語音交互與力感知式智能牙周探針開發(fā)*

唐忠林楊建華雷宏偉

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072；3.西安蘇茂醫(yī)療科技有限公司，陜西 西安 710077)

牙周病是最普遍的口腔健康問題之一[1-2]，門診上普遍使用牙周探針進(jìn)行牙周探診[3-4]，探診力測(cè)控和探診參數(shù)自動(dòng)化測(cè)量與記錄是評(píng)價(jià)牙周探針發(fā)展代際的重要指標(biāo)[5-7]。當(dāng)前使用最普遍的牙周探針為第一代牙周探針，探診力控制全憑醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和手感，需要一名護(hù)士配合醫(yī)生記錄數(shù)據(jù)[8]。當(dāng)前最先進(jìn)的牙周探針為第三代牙周探針，如FLORIDA探針[9]，在第一代基礎(chǔ)上增加恒力裝置和自動(dòng)測(cè)量電路[10]，一般把探診力限制在0.25N左右[11]，杜絕了醫(yī)生操作習(xí)慣對(duì)牙周診查的影響，還可以自動(dòng)測(cè)量和記錄牙周袋深度數(shù)據(jù)。其問題在于:一是恒定力控制限制了醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的發(fā)揮，不利于應(yīng)對(duì)患者齦下狀況的多樣性[7，12]；二是只能自動(dòng)測(cè)量和記錄牙周袋深度數(shù)據(jù)，對(duì)其他牙周參數(shù)的測(cè)量和記錄還得依靠護(hù)士輔助完成。

探診力實(shí)時(shí)檢測(cè)和多個(gè)探診參數(shù)自動(dòng)記錄是新一代牙周探針技術(shù)的發(fā)展方向。對(duì)于前者，方法包括薄膜式、彈簧式、摩擦式、氣壓式探診力傳感器等[13-15]。這些方法的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且消毒滅菌不便，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化；對(duì)于后者，目前尚沒見相關(guān)的公開報(bào)導(dǎo)。鑒于人工智能中的語音交互技術(shù)已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16-17]，本文在前期研發(fā)的基礎(chǔ)上，報(bào)導(dǎo)一種無線手持式的語音交互與力感知式智能牙周探針:設(shè)計(jì)差動(dòng)電容式探針探頭進(jìn)行探診力感知與顯示；利用醫(yī)生和儀器間的語音交互，自動(dòng)記錄和傳輸多項(xiàng)牙周診查參數(shù)。

1 設(shè)計(jì)開發(fā)

1.1 探針探頭建模

語音交互與力感知牙周探針由手柄和探頭組成，其中手柄用于醫(yī)生握持和部件安裝，探頭用于探診檢查和探診力感知。根據(jù)探診力檢測(cè)范圍應(yīng)該覆蓋0～0.5 N的臨床要求[4，6，13]，設(shè)計(jì)差動(dòng)平板式力感知探針探頭的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括:上下固定電極1，探針活動(dòng)電極2，探針工作尖3，上下殼體蓋板4和上下電容隔板5等。其中，活動(dòng)電極與上下固定電極之間在一端通過電容隔板等距隔開，在另一端懸空，與上下固定電極構(gòu)成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的懸臂差動(dòng)式電容傳感器；活動(dòng)電極的右端與探針工作尖剛性連接，探針工作尖的材料、結(jié)構(gòu)和尺寸符合我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 1622.1-2018對(duì)牙周探針的通用要求。所設(shè)計(jì)探針各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(b)所示，具體參數(shù)如表1所示。

圖1 電容式力感知牙周探針的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

表1 探針探頭結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

在圖1(b)中建立(x，y)參考坐標(biāo)系，原點(diǎn)為活動(dòng)電極的固定點(diǎn)。F為探診力，沿軸線施加于探針工作尖端面，F(xiàn)′為探診力F的等效力，垂直作用于活動(dòng)電極自由端。根據(jù)梁的變形理論，可以得到在探診力F作用下，活動(dòng)電極懸臂部分的撓曲線表達(dá)式:

