Les besoins en énergie électrique des prothèses auditives

Les prothèses auditives, les écouteurs sans fils et les technologies connectées de type wearables représentent un marché en pleine expansion. En effet, le marché des technologies wearables qui est de 20 milliards de dollars en 2015 progressera à environ 70 milliards de dollars en 2025 (Harrop et al., 2015). De plus, le marché des prothèses auditives a des possibilités d’expansions avérées : seulement un cinquième des personnes ayant besoin d’une prothèse auditive en possèdent une (Kim et Barrs, 2006).

Consommation électrique des prothèses auditives

Les prothèses auditives sont composées d’un microphone, d’un système d’amplification alimenté par des piles et d’un écouteur. Ces composants électroniques nécessitent des alimentations en énergie électrique pour fonctionner. La consommation en énergie électrique est déterminée de manière standard selon les directives de la norme ANSI S3.22 (ANSI, 2003). Le courant électrique consommé par l’appareil auditif est déterminé selon une procédure standardisée. Ce courant correspond au courant électrique débité par la batterie lorsque la prothèse auditive produit un signal de 1000 Hz à 65 dB. Ces valeurs de courant électrique sont comprises entre 0.65 mA et 1.2 mA (Penteado et Bento, 2013). Connaissant la tension d’alimentation d’environ 1.3 V de ces appareils, on peut déterminer la puissance qu’ils consomment. Cette puissance est évaluée à 1.5 mW (Qiao et al., 2011; Wayne et al., 1992; Neuteboom et al., 1997). Cependant, la consommation électrique de ces appareils intra-auriculaires dépend de la technologie des composants électroniques utilisés. Les avancées dans la recherche tendent à diminuer la consommation en énergie électrique des prothèses auditives en proposant des composants consommant seulement 0.96 μW (Kim et al., 2006, 2007). L’énergie électrique consommée par les dispositifs intra-auriculaires est donc de l’ordre de plusieurs centaines de microwatts et tend à diminuer continuellement. Ce sont les batteries qui fournissent l’énergie électrique que les prothèses auditives consomment .

Les piles comme source d’énergie électrique

L’énergie électrique nécessaire au fonctionnement des prothèses auditives est actuellement fournie par les piles. Les formes et les dimensions et les conditions de tests de décharges sont standardisées conformément aux normes IEC 60086-1:2006 et IEC 60086-2 :2006 (Penteado et Bento, 2013). Ces batteries doivent fournir une autonomie de 50 heures aux prothèses auditives (Qiao et al., 2011). La technologie des batteries a évolué au fils du temps. Les premières batteries au mercure ont été remplacées par des batteries de type zinc-air (Penteado et Bento, 2013) et enfin par des batteries au lithium (Passerini et al., 2000). La densité massique de ces technologies de batteries est de l’odre de 1000 Wh kg⁻¹ (Lee et al., 2011). Les performances de ces batteries sont évaluées suivant les recommandations développées dans la norme IEC 60118-0. Cependant, ces valeurs varient en fonction des constructeurs (Penteado et Bento, 2013). Des écarts entre les valeurs annoncées par les constructeurs et les valeurs mesurées conformément à la norme existent. Cela peut causer des problèmes aux utilisateurs de prothèses auditives. De plus, la satisfaction des utilisateurs est conditionnée en particulier par des batteries avec une grande autonomie et faciles à changer (Kochkin, 2005). Pour des utilisateurs souvent âgés, les batteries présentent des inconvénients majeurs. De petites dimensions, elles sont difficiles à voir, à manipuler et à insérer dans les prothèses auditives (Kricos et al., 1991).

Conversion de l’énergie biomécanique du corps humain dans le but d’alimenter les dispositifs intra-auriculaire en énergie électrique

Une solution alternative à l’utilisation de batteries pour l’alimentation des prothèses auditives et des technologies wearables serait de convertir l’énergie biomécanique produite par le corps humain en énergie électrique. La quantité produite est significative (Romero et al., 2009) et présente l’avantage d’être inépuisable et disponible à chaque instant. Cette dernière peut être convertie en énergie électrique en utilisant des dispositifs dédiés. Ces dispositifs permettent de convertir l’énergie provenant de sources diverses telles que la chaleur du corps, la respiration, la pression artérielle, le mouvement des membres supérieurs, des doigts et de la marche (Starner, 1996). Toutes ces sources d’énergie peuvent ensuite être converties en énergie électrique. Cependant, toutes ces sources d’énergie ne sont pas nécessairement adaptées pour alimenter une prothèse auditive ou des dispositifs de type wearable en énergie électrique. Pour choisir parmi ces sources celle qui est à privilégier, il est nécessaire de définir des critères de choix. Par exemple, la proximité entre la source d’énergie et le dispositif intra-auriculaire qui nécessite de l’énergie électrique est un enjeu majeur. La région de la tête offre une source d’énergie (Goll et al., 2011) et permet de répondre à cette problématique de proximité. Les énergies provenant de la respiration (Delnavaz et Voix, 2012), les mouvements de la mâchoire (Delnavaz et Voix, 2014a), et le mouvement global de la tête (Delnavaz et Voix, 2015) sont convertibles en énergie électrique. Cependant, les dispositifs qui réalisent la conversion de ces énergies encombrent la région de la tête et ne remplissent pas la fonction d’esthétisme souvent associée à la conception des prothèses auditives ou des technologies de type wearables. Ceci représente une limite en termes d’ergonomie et d’approbation du public. Une solution est alors d’intégrer le dispositif de micrograpillage énergétique au sein de la prothèse auditive. Les déformations du conduit auditif offrent une source d’énergie mécanique qui peut être convertie en énergie électrique (Delnavaz et Voix, 2014b). Voix et al (Delnavaz et Voix, 2014b) ont évalué que l’énergie disponible pour une journée avec une fréquence de mastication est estimée à 1.4 Hz (Druzinsky, 1993) et le nombre de mouvements de la mâchoire due à la mastication est évalué à 2200 (Rosentritt et al., 2006) qui conduit à une énergie disponible de 5 mW.