30 Ноябрь 2017

Батареи и аккумуляторы для слуховых аппаратов: новые тенденции

Barry A. Freeman, PhD
Источник: Freeman BA. The changing landscape of hearing aid batteries. Hearing Review. 2017;24(11):34-36.

Никогда прежде нам не доводилось столько говорить о батареях, по крайней мере, с того момента, как транзисторы пришли на смену электронным лампам, что позволило значительно уменьшить размеры и емкость батарей. Похоже, что теперь мы вступаем в новую эру, отличающуюся более дифференцированными решениями, такими как перезаряжаемые слуховые аппараты… Этот вопрос обсуждался на AAA [2017]; большинство производителей могут пользоваться серебряно-цинковыми аккумуляторами компании ZPower, позволяющими перезаряжать слуховые аппараты еженощно. Аккумулятор рассчитан примерно на 400 циклов (т.е. прослужит больше года). Есть основания полагать, что в не очень далеком будущем большинство слуховых аппаратов будут перезаряжаемыми.

Основные понятия: тип, напряжение и емкость

К трем основным характеристикам батарей относятся тип (химическая основа), напряжение и энергия, или емкость. Емкость батареи отражает ее удельную энергию и измеряется в ампер-часах (Ач) или, в случае слуховых аппаратов, миллиампер-часах (мАч). Это количественное выражение тока разряда батареи в течение определенного времени. Для сравнения, емкость бака автомобиля – это количество литров топлива, которое вмещает полный бак (например, 70 л). Частично это позволяет судить о том, как далеко вы сможете уехать после полной заправки. Аналогично, емкость батареи слухового аппарата (например, 160-160 мАч для цинк-воздушной батареи «312» или 37 мАч для серебряно-цинкового аккумулятора «312») частично определяет время работы аппарата до замены/перезарядки батареи.
Кроме того, дальность пробега зависит от ваших навыков вождения и расхода топлива конкретной модели автомобиля, т.е. количества километров, которое автомобиль проедет, израсходовав 1 л топлива. Всё это применимо и к слуховым аппаратам. Батареи характеризуются емкостью, зависящей от типа батареи и величины заряда, установленной производителем.3-5 Поэтому при всей схожести упаковки и размера истинная емкость батареи может существенно различаться в зависимости от производителя.
Кроме того, функции слуховых аппаратов (например, шумоподавление или устранение обратной связи) управляются различными алгоритмами. В продукции разных производителей применяются различные стратегии стриминга, например магнитная индукция ближнего поля (NFMI) или 2,4 ГГц, а пользователи слуховых аппаратов по-разному их эксплуатируют. Всё это также сказывается на скорости разряда батареи.

Одноразовые батареи

В 1970-е годы были созданы одноразовые цинк-воздушные батареи, нашедшие широкое применение в индустрии слуховых аппаратов. Эти батареи дают достаточное напряжение (1,2-1,4 В) для обработки сигнала и обладают емкостью, достаточной для типичного времени ежедневного ношения аппарата. В последние годы, однако, потребляемая мощность слуховых аппаратов существенно возросла за счет появления таких функций, как беспроводное программирование, новые алгоритмы устранения обратной связи и шумоподавления. Кроме того, большинство (88,9%) слуховых аппаратов, подобранных в США в третьем квартале 2017 г., обладают возможностью беспроводного стриминга.

В слуховых аппаратах используются следующие варианты беспроводных технологий: NFMI, 900 МГц и 2,4 ГГц. Каждый из этих подходов к стримингу обладает собственными преимуществами и использует собственную стратегию. Например, NFMI нуждается в промежуточном устройстве, снабженном собственной батареей, тогда как технология 2,4 ГГц не требует стримера и полностью полагается на батарею слухового аппарата. Стриминг, вне зависимости от стратегии, повышает расход батареи, в связи с чем наблюдается разрыв между показателями удовлетворенности клиентов своими слуховыми аппаратами и удовлетворенностью сроком службы батареи. Фактически, перезаряжаемые слуховые аппараты или аккумуляторы могли бы стать главным мотивом для приобретения новых слуховых аппаратов.

На протяжении многих лет попытки вывести заряжаемые слуховые аппараты на рынок давали неоднозначные результаты. В настоящее время в слуховых аппаратах применяются следующие типы аккумуляторов: никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion) и серебряно-цинковые (AgZn). Они различаются не только химическим составом, но также напряжением и емкостью.

Аккумуляторы для слуховых аппаратов

В последнее десятилетие основное внимание уделялось использованию в слуховых аппаратах NiMH-аккумуляторов. Изначально они создавались для автомобильной промышленности при финансовой поддержке компаний Daimler-Benz и Volkswagen AG. Именно они используются компанией Toyota в гибридных моделях Prius и Lexus. Раньше они также широко применялись в мобильных телефонах и бытовой электронике. Их по-прежнему используют в некоторых слуховых аппаратах. Однако, по мере роста энергозатрат новых слуховых аппаратов, средняя емкость NiMH-аккумуляторов, составляющая 18-20 мАч, оказалась недостаточной для работы аппарата в течение всего дня.