式中:x的取值范圍為0到B，B為活動(dòng)電極的有效長(zhǎng)度；E為電極材料的彈性模量；I為浮動(dòng)電極的截面慣性矩，取決于活動(dòng)電極的寬度W和厚度T；W，L，H，B，θ的尺寸關(guān)系如圖1(b)所示；G為浮動(dòng)電極和探針工作尖的重量；K1、K2、K3為修正系數(shù)，分別用于修正探針工作尖的有限剛度、不規(guī)則形狀和非均勻重力分布對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。根據(jù)表1參數(shù)，采用SolidWorks靜應(yīng)力仿真對(duì)K1、K2、K3進(jìn)行估計(jì)，方法為:在圖1(a)所示的三維模型中，分別施加力F和F′使活動(dòng)電極達(dá)到相同的撓度，建立至少三組F和F′之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并求解以K1、K2、K3為未知數(shù)的方程。對(duì)K1、K2、K3的多組解的一個(gè)均值(0.98，1.75，0.95)，圖2給出了根據(jù)式(1)得到的活動(dòng)電極的計(jì)算撓度曲線和仿真撓度曲線在探診力為0.1 N，0.3 N和0.5 N時(shí)的對(duì)比圖，兩條曲線沿x軸的最大相對(duì)撓度誤差小于±4.5%。

圖2 活動(dòng)電極的計(jì)算撓度曲線和仿真撓度曲線的對(duì)比

這樣，在探診力F的撓曲作用下，活動(dòng)電極和上下固定電極之間的總電容C u和C d可分別由式(2)和式(3)表示:

式中:D為活動(dòng)電極和上下固定電極之間的初始間距；W為電極寬度；ε為空氣的介電常數(shù)；y為式(1)所示的活動(dòng)電極懸臂部分的撓度曲線，取決于探診力F的大小，以y為變量的積分項(xiàng)為上(下)總電容在探診力作用下的可變分量；A為電容電極有效長(zhǎng)度；C″u0和C″d0為上下總電容在電容隔板夾持固定部分和引線部分的固有分量。探診力F作用下牙周探針的差分電容可表示為:

1.2 探針電路設(shè)計(jì)

對(duì)1.1節(jié)所設(shè)計(jì)的探針探頭，在0～0.5 N探診力作用下，上下電容的變化量在0.1 pF量級(jí)，初始值在10 pF量級(jí)，據(jù)此選用24位電容數(shù)字轉(zhuǎn)換(CDC)芯片AD7745進(jìn)行電容測(cè)量。AD7745的電容檢測(cè)精度高達(dá)4 fF，量程為±4 pF，可輸入最高17 pF的固定電容，具有差分電容測(cè)量模式，完全符合本文所設(shè)計(jì)的牙周探針的探診力檢測(cè)條件?；贏D7745的電容式力感知電路原理圖如圖3(a)所示，EXCA為激勵(lì)信號(hào)輸出端，通過接插件CN4接探針探頭的活動(dòng)電極；CIN1(+)和CIN1(-)為檢測(cè)信號(hào)輸入端，通過接插件CN4分別接探針探頭的上下固定電極。AD7745通過I2C總線和處理器通信，處理器可通過查詢其RDY＃引腳的狀態(tài)及時(shí)讀取電容數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果并進(jìn)行處理。檢測(cè)時(shí)，將AD7745的CapSetup寄存器的CAPDIFF控制位置1，使芯片工作在差分模式；繼而配置CAPDAC(+)和CAPDAC(-)寄存器，分別令其等于活動(dòng)電極與上下固定電極之間的初始電容C u0和C d0，將上下電容的測(cè)量范圍分別調(diào)整到C u0±2pF和C d0±2pF以滿足芯片的量程要求。此時(shí)，CDC的差分電容測(cè)量值ΔC的值為:

