他の触覚画像の制御、あるいは他の出力目的に供される信号を、歯の間に配置された咬合スイッチにより、ユーザーが供給できるようにしてもよいことが理解されよう。
【００４５】
上述したカメラは、いわゆる「能動画素」装置を創出するために、ＣＭＯＳ型の画像回路を使用してもよく、その場合、画像処理を、光検出アレイを保持しているのと同一のダイで実施することもできる。そのような処理は、これらに限定するものではないが、圧縮、端線またはコントラストの増強、動作検出、及び電極アレイで使用される刺激パターンの偶数発生を含んでいてよい。本発明で使用するのに適したカメラは、オーストリアのＡｕｓｔｒｉａ  Ｍｉｃｒｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓから製品として入手することができ、通常の１．３μｍの二重金属二重ポリＣＭＯＳプロセスを用いる２×２平方ｍｍにおける６４×６４画素のマトリックスと、ヒトの網膜に似せるために静的照度と動的照度に対して異なるゲイン及び時定数を有するオンチップ対数圧縮が得られることを特徴としている。このカメラは、入射光強度の大きさの約８桁のダイナミックレンジを有し、静的なケースと動的なケース間の勾配比が約３０：１であることが実証されている。信号のデジタル化がチップ上で達成される。
【００４６】
次に、図１９を参照しながら説明すると、触覚アレイユニット１０で受け取られるデータは視覚データである必要はなく、例えば、義肢を装着した人や、重い手袋をはめなければならない宇宙飛行士、あるいは遠隔操作装置のオペレーターのための例えばセンサー８０から得られる触覚データを供してもよい。それらの触覚データは、形状、剪断力、圧力、及びすべりに関する情報を含んでいてよい。１つの有望な触覚センサーは透明な流体が充填された楕円形の弾性膜を使用するものであり、その膜の内面にはあるパターンがプリントされていて、ある対象物に触ることにより生じる膜の変形がそのパターンを変形させ、膜の内面に向けられたカメラでそのパターンの変形を検出できるように為されている。触覚データが口腔に送られる場合には、手が無感覚になった癩病患者用の手袋や、足が無感覚になった糖尿病患者用の靴の中敷きを本発明で使用することもできる。また、本発明は、性感覚が失われている脊髄損傷患者用の陰茎鞘から得られる触覚データを受け入れてもよい。
【００４７】
触覚データは、信号をエレクトロニクス８２で処理して受け入れてもよく、例えば、マイクロプロセッサーが上記のカメラシステムから得られる画像を処理し、次いで、トランシーバー８４により、その信号を触覚アレイユニット１０に送信することができる。一体型の口をベースとした制御装置を得るため、触覚アレイユニット１０は、舌２６（図示せず）で活性化することができる１つもしくはそれ以上の口をベースとしたセンサー７９を含んでいてよい。最も簡単な形態では、センサー７９は、プレート１４の材料内に組み込まれた膜型スイッチ等の通常の機械的なスイッチであるが、通常のインピーダンス検出法を用いて舌の配置を検出する電子センサーであってもよい。触覚アレイユニット１０のセンサー８０からの信号出力は、トランシーバー８４で受け取られ、処理エレクトロニクス８２を通じてロボットハンド等のアクチュエーター８６に送ることができる。そのようなシステムを用いることにより、例えば、センサー８０が１つもしくはそれ以上の触覚センサーであり、そしてアクチュエーターが１つもしくはそれ以上のロボット軸モーターである場合には、四肢麻痺患者用のロボットハンドを制御することができよう。
【００４８】
口をベースとしたセンサー７９は、代替的に、当業界で既知の技術を用いて口腔化学を検出してもよく、そして、本発明の触覚アレイユニット１０と組み合わせ、ユーザーに、例えばダイバーにとって有用な血液中の窒素やＣＯ２またはその種の他のもののレベルの指示を与えるようにしてもよい。
【００４９】
