譚治平 許時(shí)昂 洪宇祥 陳風(fēng)順 浙江諾爾康神經(jīng)電子科技股份有限公司 （杭州 310011）

人工耳蝸纖細(xì)電極的初步研究和開發(fā)

譚治平 許時(shí)昂 洪宇祥 陳風(fēng)順 浙江諾爾康神經(jīng)電子科技股份有限公司 （杭州 310011）

對(duì)于重度或極重度感音神經(jīng)性聾的患者需要行人工耳蝸植入手術(shù)。由于不同患者的耳蝸結(jié)構(gòu)及其病理變化存在個(gè)體差異，因此要求刺激電極具備一定的柔軟性和靈活性?；诖诵枨?，研發(fā)了一種新型的纖細(xì)電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此電極的尖端直徑能細(xì)達(dá)0.4毫米，電極柔軟而富有彈性，對(duì)耳蝸損傷小。在耳蝸模型上試插入電極，插入阻力小，插入的深度合適。該纖細(xì)電極設(shè)計(jì)了三種長(zhǎng)度，術(shù)者可根據(jù)耳蝸的病理情況選擇不同長(zhǎng)度的電極。纖細(xì)電極通過了機(jī)械性能和電氣性能測(cè)試。結(jié)論: 新設(shè)計(jì)的人工耳蝸纖細(xì)電極初步滿足了機(jī)械和電氣性能測(cè)試和評(píng)估。

人工耳蝸植入體 電極 纖細(xì)電極

0.引言

人工耳蝸是由體內(nèi)的植入體、體外的言語處理器、麥克風(fēng)及信號(hào)傳輸裝置所組成。聲音由麥克風(fēng)接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再傳送至言語處理器將信號(hào)放大、過濾，編碼并傳輸?shù)襟w內(nèi)的接收刺激器。產(chǎn)生的電脈沖送至相應(yīng)的電極觸點(diǎn)，從而刺激耳蝸內(nèi)聽神經(jīng)末梢纖維或螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞產(chǎn)生興奮并將聲音信息傳入大腦，產(chǎn)生聽覺。人工耳蝸在植入過程中必須把蝸內(nèi)電極插入耳蝸鼓階內(nèi)，因此需要設(shè)計(jì)纖細(xì)和柔軟的電極，以便有效地保護(hù)殘余聽力。如果電極比較粗和僵硬，一旦電極從鼓階偏移進(jìn)入前庭階，就意味著蝸內(nèi)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞[1]。有多項(xiàng)研究表明，當(dāng)人工耳蝸所提供信號(hào)的頻帶與通道所在部位的自然聽覺頻率不匹配時(shí)，植入者的言語識(shí)別會(huì)受到不利影響[2]，所以電極植入的深度、電極陣列位置方式對(duì)聽力康復(fù)效果有一定的影響。

實(shí)驗(yàn)室研究以及手術(shù)經(jīng)驗(yàn)表明，較粗的電極會(huì)增加損傷耳蝸的風(fēng)險(xiǎn)。而一些直電極優(yōu)化后的硬度設(shè)計(jì)也可以減輕損傷，且這些直電極的優(yōu)勢(shì)在于易于插入[3～4]。

為了用于不同的病變的耳蝸，減少對(duì)耳蝸組織的損傷，便于手術(shù)醫(yī)生植入電極，我們開發(fā)了纖細(xì)電極，以適應(yīng)臨床的需要。

1.材料與方法

纖細(xì)電極是由電極觸點(diǎn)（Pt:Ir=9:1）、電極絲（Pt:Ir=9:1，表面有PTFE絕緣層）、回路電極（Pt:Ir=9:1）、回路電極絲（Pt:Ir=9:1，表面有PTFE絕緣層）硅膠）組成。纖細(xì)電極是采用注塑封裝成型。尖端電極直徑為0.4mm，近植入體端電極直徑為0.8mm，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是電極柔軟而富有彈性，尖端阻力小，底段剛性適當(dāng)，插入方便。纖細(xì)電極的截面尺寸是參考耳蝸鼓階截面尺寸（圖1為耳蝸鼓階測(cè)量圖）進(jìn)行設(shè)計(jì)的，長(zhǎng)度是根據(jù)個(gè)體差異，設(shè)計(jì)成多種不同的長(zhǎng)度。醫(yī)生在選擇電極時(shí)可根據(jù)術(shù)前影像學(xué)分析，選擇合適長(zhǎng)度的電極，特別對(duì)于臨床上耳蝸有部分纖維化或骨化的患者，選擇適當(dāng)?shù)碾姌O可以更好的保護(hù)電極，減輕對(duì)耳蝸結(jié)構(gòu)的損傷，盡可能保留殘余聽力。