圖3 語音交互與力感知式智能牙周探針電路的關(guān)鍵模塊原理與PCB板圖

式中:C u和C d分別為活動(dòng)電極與上下固定電極之間的測(cè)量電容。根據(jù)式(2)和式(3)，C u0和C d0的表達(dá)式分別為:

探針模擬普通牙周探診過程中醫(yī)生和護(hù)士語言互動(dòng)的場(chǎng)景，通過語音交互實(shí)現(xiàn)探診參數(shù)讀取與自動(dòng)記錄的目的。其應(yīng)用場(chǎng)景中的語音交流具有以下特點(diǎn):①需要具備語音播報(bào)和語音識(shí)別的雙重能力；②語音識(shí)別時(shí)需要面向具有不同發(fā)音習(xí)慣的醫(yī)生；③語音識(shí)別以簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)短語為主，比如牙位編號(hào)和出血指數(shù)等，總識(shí)別短語量在40條左右?？蛇x用LD3320語音識(shí)別專用芯片實(shí)現(xiàn)以上功能，該芯片無需外圍輔助器件即可支持MP3播放功能，能進(jìn)行非特定人語音識(shí)別且準(zhǔn)確率高達(dá)95%，每次識(shí)別可以設(shè)置多達(dá)50條長(zhǎng)度不超過10個(gè)漢字拼音的候選語句，完全滿足所設(shè)計(jì)牙周探針的語音交互要求。牙周探針語音交互電路的原理圖如圖3(b)所示。LD3320通過SPI總線與處理器通信，并由處理器提供MCO_CLK時(shí)鐘信號(hào)。LD3320的SCS、SPIS、nRST和nINT等功能引腳與處理器的部分通用IO引腳連接，形成狀態(tài)控制接口。芯片的語音輸入由麥克風(fēng)MIC1及其輔助電路實(shí)現(xiàn)；MP3語音播報(bào)輸出接揚(yáng)聲器SPK1。

基于以上兩個(gè)關(guān)鍵功能電路模塊，開發(fā)了完整的語音交互與力感知式智能牙周探針電路PCB，如圖3(c)和圖3(d)所示。整體電路包括STM32F103處理器模塊1，LD3320語音交互模塊2，AD7745電容檢測(cè)模塊3，HY-40R204低功耗藍(lán)牙模塊4，鋰電池充放電電源管理模塊5，紅綠兩色探診力LED指示燈6，8Ω0.5 W扁平喇叭7，全指向駐極體咪頭8，探診按鈕接入端口9，SD卡存儲(chǔ)器10和探針探頭差動(dòng)電容接入端口11等功能電路和關(guān)鍵部件，可完成探診力檢測(cè)與顯示、探診過程語音交互、探診結(jié)果無線傳輸與本地存儲(chǔ)等功能。

1.3 探針軟件開發(fā)

探針的軟件架構(gòu)如圖4所示，采用分層設(shè)計(jì)思想。最底層是芯片驅(qū)動(dòng)層，由STM32F103單片機(jī)的內(nèi)核文件以及片上外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫組成。中間層是電路驅(qū)動(dòng)層，包括探針電路板上各電路功能模塊的驅(qū)動(dòng)文件，采用模塊化設(shè)計(jì)，例如LD3320的驅(qū)動(dòng)文件LD3320.c等，驅(qū)動(dòng)文件中包含了相應(yīng)功能電路模塊的初始化函數(shù)和操作接口函數(shù)。最上層是應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)探針的工作流程:上電后首先對(duì)探針電路進(jìn)行初始化配置，并在醫(yī)生按下探診按鈕后進(jìn)入探診狀態(tài)；探診時(shí)，探針首先通過語音播報(bào)依次提醒醫(yī)生報(bào)告當(dāng)前探診的牙位和牙齒點(diǎn)位，并對(duì)醫(yī)生的報(bào)告語音進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)；識(shí)別成功后，探針啟動(dòng)探診力監(jiān)測(cè)，并通過兩個(gè)LED燈對(duì)探診力進(jìn)行分級(jí)指示；當(dāng)探診力在0.15 N～0.5 N的合理范圍內(nèi)時(shí)，探針提示醫(yī)生報(bào)告當(dāng)前的牙周探診參數(shù)并進(jìn)行識(shí)別和確認(rèn)。設(shè)備上電初始化過程中會(huì)自動(dòng)響應(yīng)附近的藍(lán)牙主機(jī)，如果連接成功，就把相關(guān)探診參數(shù)實(shí)時(shí)上傳給主機(jī)顯示；不管成功與否，都對(duì)數(shù)據(jù)打包后作為病歷文件進(jìn)行本地存儲(chǔ)。

