人工耳蜗植入早期工程研究[耳显微外科2007版(四十)]

王正敏

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人工耳蜗植入早期工程研究[耳显微外科2007版(四十)]

王正敏

1 耳蜗植入器的动物模拟实验

为了弄清耳蜗植入器植入后的耳蜗组织学改变和对残存神经纤维的影响，曾进行了一系列模拟式的动物实验研究。实验动物对象多数是猫，也有猴、兔或其他哺乳类动物。实验证明，在鼓阶内插入导线和电极．如损伤基底膜、骨螺旋板或骨内衣，必然发生损伤区的神经变性(Leake-Jones，1983；Schindler，1977)；倘若插入深度达6 mm，80 d后可见蜗内全部毛细胞变性，鼓阶内布满结缔组织并有新骨形成，但是神经节细胞仍可完整无恙(Shephord，1983)。长期植入，可见到骨螺旋板神经纤维广泛变性。蜗轴内植入电极会造成广泛的神经损伤，并影响血供，现已很少选用。

骨螺旋板神经孔内神经纤维变性以后，神经孔仍保持开放，甚至还残留髓鞘。神经孔不会自行闭锁，其内充有外淋巴液(Johnsson，1982)，故音位刺激(按基膜频率的位编码为序，在鼓阶内安排电极，按音位作有限范围内的电刺激)的电场应布置在骨螺旋板基部或鼓阶的蜗轴壁上(Johnsson，1982)。

在耳蜗顶回存活的神经纤维较基回为多，是电极植入的最佳部位。但是，只能用于猫或豚鼠的动物实验中(因耳蜗显露在耳泡内，作顶回蜗壁电极植入十分方便)。基回内的神经纤维变性常很严重，作为音位刺激的电极植入部位很不理想，但是在基回内浅植电极可防止骨内衣、小血管和基底膜的外伤。骨内衣一旦受损，就会导致新骨形成。所以，从病理学观点分析．在蜗壁上多处钻孔穿过骨内衣植入多导电极的手术方法是不足取的。

通过蜗窗膜将电极植入鼓阶的方法现在已被广泛采用。但是，蜗窗膜与骨螺旋板和基底膜的关系十分密切；即使从蜗窗插入的电极不深也仍有可能造成上述组织的外伤。避免损伤的关键不完全在于电极插入的深浅，还在于电极插入的方向和部位。从蜗窗膜的下1/2以接近水平的方向插入电极比较理想。

从1例双耳分别植入铂丝(2年)和银丝电极(5年)的56岁男性患者的尸体耳蜗病理检验中发现，蜗窗龛有包埋导线的结缔组织，窗已为结缔组织封闭。基回上1/2的蜗管被铂丝电极推动而有移位。基回上1/2和顶回的螺旋板内有成束的神经纤维和小堆Corti器，银丝电极可造成鼓阶内新骨形成和蜗管积水(该耳的骨螺旋板内无神经纤维存活)。双耳的螺旋神经节细胞大量丧失，远脑突变性比近脑突变性严重。银可因电解进入周围组织。当然，仅凭这例尸检病理报告所提供的资料是不够的，何况蜗内许多病理变化是原来疾病造成的，所以这方面的研究有待深入。

2 人工耳蜗植入器的早期设计和结构

导线绝缘防漏是植入器能否耐久的必要条件，可借鉴心脏起搏器的导线密闭技术制作。绝缘材料必须具有优良的生物相容性。耳蜗植入器常常是由多聚体、金属和其他材料复合制成的。多聚体极少引起变态反应。少数患者对有些金属过敏，如金、铂、钴、铬和镍可产生接触性皮炎，其中钴、镍反应尤为严重。异物长期刺激和致癌物质可诱发肿瘤，如镍的致癌性已被证实，不过在临床极为罕见。钴、镍具有轻度的细胞毒，并抑制吞噬细胞活动，可影响免疫系统，导致感染。引起感染的原因不仅是材料本身，与手术入路、无菌术野和组织污染都有密切关系。现用生物材料有多聚体(polymer)、陶瓷(ceramics)和碳(carbon)等。多聚体包括多种复合物，其中涤纶(daeron)、特氟隆(teflon)、丙烯酸衍生物(acrylic)、硅胶(silicones)和环氧树脂(epoxy)具有良好的生物相容性，作为医用材料已有多年，超高分子聚乙烯(polyethylene)、聚氯基甲酸乙酯(polyurethane)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)和聚对亚苯基二甲基(partlene)，因其独特性能，也可用于耳蜗植入器的制作中。

