讯享网

 <p id="2VR61QSE"><strong><strong><strong>人工耳蜗体外机的改造计划</strong></strong></strong><br/></p><p id="2VR61QSK">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。</p><p id="2VR61QSL">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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F6d6c73ccj00sj0xqa00njd200u000qeg00it00gj.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QSO"><strong>图 1 全覆盖人工耳蜗剖面</strong></p><p id="2VR61QSQ">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经于 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。</p><p id="2VR61QTF"><strong>构成及原理</strong></p><p id="2VR61QTJ">人工耳蜗由两个主要部分组成：外部部分和内部部分。</p><p id="2VR61QTK">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进行处理和优化。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，从而使用户能够感知声音。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F464ab6d7j00sj0xqb00end200u000jpg00it00cc.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QTN"><strong>图 2 人工耳蜗工作原理</strong></p><p id="2VR61QTP">多年来，人工耳蜗技术不断创新和改进，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，使得用户可以更自然地感受声音。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，进一步提高了人工耳蜗的效果和用户体验。</p><p id="2VR61QU1"><strong>改造过程</strong></p><p id="2VR61QU5">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，而且续航时间也很短（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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F9c45d473j00sj0xqc001xdhg0099007h.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QU8"><strong>图 3 Freedom 人工耳蜗控制器</strong></p><p id="2VR61QUA"><strong>人工耳蜗电池</strong></p><p id="2VR61QUB">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。用户可以很容易购买并更换电池，使人工耳蜗始终保持运行。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，这对于长期使用人工耳蜗的用户来说可能会带来一些不便。此外，这些电池的电量相对较低，续航时间有限，需要经常检查和更换，以确保人工耳蜗始终保持正常运行。</p><p id="2VR61QUC">相比之下，可充电电池可以重复充电使用，使用起来更加经济和环保。</p><p id="2VR61QUD"><strong>改造思路</strong></p><p id="2VR61QUE">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。</p><p id="2VR61QUF">我计划先维修再改造。对于续航时间的改造，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）。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fca1cdf03j00sj0xqc002dd200a0007og00a0007o.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QUI"><strong>图 4 TP4056 芯片</strong></p><p id="2VR61QUK">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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Faa7a64dej00sj0xqd007fd200f100bng00b1008j.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QUO"><strong>图 5 AMS1117-3.3V 芯片</strong></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Ffaj00sj0xqe0062d200u000vvg00cc00d3.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QUR"><strong>图 6 电路</strong></p><p id="2VR61QUT"><strong>维修过程</strong></p><p id="2VR61QUU">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 排线断裂（见图 7），常规的修复方式无法解决。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）。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F4d02e9bej00sj0xqi01rdd200py00ylg00by00fx.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QV1"><strong>图 7 柔性 PCB 排线断裂</strong></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fc7217d15j00sj0xql00x3d200q400jyg00ci009j.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QV4"><strong>图 8 焊接导体铜箔</strong></p><p id="2VR61QV6">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进行固定（见图 10）。<br/></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fdc1c241fj00sj0xqn0107d200q400k0g00br0090.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QV9"><strong>图 9 焊接插头引脚</strong></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fa665f6f2j00sj0xqr01tgd200pv01bvg00b300ki.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QVC"><strong>图 10 使用紫外光固化油墨进行固定</strong></p><p id="2VR61QVE">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。</p><p id="2VR61QVF"><strong>PCB设计</strong></p><p id="2VR61QVG">我使用嘉立创 EDA 平台设计了该项目的 PCB，选择这个平台是因为嘉立创提供免费打样服务。PCB 需要尽量小巧，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）。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fee0a0578j00sj0xqu01mnd200je00ung00cg00jn.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QVJ"><strong>图 11 3 个轻触开关和 1 块 PCB</strong></p><p id="2VR61QVL">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，根据电路原理合理布局各个元器件的位置（见图 12）。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F5c005c32j00sj0xqw007pd200iq00bng00iq00bn.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61QVO"><strong>图 12 PCB 渲染</strong></p><p id="2VR61QVQ">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。由于没有加热台，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。</p><p id="2VR61QVR">锂电池的容量为 1600mAh，电压为 3.7V，续航时间可达 40h，平均可使用约 4 天，这一改进方案我是非常满意的。</p><p id="2VR61QVS"><strong>外壳设计</strong></p><p id="2VR61QVT">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，外壳盖也需要重新设计，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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F7b054a09j00sj0xqy007kd200li00j7g00cu00bg.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61R00"><strong>图 13 外壳设计</strong></p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F1143d5cej00sj0xqz00frd200q300ekg00it00ah.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61R03"><strong>图 14 3D 打印的外壳</strong></p><p id="2VR61R04">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，使用双面胶进行固定。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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2F270e971cj00sj0xr0004bd200a1005vg00a1005v.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61R07"><strong>图 15 组装过程</strong></p><p id="2VR61R09">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。</p><p class="f_center"><img src="https://nimg.ws.126.net/?url=http%3A%2F%2Fdingyue.ws.126.net%2F2024%2F0830%2Fe9b12928j00sj0xrf00yfd200s800krg00it00dt.jpg&thumbnail=660x&quality=80&type=jpg"/><br/></p><p id="2VR61R0F"><strong>图 16 改装后成品</strong></p><p id="2VR61R0J"><strong>结语</strong></p><p id="2VR61R0M">本项目旨在降低成本、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。</p>