圖4 語音識(shí)別與力感知智能牙周探針軟件架構(gòu)

在語音交互軟件模塊的開發(fā)過程中，為了提高語音識(shí)別的成功率和語音交互的流暢度，在設(shè)計(jì)LD3320的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)綜合采用了以下技術(shù):①先問后答的“觸發(fā)識(shí)別”模式，對(duì)話總是由探針發(fā)起，探針給出語音指令后立即進(jìn)入語音監(jiān)聽與識(shí)別模式；②識(shí)別內(nèi)容動(dòng)態(tài)加載技術(shù)，對(duì)特定的問題加載特定的識(shí)別關(guān)鍵詞，比如當(dāng)探針提示“報(bào)告出血指數(shù)”時(shí)，只加載0-5的出血指數(shù)關(guān)鍵詞；③相似語音的垃圾處理技術(shù)，在動(dòng)態(tài)加載識(shí)別內(nèi)容的基礎(chǔ)上，列舉若干易與識(shí)別關(guān)鍵詞相混淆的短語作為“語音垃圾”予以處理；④冗余關(guān)鍵詞技術(shù)，對(duì)一個(gè)關(guān)鍵詞設(shè)置多種表述，比如“對(duì)”和“對(duì)的”，共用一個(gè)識(shí)別ID，以提升語音適應(yīng)性。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 探診力感知實(shí)驗(yàn)

根據(jù)1.1節(jié)的探針探頭設(shè)計(jì)方案和參數(shù)，制作了電容式力感知牙周探針的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)，如圖5中的嵌入式小圖所示。探針探頭各電極和蓋板、隔板之間用ergo1309結(jié)構(gòu)膠粘接；探針工作尖切割自上海偉榮牙周探針，針頭刻度為3 mm-6 mm-9 mm-12 mm，焊接到活動(dòng)電極右端的固定卡槽；各電極尾部的電氣引腳上分別引出20CM長(zhǎng)的導(dǎo)線，導(dǎo)線芯徑1.12 mm。

分別用精密LCR數(shù)字電橋和探針電路板對(duì)探針探頭進(jìn)行了電容式力感知實(shí)驗(yàn)。電橋?qū)嶒?yàn)的設(shè)置情況如圖5所示。探針探頭1夾持到虎臺(tái)鉗2上，使探針工作尖垂直向下，作用在克力計(jì)3(伊萊科，ATG-50-1)的力臂測(cè)力點(diǎn)上。克力計(jì)水平固定于精密三軸移動(dòng)平臺(tái)4(潤(rùn)佳氣動(dòng)，LD90-LM)的工作面。調(diào)整精密三軸移動(dòng)平臺(tái)工作面的高度，在探針工作尖產(chǎn)生模擬探診力。把開爾文夾夾在電極導(dǎo)線的尾部，在每一個(gè)測(cè)力點(diǎn)，用精密LCR數(shù)字電橋5(同惠，TH2827C)在20 kHz頻率下進(jìn)行測(cè)量。一次實(shí)驗(yàn)過程包括三個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期的升程階段，探診力從0 N上升到0.5 N，每隔0.05 N進(jìn)行一次測(cè)量，每?jī)蓚€(gè)相鄰測(cè)力點(diǎn)的時(shí)間間隔為2 min，然后用相同的方法進(jìn)行回程測(cè)量。

圖5 探針探頭的電容式力感知實(shí)驗(yàn)