Сегодня во многих бытовых электронных устройствах на смену никель-металл-гидридным пришли литий-ионные аккумуляторы. Массово Li-ion-аккумуляторы впервые стали применяться компанией Sony в 1991 г., а сейчас они уже повсеместно используются в бытовой электронике и автомобилях. Первые слуховые аппараты, работающие на Li-ion-аккумуляторах, были представлены в 2016 г. компаниями Phonak и Signia. Хотя они превосходят технологию NiMH в отношении емкости, срока службы и времени работы от одной подзарядки, их напряжение достигает 3,6-3,7 В, что требует наличия преобразователя напряжения в цепи питания цифрового сигнального процессора (DSP). Кроме того, эти аккумуляторы имеют ограничения по размеру – самый маленький Li-ion-аккумулятор несколько больше стандартной батареи размера «13». По соображениям безопасности Li-ion-аккумулятор должен быть интегрирован в корпус слухового аппарата, без возможности доступа к батарейному отсеку.

В ходе недавнего опроса9 пользователи слуховых аппаратов отметили, что они хотели бы «при необходимости пользоваться одноразовыми батареями в своих перезаряжаемых слуховых аппаратах». Ради этого они даже готовы пожертвовать скоростью подзарядки. Если литий-ионный аккумулятор разрядился, пользователь должен снять слуховой аппарат и поместить его в зарядное устройство. Кроме того, при выходе аккумулятора из строя необходимо возвратить слуховой аппарат производителю для ремонта или замены в маркированной упаковке, соответствующей требованиям к пересылке устройств, снабженных Li-ion-аккумуляторами.

По оценке Goldman-Sachs «большинство производителей слуховых аппаратов предлагает решения, основанные на серебряно-цинковых аккумуляторах». Первенство в изобретении серебряно-цинковой батареи принадлежит Алессандро Вольта (1800 г.). Многие считают, что это была первая батарея в истории. Серебряно-цинковые батареи широко применяются в военной и космической отраслях. NASA безаварийно использует серебряно-цинковые аккумуляторы, начиная с пилотируемых космических кораблей «Меркурий». Военные применяют серебряно-цинковые батареи в ракетах, торпедах и подлодках на протяжении более 50 лет.12 «Технологии батарей, использовавшиеся NASA и военными, благополучно распространились на коммерческий сектор, бытовую электронику и слуховые аппараты». Преимущество серебряно-цинковых аккумуляторов заключается в использовании негорючего электролита на водной основе. Стабильность материалов и негорючесть электролита делают серебряно-цинковые аккумуляторы действительно безопасными. Кроме того, основанные на этой технологии аккумуляторы не имеют ограничений по размерам и обладают большей плотностью энергии. Как показано на рис. 1, при уменьшении размера серебряно-цинковые аккумуляторы сохраняют высокую удельную энергию, будучи рентабельными при производстве миниатюрных слуховых аппаратов и аксессуаров.

Батареи и аккумуляторы для слуховых аппаратов
Рис. 1: Сравнение соотношения плотности энергии и размеров различных типов аккумуляторов. По мере уменьшения размеров становятся очевидными преимущества серебряно-цинковой (AgZn) технологии.

Серебряно-цинковые аккумуляторы идеально подходят для слуховых аппаратов. Они могут быть достаточно миниатюрными (стандартных размеров «312» и «13»), обладают достаточной емкостью для обеспечения работы беспроводных слуховых аппаратов в течение всего дня и дают несколько более высокое напряжение (1,6-1,8 В), чем стандартные цинк-воздушные батарейки, требующее минимального преобразования для питания нынешнего и будущего поколений цифровых сигнальных процессоров. Кроме того, они не требуют обязательного встраивания в корпус аппарата и могут быть взаимозаменяемыми с цинк-воздушными батарейками. В отличие от 1,6 млрд. других батарей, ежегодно поставляемых на рынок, серебряно-цинковые аккумуляторы пригодны для полной вторичной переработки.

Связь между типом аккумуляторов, их емкостью и временем работы

Слуховые аппараты могут значительно различаться по потреблению энергии. На рис. 2 представлено потребление тока слуховыми аппаратами пяти ведущих производителей, использующих собственные алгоритмы и подходы к беспроводному стримингу. Данные основаны на технических спецификациях, предоставленных производителями. Однако, следует отметить, что истинное потребление тока не всегда соответствует указанному в спецификации. Дело в том, что производители следуют требованиям Американского национального института стандартов (ANSI), подразумевающим отключение всех адаптивных функций во время измерения. Продукты A-E программировались в соответствии с первичной настройкой для умеренной тугоухости. В условиях «без стриминга» потребление тока измеряли, подавая на вход слуховых аппаратов сигнал ICRA (1,4 В).

