人工耳蝸體外機(jī)的改造計(jì)劃

人工耳蝸體外機(jī)的改造計(jì)劃

人工耳蝸是一種精密的電子裝置，其工作原理是將聲音轉(zhuǎn)換為特定編碼形式的電信號(hào)，通過(guò)體內(nèi)植入的電極系統(tǒng)直接刺激聽(tīng)神經(jīng)，從而重建極重度聾人的聽(tīng)覺(jué)功能。這種技術(shù)的發(fā)展源自 20 世紀(jì) 20 年代，當(dāng)時(shí)法國(guó)的科學(xué)家成功將電信號(hào)傳輸?shù)揭恢回埖穆?tīng)神經(jīng)，讓它能夠感知聲音，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為人工耳蝸的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨后的幾十年里，科學(xué)家們不斷嘗試改進(jìn)和完善人工耳蝸技術(shù)。

1982 年， 澳 大 利 亞 Cochlear 公 司與墨爾本大學(xué)合作研發(fā)成功 Nucleus 22 型人工耳蝸產(chǎn)品，同年通過(guò)了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局認(rèn)可，這是全世界首先使用的多通道耳蝸裝置，全覆蓋人工耳蝸剖面如圖 1 所示。

圖 1 全覆蓋人工耳蝸剖面

自此，人工耳蝸發(fā)展進(jìn)入了快車道，全世界有十幾萬(wàn)聾人開(kāi)始使用人工耳蝸，其中半數(shù)以上是兒童。在我國(guó)，多通道人工耳蝸植入的技術(shù)已經(jīng)于 1995 年開(kāi)始發(fā)展，人工耳蝸的安全系數(shù)逐漸提高，耳聾群體因“聽(tīng)力曙光”使生活獲得了更大的改變。

構(gòu)成及原理

人工耳蝸由兩個(gè)主要部分組成：外部部分和內(nèi)部部分。

外部部分叫體外機(jī)，包括一個(gè)話筒、一個(gè)聲音處理器和一個(gè)傳輸器。話筒接收周圍的聲音，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。聲音處理器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)特定的算法對(duì)聲音進(jìn)行處理和優(yōu)化。傳輸器將處理后的信號(hào)通過(guò)無(wú)線電或磁感應(yīng)傳輸?shù)絻?nèi)部部分，人工耳蝸工作原理如圖 2 所示。內(nèi)部部分由植入在耳內(nèi)的電極陣列和外部部分的傳輸器相連。電極陣列植入在聽(tīng)神經(jīng)中，將傳輸過(guò)來(lái)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)，并將其傳輸?shù)酱竽X的聽(tīng)覺(jué)皮層，從而使用戶能夠感知聲音。

圖 2 人工耳蝸工作原理

多年來(lái)，人工耳蝸技術(shù)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了更好的聽(tīng)力恢復(fù)效果。現(xiàn)代人工耳蝸具有更小、更輕、更靈敏的設(shè)計(jì)，使得用戶可以更自然地感受聲音。語(yǔ)音處理算法的改進(jìn)和高級(jí)技術(shù)的運(yùn)用，如噪聲抑制、方向感應(yīng)和音樂(lè)感知，進(jìn)一步提高了人工耳蝸的效果和用戶體驗(yàn)。

改造過(guò)程

前一段時(shí)間，我收到了朋友寄來(lái)的一臺(tái)澳大利亞 Freedom 人工耳蝸控制器（見(jiàn)圖 3），據(jù)我評(píng)估，它經(jīng)過(guò)多年使用，表面老化，按鍵無(wú)響應(yīng)，插頭損壞，而且續(xù)航時(shí)間也很短（約10h）。因此，我決定幫助朋友改造這個(gè)控制器，修復(fù)問(wèn)題并改善續(xù)航能力。