圖6給出了三個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中探針探頭活動(dòng)電極與上下固定電極之間的電容Cu和C d的測(cè)量情況。在未受力狀態(tài)下，Cu和C d的初始電容分別為C u0＝9.184 pF和Cd0＝9.307 pF(四次測(cè)量平均值)，兩者的偏差主要來源于上下隔板和結(jié)構(gòu)膠涂抹的厚度誤差。在三個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，C u和C d變化表現(xiàn)出較好的重復(fù)性和一致性，最大偏差均不超過各測(cè)量點(diǎn)絕對(duì)電容均值的±0.1%。在升程階段，隨著探診力增加，活動(dòng)電極向上撓曲，與上下固定電極之間的有效距離分別減小和增大，電容Cu單調(diào)增加，電容Cd單調(diào)減小，平均差分量程為0.237 pF?；爻屉A段正好相反。

圖6 探針探頭的上下電容隨時(shí)間變化值情況

圖7給出了探針探頭差分電容與探診力之間的關(guān)系曲線。其中，計(jì)算曲線為根據(jù)式(1)～式(4)計(jì)算得到的差分電容和探診力之間的理論關(guān)系曲線；測(cè)量曲線為根據(jù)圖6的測(cè)量數(shù)據(jù)和式(5)的去初值處理得到的差分電容和探診力之間的實(shí)測(cè)關(guān)系曲線，反映了六次測(cè)量(三次升程和三次回程)中各探診力對(duì)應(yīng)的差分電容測(cè)量情況?？梢钥闯?，在探診力作用下探頭差分電容的測(cè)量值和計(jì)算值之間存在偏差，并且此偏差隨著探診力增加而加大。這是由于在建立式(1)到式(4)的理論模型時(shí)，并沒有考慮探頭塑料附件的有限剛度。探針驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的活動(dòng)電極和上下固定電極之間用1 mm厚度的ABS塑料板和一層ergo1309結(jié)構(gòu)膠隔開，在探診力作用下，活動(dòng)電極對(duì)隔離層產(chǎn)生擠壓變形，實(shí)際撓度大于理論撓度，表現(xiàn)為差分電容的測(cè)量值總體上正偏離于計(jì)算值，并且隨著探診力加大偏離程度也加大。以探診力大小為擬合權(quán)重對(duì)計(jì)算曲線進(jìn)行修正，通過最小二乘法擬合，可以得到更精確的差分電容計(jì)算模型:

式中:F為探診力，ΔC為根據(jù)式(4)得到的差分電容計(jì)算值。修正曲線如圖7中的虛線所示，與實(shí)測(cè)均值最大偏差為2.49%。

圖7 探針探頭差分電容與探診力之間的關(guān)系

式(1)到式(8)建立了探診力和探針電容之間的計(jì)算模型，能夠滿足探診力連續(xù)計(jì)算的要求。但對(duì)臨床應(yīng)用而言，通常只需關(guān)注幾個(gè)關(guān)鍵探診力測(cè)量點(diǎn)，對(duì)探診力進(jìn)行分段顯示即可。臨床上一般認(rèn)為0.25 N是相對(duì)普適的探診力，最大不超過0.5 N。據(jù)此，選0.15 N、0.25 N、0.35 N、0.45 N和0.5 N這五個(gè)探診力進(jìn)行探針電路的力感知實(shí)驗(yàn)，方法為:用圖3所示的探針電路板代替圖5中的精密LCR數(shù)字電橋，探針探頭電極導(dǎo)線通過電路板上的接插件11以差分方式接入AD7745電容檢測(cè)模塊；設(shè)置AD7745的檢測(cè)頻率為10 Hz，每個(gè)測(cè)量讀數(shù)屏蔽低5位進(jìn)行低通濾波，每測(cè)5個(gè)點(diǎn)取中值作為一次測(cè)量讀數(shù)；調(diào)整精密三軸移動(dòng)平臺(tái)工作面的高度，使探診力從低到高再從高到低分別穩(wěn)定在各測(cè)力點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，往返三次；將每次測(cè)量的原始數(shù)據(jù)通過HY-40R204藍(lán)牙模塊直接發(fā)送到藍(lán)牙主機(jī)進(jìn)行記錄；對(duì)每個(gè)測(cè)力點(diǎn)的三次往返測(cè)量讀數(shù)取平均作為該探診力下AD7745的標(biāo)定值，如表2所示。

