便携式骨传导助听器的设计与实现

宋卓越 张燕燕 陈晶一

摘  要：当今社会已经步入信息化时代，听觉是人类接受信息的主要途径之一。骨传导是通过信号的震动将声音直接传递到内耳，而无须经由外耳和中耳的传递，可以有效防止外界噪聲的干扰。通过对骨传导助听器的原理、技术、缺点及发展方向的分析研究，总结出便携性是听障人士选用助听器的首选条件。而便携式骨传导助听器，听障人士佩戴起来更为便捷，使用效果更佳。故设计了便携式骨传导手环，能够为更多的听障人士带来方便。

关键词：骨传导;助听器;手环

中图分类号：TP212      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0031-05

Design and Implementation of Portable Bone Conduction Hearing Aid

SONG Zhuoyue，ZHANG Yanyan，CHEN Jingyi

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou  253034，China）

Abstract：Nowadays，the society has entered the information age，and hearing is one of the main ways for human to accept information. Bone conduction is the transmission of sound directly to the inner ear through the vibration of signal，without the transmission through the outer and middle ear，which can effectively prevent the interference of external noise. Through the analysis and research on the principle，technology，shortcomings and development direction of bone conduction hearing aids，it is concluded that portability is the first choice for hearing impaired people to choose hearing aids. The portable bone conduction hearing aid is more convenient and effective for hearing-impaired people. So the portable bone conduction bracelet is designed，which can bring convenience to more hearing impaired people.

Keywords：bone conduction;hearing aid;bracelet

0  引  言

国家级大学生创新创业训练计划（简称“国创计划”），包括创新训练项目、创业训练项目和创业实践项目三大类。教育部决定在“十二五”期间实施国家级大学生创新创业训练计划，旨在加快高等学校转变教育思想观念，深化人才培养模式改革，强化创新创业能力训练，提高高校学生的创新能力及其在创新基础上的创业能力，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才[1]。笔者申报的“便携式骨传导设备”获批省级2020年度大学生创新创业训练计划项目的立项并获得资助资金，因此基于此项目展开相关研究与设计。

在查阅资料后发现，便携式骨传导手环的可行性具体体现在大数据所反映的用户痛点及用户需求，并且从设计原理上看，便携式骨传导手环切实可行。大数据显示，2012年“第二次全国残疾人报告”中听力残疾人数为3 960万，其中有887万患者为7岁以下儿童[2]，并且每年因为各种因素而导致的聋儿数量达3万之多。骨传导技术作为一种助听技术，已广泛地被医生用于治疗因外耳或中耳长期发炎、骨病或者先天性外耳功能障碍而导致失去听力的病人。钱宇虹等对空气和骨传导听性脑干反应（Auditory Brainstem Response，ABR）测试做了研究[3]，强调它在新生儿感音神经性耳聋的检出及小耳畸形患者听力水平的识别中具有重要的临床表现。该技术也可用于传导性耳聋、混合性听力损失以及后耳蜗疾病的诊断，为快速准确的诊断奠定良好的基础。骨传导技术可用于听力障碍的人群，目的是使他们的生活更加便利。未成年人在佩戴传统助听器时会产生不适感，曾有患者使用润肤霜来缓解佩戴助听器带来的不适感，这种方法只能起到缓解作用，并不能解决实质问题，长时间佩戴后往往会令患者对传统助听器产生抵触心理，更会影响其生活。骨传导助听器的特点在于可直接将声音传至内耳，但由于骨传导助听器不但不够美观而且佩戴起来极其不舒适，因此很难被患者接受。为了解决这些问题，提高听障人士的生活质量，采用骨传导技术与配饰相结合的方式，将骨传导耳机作为配饰穿戴在患者身上。提高患者的接受度，是骨传导助听器拥有更好应用前景的基础。