圖1. 耳蝸鼓階測(cè)量：圖A為耳蝸鼓階示意圖，標(biāo)出了耳蝸鼓階截面的寬度和高度，帶剖面線的面表示耳蝸鼓階的截面積；圖B為從鼓階底部到頂部每打磨1mm做一個(gè)切片測(cè)量鼓階截面的面積變化曲線圖；圖C為從鼓階底部到頂部每打磨1mm做一個(gè)切片測(cè)量鼓階寬度和高度的變化曲線圖[5]。

圖2. 耳蝸的彎曲度測(cè)量：圖A是通過把硅膠打入處理過的耳蝸中，待硅膠固化后，取出硅膠，把鼓階腔所填充的硅膠分離出的圖片，圖B通過對(duì)圖A中所示的耳蝸鼓階腔內(nèi)硅膠體通過3D測(cè)數(shù)手段取得的耳蝸鼓階腔中線彎度曲線圖。[5]

圖3. 透明耳蝸模型示意圖，圖中所示透明耳蝸模型是參照耳蝸鼓階截面測(cè)量圖（如圖1所示）及耳蝸彎曲度測(cè)量圖（如圖2所示）設(shè)計(jì)的。

耳蝸模型設(shè)計(jì)及制作：參考耳蝸鼓階截面尺寸（圖1為耳蝸鼓階測(cè)量圖）和耳蝸的彎曲度測(cè)量數(shù)據(jù)（圖2耳蝸的彎曲度測(cè)量）進(jìn)行3D建模設(shè)計(jì)出耳蝸模型（如圖3透明耳蝸模型），耳蝸模型采用塑料（透明亞克力）制作而成。[5]

2.纖細(xì)電極的開發(fā)設(shè)計(jì)

纖細(xì)電極的示意圖4如下所示，圖中顯示了三種不同型號(hào)的纖細(xì)電極，各型號(hào)區(qū)別見表1。

由圖4及表1可以看出纖細(xì)電極截面大小是變化的，前細(xì)后粗（設(shè)計(jì)時(shí)尖端為0.4mm斜楔形,底端為0.8mm，外形上有足夠的坡度）,觸點(diǎn)祼露面積及間隙均符合電氣要求，三個(gè)長(zhǎng)度適當(dāng)）。

2.1 纖細(xì)電極的特點(diǎn)

2.1.1 前細(xì)后粗，和鼓階結(jié)構(gòu)相匹配，能植入更深。

圖4. 纖細(xì)電極結(jié)構(gòu)示意圖

表1. 三種不同型號(hào)的纖細(xì)電極的區(qū)別

2.1.2 柔性電極尖端，對(duì)耳蝸損傷小。

2.1.3 有三款不同的長(zhǎng)度，術(shù)者可根據(jù)耳蝸的病理情況選擇不同長(zhǎng)度的電極。

2.2 纖細(xì)電極的物理性能測(cè)試方法，參考ISO 14708-7-2013[6]

2.2.1 樣品準(zhǔn)備：三款長(zhǎng)度各準(zhǔn)備10條樣品，并編號(hào)。

2.2.2 外觀檢查：觀察樣品外觀，外觀應(yīng)完好無斷裂現(xiàn)象。

2.2.3 拉伸及搖擺測(cè)試前阻抗測(cè)量：參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]，對(duì)電極進(jìn)行阻抗測(cè)試，并記錄。

2.2.4 拉伸測(cè)試：參考ISO 14708-7-2013 中23.3條款[6]，將電極兩端分別夾持于夾具上，使可拉伸部分拉伸15mm，1分鐘后解除拉力，植入體電極部分應(yīng)無斷裂。

2.2.5 拉伸測(cè)試后阻抗測(cè)量：取下樣品后，參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]對(duì)樣品進(jìn)行電極阻抗測(cè)試，并記錄。