Батареи и аккумуляторы для слуховых аппаратов
Рис. 2: Типичное потребление тока слуховыми аппаратами. Зеленые столбики (спецификация производителя) – потребление тока, измеренное согласно требованиям ANSI, когда все дополнительные функции отключены. Черные столбики (без стриминга) – потребление тока с активированными дополнительными функциями, но без стриминга. Серые столбики (стриминг) – потребление тока во время стриминга.

Среднее потребление тока в отсутствие стриминга слуховыми аппаратами, использующими технологию 2,4 ГГц, составляло 1,97-2,4 мА. У слуховых аппаратов, использующих технологию NFMI, этот показатель был ниже – 1,2-1,4 мА. При активации стриминга (музыка из смартфона) потребление тока слуховыми аппаратами, использующими технологию 2,4 ГГц, повысилось: средний минимум 3,5 мА, средний максимум 5,3 мА.

Слуховые аппараты, использующие технологию NFMI (продукты D и E), нуждаются в промежуточном стримере. Как и ожидалось, потребление ими тока во время стриминга было ниже – в среднем 2,0-2,1 мА. Это объясняется тем, что промежуточное устройство снабжено собственным аккумулятором, тогда как продукты A-C используют собственную батарею.

В свете вышесказанного, неудивительно, что время непрерывной работы аппаратов различается. Например, согласно данным, представленным на рис. 3, продукт D (NFMI), использующий серебряно-цинковый аккумулятор типоразмера «312» (эффективная емкость 37 мАч) работает почти 25 часов без стриминга и 23,5 часа при стриминге в течение 3 часов вдень. В этом случае время работы со стримингом ограничивалось не возможностями серебряно-цинкового аккумулятора слухового аппарата, а временем работы аккумулятора промежуточного стримера, не превышавшим 3-4 часов.

Батареи и аккумуляторы для слуховых аппаратов
Рис. 3: Сравнение времени работы серебряно-цинкового аккумулятора типоразмера «312» в беспроводном слуховом аппарате, использующем технологию NFMI. Даже при3-часовом стриминге, слуховой аппарат работает без подзарядки в течение 23,5 часа.

Как показано на рис. 4, пациенты, пользующиеся продуктом С (2,4 ГГц), работающим на серебряно-цинковом аккумуляторе (эффективная емкость 37 мАч), могут без подзарядки пользоваться слуховыми аппаратами в течение 19 часов без стриминга, около 17 часов при стриминге в течение 3 часов и более 10 часов при непрерывном стриминге.

Батареи и аккумуляторы для слуховых аппаратов
Рис. 4: Пример продукта С, работающего на серебряно-цинковом аккумуляторе типоразмера «312», при различной продолжительности стриминга. Без стриминга слуховой аппарат проработает без подзарядки около 19 часов. Этот же аппарат проработает более 10 часов в режиме стриминга на частоте 2,4 ГГц.

Знание типа аккумулятора и простая арифметика позволяют рассчитать минимальное и максимальное время работы слухового аппарата, однако только сам пациент определяет истинное время работы, т.к. только от нег зависит сколько, и как будет использоваться аппарат.

Заключение: консультирование и выбор технологии

За прошедшие десятилетия уменьшился размер слуховых аппаратов, произошел переход от аналоговых к цифровым технологиям и появились интегрированные возможности беспроводного стриминга. Сейчас мы подошли к рубежу, за которым аккумуляторы заменят миллиарды одноразовых батарей.

В традиционной модели вмешательства, ориентированного на пациента, специалисты оценивают образ жизни пациентов, чтобы понять их индивидуальные потребности. Они задают вопросы о том, как пациенты слышат в ресторанах или насколько хорошо понимают своих внуков. Мы можем оценить мотивацию пациентов к использованию слуховых аппаратов и корректировать их ожидания. Мы также можем оценить их способность общаться в различных ситуациях, таких как церковь, домашняя обстановка, просмотр телевизора.

Хотя все эти факторы являются важной частью оценки образа жизни, мы должны больше узнавать о повседневных привычках пациентов. Сколько часов в день они слушают музыку, разговаривают по телефону и смотрят телевизор? Успешное вмешательство требует знания типичного распорядка дня пациента, включая деятельность, требующую или не требующую потоковой передачи звука. Эта информация поможет специалистам выбрать нужную продукцию для своих пациентов. Разумеется, не менее важно понимать эффективность предлагаемых устройств в этих ситуациях. Как мы выяснили, слуховые аппараты обладают разной производительностью, зависящей от используемых алгоритмов и стратегий потоковой передачи звука. Поэтому большое внимание должно уделяться соответствию предлагаемой технологии потребностям наших пациентов.

Поскольку пользователи слуховых аппаратов стали охотнее пользоваться беспроводными возможностями своих слуховых аппаратов, уровень их ожиданий и предъявляемых к аппаратам требований также возрастает. В частности, они хотят, чтобы слуховые аппараты могли обойтись без подзарядки в течение всего дня. Настало время решения этой проблемы путем глубокого понимания потребностей наших пациентов и их сопоставления с соответствующими технологиями.

Барри ФрименБарри Фримен, PhD, вице-президент по развитию бизнеса компании ZPower (Камарилью, штат Калифорния).