カメラが触覚アレイユニット１０への入力センサーであるときには、光を可視光範囲に限定する必要はなく、網膜を舌にバイパスすることで網膜の遅延が排除される場合には、カメラは、（例えばパイロットやドライバーのための）夜光カメラや赤外線カメラであってよい。画像データまたは非画像データを、例えば航空電子工学及びその他同種類のもののための赤外線領域や、超音波、あるいはレーダー画像における、視力を有する個人が受け取る視覚情報を増大させるために用いてもよい。また、入力は、視覚や触覚、あるいは音等の通常の感覚型の入力である必要はなく、例えば、方向感覚を失いやすいスキューバーダイバー及びその他同種類のもののための進行方向及び配向等の基本的データであってよい。軍事用に使用する場合、本発明の口をベースとしたＨＭＩは、視覚伝導路に対する過剰依存を軽減し、入力として、飛行機の衝突回避システムから得られるもの等の「即時に対処せよ」インジケーターを備えることができ、あるいは、側方または後方から接近する敵機またはミサイルについての「周辺視野」を拡張することもできる。一般的な通信機能を、秘密通信のためのそのようなＨＭＩによりもたらすこともできよう。
【００５０】
本発明は、より迅速な応答時間が求められる霧の中を運転するドライバーやレーシングカーのドライバーを対象とした適用を含め、数多くの他の適用が可能である。もっと身近なレベルでは、本発明の触覚アレイユニットは、ビデオゲームの出力を増加するために用いることができるほか、非常に騒がしい環境での通信や、音を出すことが禁じられている場所での通信に利用することができ、更には、クレーンのオペレーターや汚染された核物質の操作者等の、手の広範な使用が要求される機械の操作に利用することもできる。
【００５１】
上記は、本発明の好適な実施態様に関するものであった。当技術を実践する人々にとっては、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変形例が為し得よう。例えば、連続接地面を使用する場合には、電極を走査する手法に代えて、電極１８を同時に励起する方法を用いることができる。同様に、電子刺激が好適であるが、振動型刺激装置等の、小型化を可能にする技術を用いた他の形態の刺激も、舌に使用するのに適していよう。
【００５２】
本発明の範囲内に入りうる様々な実施態様の一群があることを明らかにするため、添付の特許請求の範囲を設ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、ユーザーの口腔内での配置方向に従って下側から見た、本発明の口をベースとしたヒト／機械インターフェースシステムの第一実施態様の透視図である。
【図２】  図２は、口腔内のアレイの配置を示す人の頭部の仮想図であって、眼鏡のフレームに取り付けられたカメラから得られる画像データの自由空間電磁波を介する受容経路を示している。
【図３】  図３は、連続的な接地面の必要性を排除するスイッチアレイを含む、図１及び図２の実施態様の回路エレメントを示すブロック線図である。
【図４】  図４は、乳児に使用するためにアレイが乳児用のおしゃぶりに組み込まれている、本発明のヒト／機械インターフェースシステムの第二実施態様の底部の平面図である。
【図５】  図５は、様々な強度または多次元の刺激を生成するために、電気刺激を図１または図４のアレイの３つのエレメントに送る様子を示すタイミング図である。
【図６】  図６は、舌が置かれる絶縁プレート内の凹部における刺激用電極の配置を示す、図１の線６−６に沿った断片的横断面図である。
【図７】  図７は、可撓性プリント回路エレメントを用いる、凹部のない電極設計の代替的実施態様を示す、図１の線６−６に沿った断片的横断面図である。
【図８】  図８は、代替的な接地面構造を示す、図７の代替的実施態様の断片的平面図である。
【図９】  図９は、支持構造から取り外した状態の、図７のプリント回路エレメントの透視図である。
【図１０】  図１０は、総合制御装置を構成するために両方向通信を可能にした、本発明の口をベースとしたヒト／機械インターフェースの代替的実施態様のブロック線図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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