表2 AD7745的探診力測(cè)量與顯示

表2同時(shí)給出了根據(jù)AD7745的標(biāo)定值換算得到的差分標(biāo)定電容值，以及對(duì)應(yīng)探診力作用下由LCR精密數(shù)字電橋測(cè)量得到的差分電容值?？傮w來看，AD7745的電容測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定地大于LCR精密數(shù)字電橋的測(cè)量結(jié)果，可能來自于電路板各種寄生電容的影響。將表2中的AD7745的標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入軟件應(yīng)用層的Probe.c源程序中，并在程序中根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)通過紅(LEDR)綠(LEDG)兩個(gè)LED的亮(1)滅(0)和閃爍(F)的狀態(tài)組合對(duì)探診力進(jìn)行分段顯示，規(guī)則見表2。

2.2 語音交互實(shí)驗(yàn)

根據(jù)口腔門診牙周檢測(cè)記錄表的內(nèi)容，對(duì)探診深度和出血指數(shù)這兩個(gè)診查指標(biāo)進(jìn)行語音交互實(shí)驗(yàn)，分別代表數(shù)字類檢測(cè)指標(biāo)和指數(shù)類檢測(cè)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)安排為:①實(shí)驗(yàn)人員五名，男性三人，女性兩人，平均年齡33歲，分別來自陜西、四川和甘肅，普通話常規(guī)發(fā)音，比如把11讀為“shiyi”；②實(shí)驗(yàn)采用探針提問-實(shí)驗(yàn)人員回答-探針識(shí)別的模式，如果識(shí)別結(jié)果在關(guān)鍵詞范圍內(nèi)，探針報(bào)告識(shí)別關(guān)鍵詞，否則探針報(bào)告“無法識(shí)別”；③探針提問內(nèi)容模擬普通牙周探診中的醫(yī)護(hù)交流，比如“請(qǐng)報(bào)告當(dāng)前牙位”等，探針識(shí)別關(guān)鍵詞與問題對(duì)應(yīng)，符合牙周檢測(cè)的參數(shù)范圍，如表3所示；④語音識(shí)別程序綜合采用了動(dòng)態(tài)加載、冗余關(guān)鍵詞和語音垃圾池技術(shù)，每次動(dòng)態(tài)加載的內(nèi)容包括識(shí)別關(guān)鍵詞、冗余關(guān)鍵齒和垃圾語音，如表3所示；⑤針對(duì)具體問題，每個(gè)實(shí)驗(yàn)人員用各識(shí)別關(guān)鍵詞和冗余關(guān)鍵詞回答分別回答5次，如果識(shí)別結(jié)果在關(guān)鍵詞范圍內(nèi)，探針復(fù)述后由實(shí)驗(yàn)人員確認(rèn)正確與否。

表3 語音交互實(shí)驗(yàn)情況

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)所有識(shí)別關(guān)鍵詞和冗余關(guān)鍵詞，語音交互正確識(shí)別率都在90%以上，其中，對(duì)多個(gè)連續(xù)數(shù)字的識(shí)別率較差，都不到95%。經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)改變數(shù)字發(fā)音，比如把數(shù)字11的正常發(fā)音“shiyi”改成“yaoyao”，數(shù)字21的正常發(fā)音“ershiyi”改成“eryao”，“shisi”改成“yaosi”，“si”改成“l(fā)ingsi”，“shi”改成“yaoling”等，能夠顯著提高識(shí)別正確率，可達(dá)98%以上。