1  骨传导助听器的原理

助听器的研究和发展，尤其是便携式骨传导助听器的发展，给听障人士带来了很多便利，提高了他们的沟通质量和水平。

当今常见的助听设备是采用空气传导的方式，声音通过外耳、中耳传入内耳。骨传导技术主要是利用振动进行传导，直接在颅骨周围产生振动，相较于气导助听器，不需要经由外耳、中耳这一个过程，即可将声音直接传到内耳，就像人可以听到自己咀嚼的声音，这就是骨传导的原理。

骨传导路径是颅骨、骨迷路、内耳淋巴液、螺旋器、听神经、大脑皮层中枢神经[4]。通常，正常人是不需要骨传导的路径获取声音的，但是当空气传导的途径发生问题，比如外耳或者中耳发生病变，就会降低空气传导的效果，产生听力障碍，这时候就需要一种能够避开外耳、中耳的传导途径，催生了骨传导这一技术的诞生。

如图1所示，骨传导助听器主要由五部分构成。其中降噪芯片是评价助听器性能的主要指标。降噪芯片的功能主要是降低背景噪声，控制声音的动态范围，多频段均衡以及自动增益。

2  骨传导助听器的技术分析

传统骨传导助听器主要是将接收到的语言信号转化为振动信号，振动信号通过经皮装置或穿皮装置传递到颅骨，进而进入听觉系统，最后使大脑得到声音的信号。这也是骨传导助听器的基本原理，本设计也将依照于此，声音转换过程如图2所示。

当前骨传导助听器的性能指标一般为：当声压为90 db时，输出声压大于120 db，助听器的内部噪声小于5 db，总谐波失真度≤0.03%，灵敏度为49 db。骨传导助听器的输出听力水平也与听力障碍者的听力损失程度有关。表1显示了骨传导助听器的频率与等效回路阀作用力水平之间的相关性。需要分析比较具体的参数来为听障人士选择合适的助听器。

3  便携式骨传导助听器的缺点及发展方向

相较于传统的助听器，骨传导助听器有了跨越式的进步，但我们也必须直面其不足之处，不断地对其进行改进和优化，这也是骨传导助听器未来的发展方向。

3.1  关于助听器佩戴时的舒适度问题

传统骨传导助听器挂在耳朵上使用时会导致耳朵疲劳，耳背疼痛，会对耳朵造成不同程度的损伤和影响。一般的骨传导助听器都会有佩戴不方便，佩戴时间久了造成耳朵疲劳以及声音传达效率低的明显缺点，这些缺点会对人的耳朵造成不同程度的损害，为了保护听障人士的耳朵，他们更需要一种佩戴舒适、便于携带和声音传达效率高的骨传导助听器。

3.2  关于骨传导助听器的便携性

现在很多人出门都会佩戴智能手表，可将助听器作为手环的表链穿戴，手环由于结构上的优势，可以限制手环的穿戴位置，使设备不容易滑落。

3.3  关于骨传导助听器的安全性

放置在頭部的助听器均带有电池和线缆，电池在接触不良受热后容易发生爆炸，对人体造成致命的威胁。使用蓝牙无线技术实现无线连接，是未来耳机发展的方向。加入无线充电后可进行无开孔设计，可以减少线材暴露，提高助听器密封性，做到防尘防水。

3.4  关于骨传导助听器的隔音性

现在的智能手表大多采用机身外部的听筒接听，这种方式很容易受到环境干扰，不能给用户之间的沟通提供一个相对私密的环境。以骨传导助听器作为智能手表扬声器，其独特的传声结构可以有效解决这一问题。

