无线与网络通信技术在现代助听器中的应用

张朝英 王树峰

传统助听器属于II类医疗器械，一般由传声器（麦克风）、放大器、受话器（耳机）、电源四大部分组成，验配师可根据佩戴者的听力损失程度和个人生活需求进行个性化验配，帮助患者实现听力康复。随着通信技术的飞速发展，助听器被赋予了全新的意义，因其融入了无线与网络通信技术，在补偿听力损失的同时,也改变着听障者的生活方式。

从最新科技与未来发展方向看，现代数字助听器除了硬件和软件两大组成部分外，还有无线与网络通信作为助听器的第三部分。三个部分互相联系、互为依存，极大地丰富了听障者的生活。比如，手机APP可以自由操控助听器的放大性能，助听器以无线方式连接智能手机、电视机、常用电声学设备等。可以预期，健听者也将受益于现代助听器的无线功能。

1 现代助听器的硬件构造

1.1 硬件组成

现代助听器由电声学装置组成，是佩戴在患者双侧外耳的助听器系统，并具有双耳实时无线连接功能（图1）。基本助听器系统均由7部分硬件组成：①声源信号输入。当前有4种可能的方式，即麦克风-1、麦克风-2、辅助输入和第4种无线方式。其中麦克风-1是主体，与麦克风-2同时工作可加强某个方向的目标信号，进而生成几种可选的方向接受方式。辅助输入有多种可能，最常见的是电感线圈，另有FM系统输入或直接音频信号输入等；②信号处理与放大器。是现代化数字式助听器的主要组成部分，由几个功能性模块芯片集成的一个片上系统（System on Chip，SoC）；③电池。鉴于当前充电电池在方便程度与费用方面尚无明显优势，锌空电池仍为主流使用电池；④声信号输出，即耳道内微型喇叭。也可用做独立信号发生器，如简易“耳内（In-situ）”听力计，耳鸣掩蔽器等；⑤手触控制。允许使用者对助听器做简单控制，如变换聆听程序，调节音量等；⑥助听器有线编程口。用于连接助听器与验配电脑，进而选配和调试助听器；⑦无线传输端。可同时用于接收与发送电信号，其连接的另一方可能是对侧耳助听器、智能手机、无线遥控器、无线编程或无线麦克风等，而当“无线电信号”传输为“无线声信号流”（audio streaming）时，该部分即变成①的第4种输入方式。

图1 助听器系统的硬件组成

1.2 助听器系统的基本外观

一对顶级受话器置于耳道的助听器（receiver in the canal，RIC）即使其具有以上7部分硬件配置，从纯外观看，仍比电视遥控器简单得多，因为其各种强大的功能和性能大多体现在实际的使用中，并不需要使用者直接调试。对包含最新技术的双耳助听器产品（图2），如果把其中一个助听器分解，其构件组成也并不复杂。原因在于，助听器的各种高级性能及具体实现，主要通过数字信号处理器与电子器件微型化的应用来完成，并由看不见摸不到的声波在耳道中体现。而现实是厂家的产品宣传资料通常会将消费者淹没在各种名称之中，即便是经过总结和提炼的资料，如美国助听器消费指南（consumer’s guide to hearing aids），仍难以将所有助听器性能合理的联系起来。传统耳后式或定制式助听器，除外壳以外，其内部核心器件都是一样的，即助听器的价格与技术含量并不主要由其款式（外观）决定。

图2 用户视角下的RIC助听系统

2 现代助听器系统的软件组成

2.1 助听器验配的基本数据

不论助听器的价格、款式和性能如何，即使是最高等级的助听器，都需要验配。而听损患者的听力图、助听器频响与增益范围（图3）是与助听器验配相关的重要数据。

图3 助听器验配所需的基本数据

助听器的基本功能是用电声放大的方式拓展听力损失造成的听觉动态响度范围变窄，其工作能力取决于助听器工作频率范围内的最大输出功率与稳定的输出增益范围，因此在选择助听器时，应先考虑患者的听力损失是否在助听器的验配范围内，再进一步选择各种性能。与市场热门电子消费产品（如手机或高保真音响等）不同，无论最顶级或是最基本的助听器，首先要能满足最基本的听力损失补偿功能：在有听力损失的音频段根据输入信号声强度，对正常环境下的小声进行放大，而对大声输入则合理地减少放大，即对原声信号不是“保真”而是进行合理的“扭曲”，以期将缩小的听觉动态范围重新向正常听力范围扩展。验配师在面对一款全新或高级的助听器功能时通常考虑以下3个方面：①这个产品如何具体实现听力补偿的设置，例如怎样有效使用验配软件中的验配工具；②怎样实际有效地扩展变窄的听觉动态范围，例如怎样验证各种功能的有效性；③是否改善使用者的舒适体验并最大限度地适应多种聆听环境与个性化生活习惯。也就是说,要回答好以下三个问题：在验配过程中怎样设置与配置？用户在使用过程中其助听效果怎样检验与确定？对患者而言其使用是否更舒适方便？