2.2.6 搖擺測(cè)試：參考ISO 14708-7-2013 中23.5條款[6]，將植入體電極部分夾在擺動(dòng)機(jī)上固定，在距離最后一個(gè)電極觸點(diǎn)2cm的地方施加0.03N的力，調(diào)整擺動(dòng)角度≥15°，擺動(dòng)頻率2Hz，連續(xù)擺動(dòng)100,000次，完成后取下植入體。植入體電極部分應(yīng)無斷裂，并參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]進(jìn)行阻抗測(cè)試。

2.2.7 搖擺測(cè)試后阻抗測(cè)量：取下樣品后，參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]對(duì)樣品進(jìn)行電極阻抗測(cè)試，并記錄。

2.3 纖細(xì)電極的模擬植入測(cè)試方法

2.3.1 測(cè)試工具準(zhǔn)備：透明耳蝸模型1個(gè)，甘油5毫升。

2.3.2 樣品準(zhǔn)備：三款長(zhǎng)度各準(zhǔn)備10條樣品。

圖5. 纖細(xì)電極插入耳蝸模型后的示意圖，圖中所示插入測(cè)試時(shí)需要耳蝸模型內(nèi)注入2毫升甘油潤(rùn)滑，圖中所示電極為纖細(xì)電極為CS-10A(TM)，插入深度為21mm。

2.3.3 外觀檢查：觀察樣品外觀，外觀應(yīng)完好無斷裂現(xiàn)象。

2.3.4 耳蝸模型5次插入測(cè)試前阻抗測(cè)量：參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]，對(duì)電極進(jìn)行阻抗測(cè)試，并記錄。

2.3.5 模擬植入深度測(cè)試：將耳蝸模板（如圖5所示）固定在桌面，并在耳蝸模板中添加適量甘油模擬臨床實(shí)際插入時(shí)的環(huán)境；3款不同長(zhǎng)度的電極頭通過耳蝸模型上的圓窗部位逐一進(jìn)行電極插入，在插入過程中觀察電極插入的深度以及電極外觀的完好狀況，并記錄。

2.3.6 在耳蝸模型上5次插入測(cè)試：將耳蝸模型固定在桌面，并在耳蝸模型中添加甘油模擬臨床實(shí)際插入時(shí)的環(huán)境；采用電極植入鑷分別夾住纖細(xì)電極可夾持部分，通過耳蝸模型上的圓窗部位逐一進(jìn)行電極插入，插入完成取出后將電極恢復(fù)初始狀態(tài)，并再次進(jìn)行插入測(cè)試，共計(jì)5次，并記錄。

2.3.7 在耳蝸模型上5次插入測(cè)試后阻抗測(cè)量：取下樣品后，參考ISO 14708-7-2013 中6.3條款[6]對(duì)樣品進(jìn)行電極阻抗測(cè)試，并記錄。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TS)在測(cè)試前的電極通道平均阻抗在0.99 KΩ到2.28KΩ之間，阻抗最小值為0.95 KΩ，阻抗最大值為2.88 KΩ。經(jīng)過拉伸測(cè)試后電極通道平均阻抗在1.10 KΩ到2.70KΩ之間，阻抗最小值為0.99 KΩ，阻抗最大值為2.95 KΩ。經(jīng)過搖擺試后電極通道平均阻抗在1.25 KΩ到2.51KΩ之間，阻抗最小值為1.01 KΩ，阻抗最大值為2.98 KΩ。證明在測(cè)試前，拉伸測(cè)試和搖擺測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TS)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2. 十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TS)電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值

表3. 十個(gè) 纖細(xì)電極CS-10A(TM)電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值

表4. 十個(gè) 纖細(xì)電極CS-10A(TL)電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值