4  便携式骨传导设备的设计

在现有骨传导设备技术的基础上进行改进改良，通过对外形的改造使其成为更加舒适的可穿戴设备。

4.1  外观与结构设计

对传统手环进行改良，外观使用3ds Max建模软件进行设计，如图3所示。采用ABS外壳，手环部分采用TPU材质，材质比较柔软而且抗油、耐磨、弹性好，能延长手环的使用寿命。在手环的外壳部分设有多媒体按键，可对蓝牙接收的音频音量进行放大或减小，也可以通过暂停按键接听电话，不需要再拿出手机。在表带上还有限制手环宽度的孔位，可以根据手腕的粗细进行调节，由于主体部分使用了较硬的材质，在发声部分采用了弧形的设计，使手环更加贴合手腕。如今，有许多人佩戴手表或智能手表，智能手表可以提醒人们工作相关的事情以及接收信息。但是一个智能手表造价较高，针对这些问题，我们在手环末端部分增加了表轴的设计，并且还在表带上设计了表轴孔，可以将手环接在普通手表上。骨传导手环内部结构设计如图4所示，实物图如图5所示。

4.2  扬声器部分设计

骨传导手环的扬声器与气导扬声器的不同之处在于气导扬声器通过磁性线圈带动振膜震动产生声音，通过空气传入内耳。骨传导振子没有振膜，骨传导振子由振子和壳体构成，振子安装在壳体内部，振子和壳体之间有一定间隙空腔，振子中的磁性线圈带动振子的高频率震动。壳体需要和人体接触，在壳体与人体接触的部分采用硅胶材质可大大减少壳体在振动时对人体产生的不适感。

常规骨传导助听器的频率响应范围一般在250～4 500 Hz范围之间，考虑到平台的覆盖性，发声单元频率范围设计为100～8 000 Hz[5];并且为了保证系统的稳定性及测试重复性，恒定声压偏差控制在1 dB以内。本设计中提到的骨传导设备采用的骨传导振子最低共振为250 Hz±20%，频响范围为250 Hz～20 kHz，灵敏度为87 db。选择的骨传导振子参数均高于骨传导助听器选择标准中的参数，选择这种骨传导振子能够更好地还原手机或手表传出的声音。

4.3  主板部分的设计

无线传输部分作为蓝牙设备的核心部位，需要做到低功耗，占用更小的面积，所以采用低功耗蓝牙芯片BC6130 QFN，当手机APP检测到蓝牙模块后会与蓝牙模块配对连接。这一颗蓝牙芯片最低支持蓝牙2.1的版本，可以在版本比较落后的手机中使用。此芯片集成了蓝牙的射频和基带协议外接存储器，使用提供的固件可以完全实现数据和语音的通信。BC6130 QFN这一款芯片是一种超低功耗、价格低廉，适用于入门级的单声道蓝牙设备无线传输的解决方案，与BlueVox2引脚兼容，并且支持两个设备同时连接一个蓝牙耳机[6]。具体引脚连接位置如图6所示。

4.4  PIFA天线设计

无线天线的名称以其侧面结构类似于反向的英文字母来命名。用金属辐射范围替换了倒F型无线天线的辐射器后，它演变成了PIFA（平面倒F型天线）无线天线。

PIFA无线天线的实际工作长度仅为实际工作光波长的四分之一，其结构包括了接地设备的金属表面，这可以降低控制中对接地设备金属表面的敏感性，因此特别适用于无线模块设备。另一方面，由于PIFA无线天线仅需使用金属材料和电导体以适当的馈电方式彼此匹配，并且无线天线会短路至路面，因此制造成本低，可以立即焊接到电路板。

PIFA无线天线的金属导体可以带状或块状使用。如果它是由金属材料制成的，则可以设计为将SMD零件焊接在电路板上以隐藏无线天线。此时，为了更好地支撑铜片并且不会引起与接地装置的金属材料表面的短路故障，通常在铜片和路面之间添加绝缘层。如果采用材料参数较高的绝缘层材料，则可以将其设计得更加小巧。手环蓝牙无线天线采用F型天线的设计，如图7所示。