圖 3 Freedom 人工耳蝸控制器

人工耳蝸電池

人工耳蝸目前主要使用紐扣電池或 5 號(hào)堿性電池，以及可充電電池（如鋰電池）。紐扣電池或 5 號(hào)堿性電池在人工耳蝸中的應(yīng)用較為常見(jiàn)，這些電池體積小巧，便于用戶佩戴，并且相對(duì)成本較低。用戶可以很容易購(gòu)買并更換電池，使人工耳蝸始終保持運(yùn)行。然而，這類電池也存在一些弊端，它們是一次性電池，不能重復(fù)充電使用，需要經(jīng)常更換，這對(duì)于長(zhǎng)期使用人工耳蝸的用戶來(lái)說(shuō)可能會(huì)帶來(lái)一些不便。此外，這些電池的電量相對(duì)較低，續(xù)航時(shí)間有限，需要經(jīng)常檢查和更換，以確保人工耳蝸始終保持正常運(yùn)行。

相比之下，可充電電池可以重復(fù)充電使用，使用起來(lái)更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)保。

改造思路

這個(gè)處理器型號(hào)是澳大利亞Freedom，2005 年上市，使用年份很久，早已過(guò)了保修期，維修費(fèi)足以更換全新同樣型號(hào)設(shè)備，屬于是“食之無(wú)味 , 棄之可惜”。朋友表示已經(jīng)佩戴了雙側(cè)耳蝸，不影響他正常使用，不如拿來(lái)改一改，改好了能省去很多費(fèi)用，給它第二次生命；改壞了也不影響他使用新設(shè)備，所以能大膽地改造。

我計(jì)劃先維修再改造。對(duì)于續(xù)航時(shí)間的改造，要切掉控制器多余的外殼，打印新外殼，用鋰電池替代原先的 2 節(jié) 5 號(hào)電池，并使用雙層 PCB設(shè)計(jì)。PCB 正面放置元器件和充電芯片，充電芯片我選擇了 TP4056 芯片（見(jiàn)圖 4）。

圖 4 TP4056 芯片

我還給設(shè)備配備 USB Type-C接口，便于充電。由于 2 節(jié) 5 號(hào)電池每節(jié)電壓為 1.5V，因此還需添加降壓模 塊， 我 選 用 了 AMS1117-3.3V 芯片（見(jiàn)圖 5），我設(shè)計(jì)的電路如圖 6所示。

圖 5 AMS1117-3.3V 芯片

圖 6 電路

維修過(guò)程

首先，我拆開(kāi)了人工耳蝸控制器，用萬(wàn)用表的通斷擋檢查輕觸開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn) 3 個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)需要使勁按才有反應(yīng)，所以更換了輕觸開(kāi)關(guān)，采用了點(diǎn)動(dòng) 型 寬 4.5mm、 高 1.5mm 的 貼 片4 引腳輕觸開(kāi)關(guān)。對(duì)于柔性 PCB 排線斷裂（見(jiàn)圖 7），常規(guī)的修復(fù)方式無(wú)法解決。我采用漆包銅絲進(jìn)行飛線連接，先使用小刀去除柔性 PCB 上的表面保護(hù)膜，露出導(dǎo)體銅箔，然后將漆包銅絲的一端焊接在導(dǎo)體銅箔上（見(jiàn)圖 8）。

圖 7 柔性 PCB 排線斷裂

圖 8 焊接導(dǎo)體銅箔

全部焊接完成后，將另一端焊接在插頭引腳上（見(jiàn)圖 9）。注意，焊接時(shí)電烙鐵頭的溫度不宜過(guò)高，350℃焊接 3s 即可，焊接結(jié)束后用洗板水擦一下，然后使用紫外光固化油墨進(jìn)行固定（見(jiàn)圖 10）。

圖 9 焊接插頭引腳

圖 10 使用紫外光固化油墨進(jìn)行固定

我使用萬(wàn)用表的通斷擋檢查線路和插頭是否導(dǎo)通，安裝兩節(jié) 5 號(hào)堿性電池，按下開(kāi)關(guān)，設(shè)備正常開(kāi)機(jī)。