表3中對(duì)確認(rèn)指令進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，要求醫(yī)生只能回答對(duì)錯(cuò)，并將其他可能的回答都列入垃圾池，因而達(dá)到了100%的語音識(shí)別正確率。將其作為軟件控制的最后環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)語音交互工作軟件時(shí)，采用探針提問-醫(yī)生回答-探針重復(fù)-醫(yī)生確認(rèn)的交流形式，進(jìn)一步保證語音交互的流暢性。

2.3 模擬探診實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室用牙模進(jìn)行了模擬探診實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖8所示。手機(jī)端運(yùn)行TTC-BLE藍(lán)牙主機(jī)APP，探診電路的HY-40R204模塊工作在藍(lán)牙從機(jī)模式，透?jìng)鞑ㄌ芈?56 000。實(shí)驗(yàn)流程實(shí)現(xiàn)第1.3節(jié)中闡述的探針工作流程，以其中報(bào)告探診牙位的語音交互過程為例，對(duì)探針提問-醫(yī)生回答-探針識(shí)別并重復(fù)-醫(yī)生確認(rèn)的交流形式予以詳細(xì)說明如下:①探針播報(bào)“請(qǐng)報(bào)告當(dāng)前牙位”，然后進(jìn)入語音監(jiān)聽與識(shí)別狀態(tài)；②實(shí)驗(yàn)人員在30 s內(nèi)回答當(dāng)前牙位，比如“sisan”(FDI牙位43)；③探針識(shí)別語音，如果識(shí)別結(jié)果在牙位關(guān)鍵詞內(nèi)，則語音復(fù)述后進(jìn)行語音監(jiān)聽與識(shí)別，否則回到步驟1；④實(shí)驗(yàn)人員根據(jù)復(fù)述的牙位是否正確，相應(yīng)回答“dui”或“cuo”，電路識(shí)別為“dui”則繼續(xù)，并將當(dāng)前牙位上傳藍(lán)牙主機(jī)后執(zhí)行下一步任務(wù)，否則回到步驟1。

圖8 模擬探診實(shí)驗(yàn)

模擬探診實(shí)驗(yàn)顯示，所開發(fā)的語音交互與力感知牙周探針能夠正常地完成設(shè)定功能:語音交互比較流暢，識(shí)別內(nèi)容的確認(rèn)機(jī)制能夠保證語音交互不被中斷；探診力指示LED燈能夠根據(jù)設(shè)置分段顯示探診力；藍(lán)牙通訊信號(hào)傳輸及時(shí)準(zhǔn)確。存在的主要問題在于LD3320直接驅(qū)動(dòng)8Ω0.5 W扁平喇叭的音質(zhì)效果一般，低音有斷續(xù)現(xiàn)象，高音有破音現(xiàn)象，需要進(jìn)一步改善。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證性實(shí)現(xiàn)了一種無線便攜的語音交互與力感知式智能牙周探針，利用探診力作用下探針工作尖懸臂的撓曲效應(yīng)引起的差動(dòng)電容變化來實(shí)現(xiàn)探診力感知，利用語音識(shí)別與播報(bào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和儀器間的語音交互。所設(shè)計(jì)的探針克服了現(xiàn)有探針的兩個(gè)主要缺陷，一方面有利于醫(yī)生根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)在合理范圍內(nèi)控制探診力度，提升患者體驗(yàn)度和診查一致性；另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)記錄和傳輸多項(xiàng)牙周診查參數(shù)，可以提高牙周探診效率，降低牙周診查臨床成本。

論文建立了探針力感知探頭的計(jì)算模型，完成了功能驗(yàn)證階段的軟硬件開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了牙周探診功能實(shí)驗(yàn)，基本上實(shí)現(xiàn)了探針開發(fā)的功能性目的，表明所提出的語音交互與力感知式智能牙周探針具備產(chǎn)品開發(fā)可行性。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)和性能完善，包括醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和探針播報(bào)音質(zhì)改善等，可以形成高品質(zhì)創(chuàng)新型的新一代牙周探針，有利于為口腔醫(yī)患雙方提供性能更先進(jìn)、使用更便利、體驗(yàn)更友好的牙周探診工具。