4.5  电源设计

蓝牙手环作为便携设备，最重要的原则就是轻便，易携带，此外还要考虑设备的使用成本，此款蓝牙手环通常要佩戴在手腕上。在确保机器和设备可满足长时间续航的条件下，还需要考虑佩戴后智能手环的磨损情况以及智能手环本身的变形，可充电锂聚合物电池符合上述规定。因此便携式骨传导智能手环的设计必须选择可充电的锂聚合物锂电池。表2为此款骨传导手环选用电池的规格。

4.6  音频电路设计

单音频编解码器在模拟信号路径中采用完全差分结构，在有效地使信号幅度加倍的同时，导致低噪声灵敏度和良好的电源抑制。它依靠一个1.5 V的单一电源运行，并使用最少的外部组件。图8为Mono编解码器音频输入和输出阶段。

4.7  便携式骨传导手环功能的部分设计

人们时常使用手机耳机接听电话。声音通过空气传导的方式由扬声器从外耳道和耳朵传递到鼓膜。新的骨传导技术利用振动传递，并在振动下触及耳朵的内部。通过骨骼的震动传到听觉神经，此款骨传导蓝牙手环戴在手腕上时，将声音通过震动传到手指，再将手指贴于耳朵周围完成传递。声音不需要以空气作为介质来传遞，因此，无论使用哪一种耳机接听电话或者听手机中的声音媒体信息时都可同时听到手机传至蓝牙手环的声音，也能大幅降低周围环境杂音的影响。相对于一般的基于振膜引起的声波频率的传声方法，骨传导便携式手环节省了大量的传声过程，可以在嘈杂的自然环境中完成清晰的声音信息传递，也不会影响到其他人。

骨传导蓝牙手环可以通过手机的无线传声功能实现助听器的效果，手机接收周围环境的声音或者人们说话的声音，鼓膜缺失或者受损的人就可以通过骨传导手环连接手机，将周围的音频通过骨传导手环设备传到人耳，华为手机的无线传声（仅支持EMUI10.1以上版本）以及苹果手机的实时收听功能（仅支持iOS12以上版本）均可以实现这个功能。

5  结  论

助听器的设计重点在于患者的实际体验，包括舒适度、便携性、安全性等重要因素。骨传导助听器主要采用了骨传导技术，在原有骨传导助听器的基础上进行了改进，采用了骨传导振子与手环的结构相结合，将助听器作为一种配饰来穿戴。主板使用BCO5芯片，采用蓝牙无线连接，在助听器中引入无线传输与无线充电技术后，相较于气导助听器具有更加优秀的密封性。但是，骨传导助听器由于震动的位置密闭性稍差，可能会造成漏音，同时功能上的缺失以及相关的配套软件还有待进一步完善，可以利用软件和硬件上的调整和升级来解决骨传导助听器的漏音弊端。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.教育部高等教育司关于报送2018年国家级大学生创新创业训练计划立项项目的通知 [R/OL].（2018-03-15）.http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201803/t20180315_330096.html.

[2] 褚湜婧，杨胜慧，段玉珊.关于农村老年残疾人服务体系的理论思考 [J].理论界，2013（3）：72-74.

[3] 吕磊，王福源，樊永良.骨传导技术及其应用 [J].听力学及言语疾病杂志，2011，19（1）：85-86.

[4] 李晓燕，涂凯.骨导听力损失的补偿及工程实现 [J].科技资讯，2012（29）：231-232.

[5] KRAYENBUEHL J，NORTON I，STUDER G，et al. Evaluation of an automated knowledge based treatment planning system for head and neck [J].Radiation Oncology，2015，10（1）：226.

[6] 徐俊毅.CSR精耕单声道蓝牙耳机市场 [J].电子与电脑，2009（7）：26.

作者简介：宋卓越（2000—），男，汉族，山东济宁人，本科在读，研究方向：环境设计;张燕燕（1982—），女，汉族，山东烟台人，副教授，硕士，研究方向：传统文化与视觉传达设计;陈晶一（1992—），女，汉族，山东莱州人，助教，硕士，研究方向：油画创作与教学。