表3測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TM)在測(cè)試前的電極通道平均阻抗在1.41 KΩ到3.24KΩ之間，阻抗最小值為1.1 0KΩ，阻抗最大值為4.22 KΩ。經(jīng)過拉伸測(cè)試后電極通道平均阻抗在1.83KΩ到3.80KΩ之間，阻抗最小值為1.07KΩ，阻抗最大值為4.21 KΩ。經(jīng)過搖擺試后電極通道平均阻抗在1.51 KΩ到3.90KΩ之間，阻抗最小值為1.19KΩ，阻抗最大值為4.25 KΩ。證明在測(cè)試前，拉伸測(cè)試和搖擺測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TM)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TL)在測(cè)試前的電極通道平均阻抗在1.20 KΩ到4.86KΩ之間，阻抗最小值為0.98 KΩ，阻抗最大值為4.91 KΩ。經(jīng)過拉伸測(cè)試后電極通道平均阻抗在1.15 KΩ到4.22KΩ之間，阻抗最小值為0.99 KΩ，阻抗最大值為4.92KΩ。經(jīng)過搖擺試后電極通道平均阻抗在0.92 KΩ到4.21KΩ之間，阻抗最小值為0.90 KΩ，阻抗最大值為4.52 KΩ。證明在測(cè)試前，拉伸測(cè)試和搖擺測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TL)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5測(cè)試結(jié)果顯示纖細(xì)電極CS10A(TS)電極樣品插入耳蝸模型5次的深度的平均值在16mm 到17mm之間，最小值為15.5mm，最大值為17.5mm；纖細(xì)電極CS10A(TM)電極樣品插入耳蝸模型5次的深度的平均值在20mm到22mm之間，最小值為19.5mm，最大值為22.5mm；纖細(xì)電極CS10A(TL)電極樣品插入耳蝸模型5次的深度的平均值在24.3mm到25.0mm之間，最小值為23.9mm，最大值為25.8mm；

表5. 纖細(xì)電極CS-10A(TS) 10個(gè)樣品、CS-10A(TM) 10個(gè)樣品、 CS-10A(TL) 10個(gè)樣品分別插入耳蝸模型深度測(cè)試結(jié)果，表中所記錄的深度為電極樣品插入耳蝸模型5次的深度的平均值、最小值和最大值。

表6. 十個(gè) 纖細(xì)電極CS-10A(TS) 5次插入測(cè)試前后電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值

三款纖細(xì)電極插入透明耳蝸模型的深度均大于對(duì)應(yīng)型號(hào)電極的陣列長(zhǎng)度（如表1所述），其電極觸點(diǎn)能全部模擬插入透明耳蝸模型內(nèi)。

表6測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TS)在5次插入測(cè)試前的電極通道平均阻抗值在1.22KΩ到2.39KΩ之間，阻抗最小值為1.10KΩ，阻抗最大值為2.80KΩ。做完5次插入測(cè)試后電極通道平均阻抗值在1.33KΩ到2.65KΩ之間，阻抗最小值為1.15KΩ，阻抗最大值為3.20 KΩ。證明在插入測(cè)試前和插入測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TS)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 . 十個(gè) 纖細(xì)電極CS-10A(TM)5次插入測(cè)試前后電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值）

表8. 十個(gè) 纖細(xì)電極CS-10A(TL) 5次插入測(cè)試前后電阻測(cè)量的平均值，最小值和最大值

表7測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TM)在5次插入測(cè)試前的電極通道平均阻抗值在1.17KΩ到2.91KΩ之間，阻抗最小值為1.10KΩ，阻抗最大值為3.30KΩ。做完5次插入測(cè)試后電極通道平均阻抗值在1.27KΩ到2.83KΩ之間，阻抗最小值為1.10KΩ，阻抗最大值為3.20 KΩ。證明在插入測(cè)試前和插入測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TM)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8測(cè)試結(jié)果顯示十個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TL) 在5次插入測(cè)試前的電極通道平均阻抗值在1.21KΩ到2.92KΩ之間，阻抗最小值為1.00KΩ，阻抗最大值為3.60KΩ。做完5次插入測(cè)試后電極通道平均阻抗值在1.15KΩ到2.87KΩ之間，阻抗最小值為1.01KΩ，阻抗最大值為3.64 KΩ。證明在插入測(cè)試前和插入測(cè)試后10個(gè)纖細(xì)電極CS-10A(TL)樣品阻值均小于5KΩ，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.討論

本文所述的纖細(xì)電極結(jié)構(gòu)方面主參考了人體耳蝸鼓階測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，材料方面采用軟性導(dǎo)向和長(zhǎng)期可靠生物兼容性材料精加工而成：（1）纖細(xì)電極截面的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耳蝸鼓階截面的對(duì)應(yīng)深度處的截面大小，所以插入時(shí)與耳蝸壁有足夠的間隙，插入阻力會(huì)小，對(duì)耳蝸創(chuàng)傷小。（2）纖細(xì)電極的長(zhǎng)度沒有超過耳蝸的深度，電極能全部進(jìn)行耳蝸。短電極適用于發(fā)育特殊的耳蝸或部分骨化的耳蝸，同時(shí)我們可根據(jù)臨床需要量身定做。（3）參考耳蝸鼓階測(cè)量數(shù)據(jù)和耳蝸鼓階內(nèi)硅膠填充復(fù)模，設(shè)計(jì)出透明耳蝸模型，進(jìn)行電極插入透明耳蝸模型的測(cè)試，三款不同長(zhǎng)度的纖細(xì)電極均能順利插入，同一電極通過5次插入和拔出透明耳蝸模型在外觀和電氣方面仍然合格，證明纖細(xì)電極可靠性高。（4）三款纖細(xì)電極經(jīng)過拉伸和搖擺試驗(yàn)電氣性能合格。 （5）纖細(xì)電極還將進(jìn)一步到人體顳骨上做插入試驗(yàn)，并對(duì)其做切片分析和研究。

