设计指南4691

助听器介绍及其设计要点

John DiCristina

摘要:这篇应用笔记将介绍助听器的类型,包括耳背式(BTE)、耳内式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC),并简单总结助听器所用的模拟和数字技术,讨论音频处理的重要性,以及关键电子元器件的功能和选型。

概述

电子助听器是置于耳内或耳附近用以提高听觉障碍患者听力的小型设备。助听器的基本单元包括麦克风、信号调理电路、接收器(也称为扬声器)、以及电池。麦克风将声信号转换成电信号,信号调理单元则可简可繁,简单的仅将音频信号按固定比例放大,复杂的则需利用数字信号处理器进行均衡。扬声器将电信号转换成声信号,而电池则为电子元器件提供电源。

类型

目前市场上主要有4种类型的助听器,体积从大到小依次是包括耳背式(BTE)、耳内式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)。BTE位于耳后,用一个软管连接耳内的耳模发声。由BTE还发展出来一种开放式(OTE)助听器,耳模被一个小耳塞代替,给人耳一种更开放的感受。其它的变型还包括用导线替代软管,并将扬声器从耳后移到耳内。ITE将助听器放入外耳,和耳模成为一体,这种助听器几乎将外耳填满,看起来是一大块。ITC将助听器填入耳道内,减小了占用外耳的空间,但还是容易被看见。CIC是各类型中最小的,助听器被完全置入耳道内,从外面几乎看不见。

耳背式(BTE)、耳内式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)助听器,Starkey Laboratories, Inc.授权照片。
耳背式(BTE)、耳内式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)助听器,Starkey Laboratories, Inc.授权照片。

技术演进

助听器在技术上基本分为两类,模拟助听器和数字助听器。首先诞生的是模拟助听器,仅在模拟域处理电声信号,而最近才诞生的数字助听器则在数字域处理电声信号。最早的模拟助听器既放大语音也放大噪音,而且需要先测试患者对特定频率的敏感程度后专门定制。后来的一些模拟助听器可以在试戴过程中编程,另一些助听器佩戴者可利用一个按键自己选择预设的几种不同频响。数字助听器也可在试戴过程中编程,并具有多种佩戴者可选的频响。将声音数字化的技术使降噪、滤波、声反馈(自激)控制等成为可能。由于数字助听器相对模拟助听器性能和灵活性的大幅提升,目前销售的助听器大部分都是数字式的。

数字助听器功能框图
数字助听器功能框图。

特性

目前的助听器有许多新特性,包括音量调整、遥控、拾音线圈、直接音频输入、FM接收、Bluetooth®、指向性麦克、压缩、钳位、移频、风噪管理、数据记录、自学习、防潮、耳模通风。有一些特性没法在助听器内部狭小空间内实现,需要占用外部空间,而另外一些则可以在助听器内部实现。

音量调整可通过助听器上的按键或滚轮实现,而使用遥控器则可避免在狭小的助听器上安装按键或滚轮,但仍能控制助听器的所有功能。拾音线圈可以用来替代麦克风,拾音线圈在以前使用电磁线圈扬声器的老式电话机中通过拾取磁信号来帮助打电话的人提高通话质量。今天的电话或其它收听设备都内置拾音线圈这一功能并专门指出和助听器兼容。直接音频输入和FM接收是另外两个助听器输入信号的方式,第一个要用有线方式连接,另一个实际就是FM收音机。另外一个新趋势是集成Bluetooth功能,这样就可以从手机或音乐播放器中接收信号。Bluetooth既可以集成到助听器也可以作为附件通过拾音线圈或FM接入助听器。

带有指向性麦克风的助听器有两个或以上的麦克风面向不同的方向接收信号,这样做可以提高在嘈杂环境中收听的信噪比(SNR),而使用数字信号处理技术可进一步提高话音质量。压缩和钳位在音量过大时降低音量以使人耳感觉更舒适,但有些时候会限制音量。移频技术通过数字信号处理将语音移到低频,对那些患有高频听觉障碍的人很有帮助。风噪管理可以检测风声并消除其反馈,以防助听器佩戴者听到啸叫。

数据记录功能记录收听环境以及助听器如何被使用,听觉专家可以根据这些信息来微调助听器提升性能。自学习功能可利用记录的数据自动微调助听器提升性能。防潮功能可以降低因潮湿环境导致的返修率。耳模通风则可提高人耳佩戴耳模助听器时的舒适程度。

一般需求

助听器的关键元器件位于音频处理通道。主要包括一个或多个麦克风、扬声器以及前置放大器(如果需要的话)和扬声器放大器。D类功放和AB类功放相比功耗低、失真小、尺寸小,因而多用于现今的助听器。另外,无论音频带宽是20kHz还是被限制于8kHz,音频编解码器都应该具有高SNR以保证高回放音质。

数字助听器的核心是数字信号处理器(DSP),这是实现数字助听器所有优势的关键。各厂商采用不同的DSP技术,但通常包括分频段压缩/放大、正反馈消减、降噪、语音增强等,DSP还可以处理方向信息,并可调整助听器特性使其适合不同的佩戴者。

电源和电池管理

已经有一些助听器开始使用可充电的单节锂离子(Li+)电池,但多数还是使用一次性锌空气电池,根据助听器的类型和尺寸、电路功耗以及对使用时间的要求,目前主要使用5种尺寸的锌空气电池。表1对比了这五种最常用锌空气电池的容量和尺寸,以及它们的颜色代码以及通常被哪种助听器使用。

锌空气电池起始电压为1.4V,需要更换电池时的终止电压为1.0V或更低。如果按每天使用16小时计算,电池寿命在几天到几星期之间,取决于电池容量和助听器的设计。电池效率最高的设计从单节电池直接供电,然后使用开关调节器升压电路将电压提升来驱动1.8V或3.0V的助听器电路。使用锌空气电池的理想功耗在1mW至10mW之间。使用可充电Li+电池的助听器也许需要一个线性或开关稳压器来将4.2V的单节Li+电池满充电压降至电路可以接受的工作电压。也可以将电池充电电压限制在3.3V,这取决于电路的需要。为了防止听觉障碍患者在需要助听器帮助时电池电量耗尽,需要一个精确电量计提前做出低电量预警。

表1. 锌空气电池对比
Type Capacity (mAh) Size (d x h, mm) Color Code Style Usage
675 540 to 640 11.6 x 5.4 Blue BTE (high power), cochlear implants
13 230 to 285 7.9 x 5.4 Gold BTE, ITE
312 120 to 160 7.9 x 3.6 Burgundy miniBTE, ITE, ITC
10 60 to 90 5.8 x 3.6 Yellow ITC, CIC
5 30 to 40 5.8 x 2.1 Red CIC

静电防护

所有助听器必须满足IEC 61000-4-2静电防护(ESD)要求,使用内置静电防护的元器件或在外漏的走线上增加ESD保护器可以帮助满足这些要求。

Bluetooth是Bluetooth SIG, Inc.的字标,徽标是Bluetooth SIG, Inc.拥有的注册商标。Maxim已得到授权使用这些标志。



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