PCB設(shè)計(jì)

我使用嘉立創(chuàng) EDA 平臺(tái)設(shè)計(jì)了該項(xiàng)目的 PCB，選擇這個(gè)平臺(tái)是因?yàn)榧瘟?chuàng)提供免費(fèi)打樣服務(wù)。PCB 需要盡量小巧，以便收納在控制器內(nèi)部，控制器的輕觸開(kāi)關(guān) PCB 是長(zhǎng)條狀的（見(jiàn)圖 11）。

圖 11 3 個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)和 1 塊 PCB

我設(shè)計(jì)了一個(gè) U 形的充電模塊放在輕觸開(kāi)關(guān) PCB 周邊。PCB 邊框使用 SolidWorks 繪制，并將其轉(zhuǎn)換為DXF 格式，然后在嘉立創(chuàng) EDA 中導(dǎo)入該文件，根據(jù)電路原理合理布局各個(gè)元器件的位置（見(jiàn)圖 12）。

圖 12 PCB 渲染

充電接口采用 USB Type-C 插板，因外殼比較小，我采用大量 0603貼片封裝元器件。由于沒(méi)有加熱臺(tái)，我用電烙鐵頭在 PCB 貼片焊盤上焊一個(gè)錫點(diǎn)，然后把貼片放在焊盤錫點(diǎn)，再立即移走電烙鐵頭，等一個(gè)焊盤錫點(diǎn)固化后，再焊接下一個(gè)。

鋰電池的容量為 1600mAh，電壓為 3.7V，續(xù)航時(shí)間可達(dá) 40h，平均可使用約 4 天，這一改進(jìn)方案我是非常滿意的。

外殼設(shè)計(jì)

我使用 SolidWorks 進(jìn)行外殼設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖13），需要對(duì)控制器內(nèi)部進(jìn)行切割，除掉多余的零配件。同時(shí)，外殼蓋也需要重新設(shè)計(jì)，邊緣要有公止口和母止口，作用是阻擋汗水從外部進(jìn)入內(nèi)部，從而保護(hù)電子元器件。為了安裝 USB Type-C 接口，我在底部預(yù)留了開(kāi)口。3 個(gè)按鍵蓋分別對(duì)應(yīng) 3 個(gè)輕觸開(kāi)關(guān)，安裝在一面外殼內(nèi)，3D 打印的外殼如圖 14 所示。

圖 13 外殼設(shè)計(jì)

圖 14 3D 打印的外殼

組裝過(guò)程如圖 15 所示，電池與控制器的輕觸開(kāi)關(guān) PCB 貼合在一起，再與充電模塊貼合，使用雙面膠進(jìn)行固定。電池的紅色和黑色兩根線焊接到充電模塊的電池 + 和電池 - 焊盤上，控制器的紅色和黑色兩根線焊接到輸出 + 和輸出 - 焊盤上。充電模塊的 USB Type-C 接口對(duì)準(zhǔn)外殼底部的開(kāi)口，周邊使用 E8000 膠水黏固，確保密封性。將控制器部分插入外殼，使用 704 硅膠進(jìn)行牢固黏合，保證密封性。

圖 15 組裝過(guò)程

最后，使用 M3 內(nèi)六角螺栓緊固，這樣改裝工作就完成了，改裝后成品如圖 16 所示。

圖 16 改裝后成品

結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目旨在降低成本、延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間、方便充電。我成功修復(fù)了這臺(tái)原本要報(bào)廢的人工耳蝸控制器，為朋友節(jié)省了數(shù)千元的維修費(fèi)用。朋友收到改造后的人工耳蝸控制器使用了一周后，非常激動(dòng)，這個(gè)改造項(xiàng)目不僅是技術(shù)的勝利，更是對(duì)創(chuàng)造力和堅(jiān)持的肯定。我希望未來(lái)可以給人工耳蝸佩戴者帶來(lái)更多的福音。