多聚体具有组织刺激性微小(但其单体先质多是剧毒品)，抗腐蚀性极强，化学性能稳定，塑形方便和绝缘性高等优点。各种多聚体理化性能因有一定差异．用途不一。环氧树脂专用作密闭缝隙的材料。特氟隆在1～4周内可引起内含少量巨细胞的薄层肉芽组织，与骨面接触处，增生一层胶原纤维。特氟隆有收集静电荷能力，操作时要当心污染微粒吸附带入组织内。特氟隆多用作元件和导线的绝缘物质。超高分子聚乙烯的密度较高，表面摩擦系数小，可用来制成导管和关节赝复品。涤纶可编成织物使用，长期植入组织只有极轻微的炎性刺激反应。低黏滞度硅胶可注入模盒或模管内填充空间，而不损坏精细的导线、元件或电极。硅胶的挠性和弹性可多年不变，防漏电能力强，不怕氧化。不过，如加入催化剂，会影响它的生物相容性。聚氨基甲酸乙酯挠性极强，反复弯折不断。

陶瓷电阻率极高，制盒密闭完全，可为射频电磁场透射，抗撞击性也极佳。植入体内有轻度组织反应。缺点是，由于熔点太高(1 500～1 700 ℃)。密封成盒时的熔点温度会彻底破坏盒内的电子元件。

碳膜用于插座式连接穿皮金属接头的表层，其周皮肤可与碳膜柱脚愈合，保持较强的抗感染力。

由于电极与组织的接触面小，作为电极用的金属材料必须具有导电量大、不会电解液化或气化的性能。不锈钢、钴-铬合金，钛合金和钴合金都不适用，只有铂和铂铱合金能满足上述性能要求。铂、铱的电解气化限度远比不锈钢为大(不锈钢40 μC/cm2，铂300 μC/cm2，铱4 000～5 000 μC/cm2，μC为微库仑)。防止电解的电工技术要求是，电极与组织接触面要尽可能大，故电极表面以粗糙为宜。采用电容耦合使作用电极和接地电极的放电保持平衡，以使信号电流的正反相位处于对称状态。

植入体内的电子元件必须盒装以与体内环境完全隔绝、盒内不可有湿气或可溶性盐类。现用制盒材料有环氧树脂、硅胶、钛、陶瓷和其他多聚体。

3 国外早期人工耳蜗的设计

3.1 House耳研所(洛杉矶)单导系统(1982) 已由FDA(美国食品及药物管理局)批准。电极直径0.5 mm，作用极导线长78 mm(1.5 mm裸露)，接地极导线长68 mm(53 mm裸露)。导线绝缘材料为硅胶管。内外线圈感应耦合，内线圈输出不通过滤波或解码器，只以16 kHz载波信号调制。作用电极通过蜗窗植入鼓阶内，回路电极放置在咽鼓管内。优点是结构简单可靠，使用普及面大，缺点是阶内植入会造成蜗内构造损伤，影响骨螺旋板内神经元的存活。

3.2 Biostim公司单导蜗内的电极系统(1983) 与House单导系统的设计基本相仿。不同之处是，使用钴盒装RF接收器(射频接收器)，经滤波检去射频载波，输出模拟信号。电极间有电容耦合，放电平衡，安全性大．可作电极蜗窗龛植入。

3.3 美国犹他州立大学Eddington多导穿皮系统(1983) 通过缝在皮肤上的炭膜插座，连接鼓阶内5～6个球形电极(0.5 mm)。接地极2只，分别放在颞肌内和鼓岬上。

3.4 奥地利维也纳技术大学Hochnair的CMOS混合波导连接多导系统 开始时用8导，现改为4导，减导原因是导数过多会使信号处理复杂化。铂铱(9∶1)合金偶电极(0.15～0.33 mm接触球面)。导线用特氟隆绝缘，插入载体用硅胶382制成。阶内深度为12～22 mm，可拔出置换。

