人工耳蜗体外机的改造计划

  日期：2024-09-01 作者: 成功案例

  人工耳蜗是一种精密的电子装置，其工作原理是将声音转换为特定编码形式的电信号，通过体内植入的电极系统直接刺激听神经，从而重建极重度聋人的听觉功能。这种技术的发展源自 20 世纪 20 年代，当时法国的科学家成功将电信号传输到一只猫的听神经，让它能够感知声音，这项实验为人工耳蜗的发展奠定了基础。随后的几十年里，科学家们不断尝试改进和完善人工耳蜗技术。

  1982 年， 澳 大 利 亚 Cochlear 公 司与墨尔本大学合作研发成功 Nucleus 22 型人工耳蜗产品，同年通过了美国食品药品监督管理局认可，这是全世界首先使用的多通道耳蜗装置，全覆盖人工耳蜗剖面如图 1 所示。

  自此，人工耳蜗发展进入了快车道，全世界有十几万聋人开始使用人工耳蜗，其中半数以上是儿童。在我国，多通道人工耳蜗植入的技术已于 1995 年开始发展，人工耳蜗的安全系数逐渐提高，耳聋群体因“听力曙光”使生活获得了更大的改变。

  外部部分叫体外机，包括一个话筒、一个声音处理器和一个传输器。话筒接收周围的声音，并将其转换为电信号。声音处理器将电信号转换为数字信号，并根据特定的算法对声音做处理和优化。传输器将处理后的信号通过无线电或磁感应传输到内部部分，人工耳蜗工作原理如图 2 所示。内部部分由植入在耳内的电极阵列和外部部分的传输器相连。电极阵列植入在听神经中，将传输过来的电信号转化为神经冲动，并将其传输到大脑的听觉皮层，从而使用户能感知声音。

  多年来，人工耳蜗技术不停地改进革新和改进，实现了更好的听力恢复效果。现代人工耳蜗具有更小、更轻、更灵敏的设计，使得用户都能够更自然地感受声音。语音处理算法的改进和高级技术的运用，如噪声抑制、方向感应和音乐感知，进一步提升了人工耳蜗的效果和用户体验。

  前一段时间，我收到了朋友寄来的一台澳大利亚 Freedom 人工耳蜗控制器（见图 3），据我评估，它经过多年使用，表面老化，按键无响应，插头损坏，而且航时也很短（约10h）。因此，我决定帮助朋友改造这个控制器，修复问题并改善续航能力。

  人工耳蜗目前主要使用纽扣电池或 5 号碱性电池，以及可充电电池（如锂电池）。纽扣电池或 5 号碱性电池在人工耳蜗中的应用较为常见，这些电池体积小巧，便于用户佩戴，并且相对成本较低。用户都能够很容易购买并更换电池，使人工耳蜗从始至终保持运行。然而，这类电池也存在一些弊端，它们是一次性电池，不能重复充电使用，需要经常更换，这对于经常使用人工耳蜗的用户来说可能会带来一些不便。此外，这些电池的电量相比来说较低，航时有限，需要常常检验核查和更换，以确保人工耳蜗从始至终保持正常运行。

  这个处理器型号是澳大利亚Freedom，2005 年上市，使用年份很久，早已过了保修期，维修费足以更换全新同样型号设备，属于是“食之无味 , 弃之可惜”。朋友表示已经佩戴了双侧耳蜗，不影响他正常使用，不如拿来改一改，改好了能省去很多费用，给它第二次生命；改坏了也不影响他使用新设备，所以能大胆地改造。

  我计划先维修再改造。对于航时的改造，要切掉控制器多余的外壳，打印新外壳，用锂电池替代原先的 2 节 5 号电池，并使用双层 PCB设计。PCB 正面放置元器件和充电芯片，充电芯片我选择了 TP4056 芯片（见图 4）。

  我还给设备配备 USB Type-C接口，便于充电。由于 2 节 5 号电池每节电压为 1.5V，因此还需添加降压模 块， 我 选 用 了 AMS1117-3.3V 芯片（见图 5），我设计的电路如图 6所示。

  首先，我拆开了人工耳蜗控制器，用万用表的通断挡检查轻触开关，发现 3 个轻触开关需要使劲按才有反应，所以更换了轻触开关，采用了点动 型 宽 4.5mm、 高 1.5mm 的 贴 片4 引脚轻触开关。对于柔性 PCB 排线），常规的修复方式没有办法解决。我采用漆包铜丝进行飞线连接，先使用小刀去除柔性 PCB 上的表面保护膜，露出导体铜箔，然后将漆包铜丝的一端焊接在导体铜箔上（见图 8）。

  全部焊接完成后，将另一端焊接在插头引脚上（见图 9）。注意，焊接时电烙铁头的温度不宜过高，350℃焊接 3s 即可，焊接结束后用洗板水擦一下，然后使用紫外光固化油墨做固定（见图 10）。

  我使用万用表的通断挡检查线路和插头是否导通，安装两节 5 号碱性电池，按下开关，设备正常开机。

  我使用嘉立创 EDA 平台设计了该项目的 PCB，选择这样的平台是因为嘉立创无偿提供打样服务。PCB 需要尽可能小巧，以便收纳在控制器内部，控制器的轻触开关 PCB 是长条状的（见图 11）。

  我设计了一个 U 形的充电模块放在轻触开关 PCB 周边。PCB 边框使用 SolidWorks 绘制，并将其转换为DXF 格式，然后在嘉立创 EDA 中导入该文件，依据电路原理合理地布局各个元器件的位置（见图 12）。

  充电接口采用 USB Type-C 插板，因外壳比较小，我采用大量 0603贴片封装元器件。由于没加热台，我用电烙铁头在 PCB 贴片焊盘上焊一个锡点，然后把贴片放在焊盘锡点，再立即移走电烙铁头，等一个焊盘锡点固化后，再焊接下一个。

  锂电池的容量为 1600mAh，电压为 3.7V，航时可达 40h，平均可使用约 4 天，这一改进方案我是非常满意的。

  我使用 SolidWorks 进行外壳设计（见图13），需要对控制器内部进行切割，除掉多余的零配件。同时，外壳盖也要重新设计，边缘要有公止口和母止口，作用是阻挡汗水从外部进入内部，从而保护电子元器件。为了安装 USB Type-C 接口，我在底部预留了开口。3 个按键盖分别对应 3 个轻触开关，安装在一面外壳内，3D 打印的外壳如图 14 所示。

  组装过程如图 15 所示，电池与控制器的轻触开关 PCB 贴合在一起，再与充电模块贴合，使用双面胶做固定。电池的红色和黑色两根线焊接到充电模块的电池 + 和电池 - 焊盘上，控制器的红色和黑色两根线焊接到输出 + 和输出 - 焊盘上。充电模块的 USB Type-C 接口对准外壳底部的开口，周边使用 E8000 胶水黏固，确保密封性。将控制器部分插入外壳，使用 704 硅胶进行牢固黏合，保证密封性。

  最后，使用 M3 内六角螺栓紧固，这样改装工作就完成了，改装后成品如图 16 所示。

  本项目旨在减少相关成本、延长设备续航时间、方便充电。我成功修复了这台原本要报废的人工耳蜗控制器，为朋友节省了数千元的维修费用。朋友收到改造后的人工耳蜗控制器使用了一周后，非常激动，这个改造项目不仅是技术的胜利，更是对创造力和坚持的肯定。我希望未来可以给人工耳蜗佩戴者带来更多的福音。