5.結(jié)論

由測(cè)試結(jié)果證明纖細(xì)電極采用軟性導(dǎo)向和長(zhǎng)期可靠的生物兼容性材料，纖細(xì)電極的機(jī)械性能與電氣性能符合產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，是安全有效的。

三款纖細(xì)電極柔軟而富有彈性，在耳蝸模型上試插表現(xiàn)出插入方便，尖端阻力小，底段剛性適當(dāng)，植入深度最小能達(dá)預(yù)期目標(biāo)。對(duì)于臨床上耳蝸有部分纖維化或骨化的患者可更深植入，能更好的保護(hù)電極、減輕電極對(duì)耳蝸內(nèi)結(jié)構(gòu)的損傷，使患者殘余聽力能最大的保留下來，從而達(dá)到縮少手術(shù)禁區(qū)，使更多失聰者或耳蝸部分纖維化或骨化者的聽力能夠更好的康復(fù)。

[1] .Aschendorff, A., Kromeier, K., Klenzner, T., & Laszig, R. (2007). Quality control after insertion of the Nucleus Contour and Contour Advance electrode in adults. Ear and Hearing, 28, 75–79.

[2] . (Baskent, D. & Shannon, R.V., 2003, 2004, & 2005; Faulkner, A., 2006; Fu, Q.J. & Shannon, R.V., 1999; Fu,Q.J., Shannon, R.V., & Galvin, J.J., 2002; Oxenham, A.J., Bernstein, J.G., & Penagos, H., 2004). efficacy[J]．Laryngoscope，2009，119(1 1)：2205-2210．

[3] Peters BR，Litovsky R，Parkinson A，et a1．Importance of age and postimplantation expenenee on speech perception measnres inchildren with sequential bilateral cochlear implants[J]．Otol Neurotol，2007，28(5)：649-657．

[4] .史蒂夫 · 羅伯斯特. 人工耳蝸：中國(guó)深度耳聾患者的新未來. 中國(guó)醫(yī)療器械信息. 1006-6586(2015)02-0001-09 ,05-06.

[5] . Hatsushika S, Shepherd RK, Tong YC, Clark GM, Funasaka S. Dimensions of the scala tympani in the human and cat with reference to cochlear implants. Ann Otol Rhinol Laryngol. 1990 Nov;99(11):871-6.

[6] .Implants for surgery. Active implantable medical devices. Part 7:Particular requirements for cochlear implant systems.ISO 14708-7-2013.

Preliminary Research and Development of Cochlear Implant thin Electrode Array

TAN Zhi-ping XU Shi-ang Hong Yu-xiang CHEN Feng-shun Zhejiang Nurotron Biotechnology Co., LTD (Hangzhou 310011)

Cochlear implants can help people with severe or profound hearing losses to comunicate. Due to the individually different anatomy and pathology of the inner ear, intra-cochlear electrodes should be flexible to accommodate the cochlear anatomy and pathology of individual patients. Therefore, Nurotron developed a new thin electrode array. The experiment results show that the tip of the array can reach as thin as 0.4mm in diameter. The array was soft and elastic to minimize the damage to the cochlea. Insertion of the electrode array into a cochlear model was easy and comfortable with little resistance. The depth of insertion was appropriate. Thin electrode array was designed in three lengths to accommodate surgeons’ needs for the insertion into the scala tympani with different pathology. The thin electrode arrays passed all the mechanical evaluation and electrical tests. Conclusion: The new design of Nurotron cochlear implant thin electrode array satisfied mechanical evaluation and electrical tests and will be ready for the clinical use in the future.

cochlear implants, electrode array, thin electrode array

1006-6586(2016)03-0006-09

TH785+.1

A

2016-01-22

譚治平，工程師