3.5 法国巴黎医院Chouard的蜗壁多导植入系统(1983) 从中耳作耳蜗蜗壁开窗，将铂铱电极插入阶内。导线用特氟隆绝缘。7个电极放在耳蜗基回，5个放在中回。采用多路传输接收器．使信息输入传至其中一个电极时，其他11个电极接地，形成非同时性，单极刺激。Chouard以后改用经蜗窗阶内植入电极的方法。

3.6 澳大利亚墨尔本大学Nucleus公司Clark的CMOS集成电路(1983) 接收器有22个系列频带，分接22个铂铱电极，硅胶(MDX4-4210)载体：通过信息处理，形成纵向偶电极式放电。导线与接收器之间有一嵌式接头，系由硅胶制成的，且有弹性。接头的塞孔与插头的接触极其严密，可防水汽渗入或凝聚。接收器是一定制的CMOS集成电路块，能数控刺激强度级。在体外言语处理器的指令下，接收器能将信息按波段分导传至电极。为了避免极间电流叠加现象，每次只向极阵(22对电极按蜗管纵轴的排列阵式)内的一对电极送电。这样，经过言语处理器编码的语言成分就能按频率高低分送至各对电极，即高频信息传送至基回电极，而较低频的信息则顺序向顶回分导输送。接收器盒用钛(Ti6A14V)制成，配以22个输出孔的陶瓷底座。钛与陶瓷靠银铜合金硬焊。外包压缩硅胶，能防直流电腐蚀铜、银和钛。接收器靠单次数据线圈(无线线圈)和供电线圈工作。为了使供电线圈内的感应电流的电压级尽可能低，供电线圈只有1匝，尔后再由接收器升压。无线线圈外包硅胶，放置在接收器盒外的周边。言语处理器和发射机体积很小，模拟和数控线路兼用，3节AA电池可连续使用50 h。言语处理器按具体患者的听阈、动态范围和电极编码编制程序。

3.7 美国加州Stanford大学薄膜照相制版8导或12导集成电路系统(1982) 由先进的薄膜照相平版印刷技术制成的电极，分导插入蜗轴和鼓阶内。薄膜照相电极系列制版有造价低廉和接触点密集的优点。采用真空喷溅(真空沉积)及光刻原理交替分层制成极阵、导体和绝缘电阻，使电极分布、体积和数目可任意安排和控制。蜗轴电极用蓝宝石(125 μm厚)作为载体。蜗轴电极可直接与神经元接触，电刺激兴奋面内神经元数量众多，能用4根导线(2根供电、2根供数据)连接成百条通道。鼓阶薄膜电极用聚酰亚胺作载体600 nm铂层真空喷溅，通过光刻制成电极触点和导线，另以第3层聚酰亚胺作绝缘。

3.8 丹麦哥本哈根大学薄膜12导偶电极或24导单极系统(1983) 在基旋和中旋的蜗壁上分别开孔作为电极插入口。基旋鼓阶插12个电极，中旋鼓阶则为8个电极。

3.9 蜗外电极系统 伦敦大学Douek-ForJrcin(1983)和维也纳技术大学Hochmari-Desoger(1983)都进行了类似研究。蜗外电极植入尤其适用于尚有残余听力的患者，也可作为一种有待更新先进多导系统的过渡性装置。伦敦大学组的设计是：通过手术让鼓膜与鼓岬粘连，使用时由患者将作用电极(不锈钢制小球)直接经耳道置入鼓岬紧贴，是一种不植人体内的装置。维也纳组则将作用电极植入蜗窗龛或鼓岬表面，接地极埋入同侧颞肌内。由调幅检波器对输入信息检波，并保证极间放电平衡。无线线圈和接收器元件用环氧树脂和硅胶382盒装。

3.10 复旦大学附属眼耳鼻喉科医院王正敏研究组单导系统(1984) 用特氟隆(后改用硅胶)作体内感应线圈外壳，电极导线外层采用涂层替代套管，提高密闭绝缘性能。作用电极小球经蜗窗龛前1.0 mm直径人工鼓阶外壁小窗植入鼓阶，回路电极放置在颞肌，体外发射线圈用弹性头带固定在头部。在当时，国内推广应用达千例以上。

(本文编辑 杨美琴)

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻喉科 上海 200031

王正敏(Email：fjswzm@gmail.com)

2014-03-26)