2.2 助听器系统的软件开发基础

助听器各种软件功能均在片上芯片系统（SoC）这个核心硬件基础上实现。口语化的“助听器芯片”即指整体“片上系统”，它包含了几个更小的模块芯片：①线性/数字（A/D）转换与电源管控；②DSP数字信号处理器；③Flash或EEPROM长期存储记忆体；④W/L和无线通信信号处理器。尽管各厂家可能拥有自己的“芯片”，但这几个模块必不可少。目前各类硬件已进步到体积足够小与性能多样化，各类微型处理器都兼有强大的计算与信号处理能力。一个更好或先进的科技产品首先需要先进的整体系统设计，继而由软件连接并组合硬件模块成为最终产品。例如苹果手机（iPhone），其核心是先进与更加合理的功能设计，藉由苹果公司的软件操作系统（iOS）整合各硬件模块组合并建立的应用平台，并在这个平台上开发应用软件以实现最终产品的各种主要性能。当前最先进的助听器系统也具有同样的特性：其核心技术是其整体系统与性能设计，然后主要由软件设计与开发来实现。

2.3 助听器系统的信号处理方式及特点

现代数字助听器的操作过程与一台智能手机或个人电脑一样：当电源开启后，各个硬件部分首先进入初始状态，然后操作系统软件（如微软的“视窗”或苹果的“iOS”）开始运行，直到电源切断。由操作系统软件负责管理各种应用软件程序的启动、运行与完成步骤，即助听器的各种功能是由某些应用软件运行并与硬件配合实现的。区别在于，智能手机大部分时间在等待使用者下达指令以完成某个任务，而助听器的主要职责是实时、连续的处理声信号。最新助听器的功能可分为两大类：一类是在实时连续声信号处理时执行，另一类是非实时连续声信号处理时执行。

非实时连续声信号处理属于辅助性（非助听）功能，包括耳端听力测试、助听器反馈啸叫路径估测和简单助听器功能自测。这类性能的执行需要把助听器的主要助听（实时连续声信号处理）功能完全停下以后单独执行，主要由验配师或厂家通过其他途径（如“验配软件”等）操作并使用。

助听器是一个典型的微型可穿戴设备（wearable device）主要用来实现实时连续声信号处理放大，其各种高级性能均围绕声信号的放大与处理展开。当声信号从信号源到达位于患耳的助听器时，一个先进的助听器输入端应具有多个途径和可独立选择的功能：

①从“主麦克风”输入；

②从“辅助麦克风”或同时从主麦克风与辅助麦克风输入；

③从“电感线圈”或同时从主麦克风与电感线圈输入；

④从“无线声信号流（audio streaming）”输入，如智能手机语音/音频、无线麦克风/电视拾音等；

⑤从“辅助输入口”输入，通常可能需要一个外加的特制音靴，如FM系统或拾音插座。

2.4 助听器系统的控制与调节功能

控制与调节各种信号处理是助听器的重要功能。助听器验配中有一部分可调参数开放给使用者，例如某个功能的开启、停止或关闭。这些参数多由厂家提供的验配软件与其助听产品连接并控制使用。除了综合性的验配软件，还有可能用到某些辅助性的控制方式或设备，如无线遥控器、智能手机或助听器机体上的控制开关。

3 助听器系统的概念部件

“无线与网络通信”是一个概念部件，可能的通信体包括：助听器与助听器之间、助听器与无线功能控制器之间、助听器与智能手机之间等。它是助听器独立功能控制的一部分，而不是其它无线设备（如智能手机或遥控器等）的附属部分。

综上所述，笔者希望读者通过本文了解现代助听器都包括什么，有助于验配师在工作中更有效地服务听障患者。需要注意的是：①现代化的助听器开发与当前科技产品一样，其核心技术是以整体系统功能设计为平台，用软件整合硬件从而实现各种功能；②助听器需要专业有效的验配以实现其各种基本功能；③无线通信与网络以及个人化智能掌上设备的应用正在开启助听器的重大变革。面对众多品牌与各种性能，一个年龄70岁自己主动来验配的老人，与一个80岁高龄由家人带来被动验配的老人，他们的需求可能有很大差别。一对成功的先进助听器的选配过程，首先以各个不同的生活需求为中心来选择硬件与性能搭配，然后合理的启用与调试各个性能。不同于当前对电子产品追求最新性能的消费趋势，助听器验配的实质追求不是所谓的最新性能，而是满足听障者日常生活中的沟通需要，并要能够维持3～5年的时间。