王正敏

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人工耳蝸植入早期工程研究[耳顯微外科2007版(四十)]

王正敏

1 耳蝸植入器的動(dòng)物模擬實(shí)驗(yàn)

為了弄清耳蝸植入器植入后的耳蝸組織學(xué)改變和對(duì)殘存神經(jīng)纖維的影響，曾進(jìn)行了一系列模擬式的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物對(duì)象多數(shù)是貓，也有猴、兔或其他哺乳類(lèi)動(dòng)物。實(shí)驗(yàn)證明，在鼓階內(nèi)插入導(dǎo)線和電極．如損傷基底膜、骨螺旋板或骨內(nèi)衣，必然發(fā)生損傷區(qū)的神經(jīng)變性(Leake-Jones，1983；Schindler，1977)；倘若插入深度達(dá)6 mm，80 d后可見(jiàn)蝸內(nèi)全部毛細(xì)胞變性，鼓階內(nèi)布滿結(jié)締組織并有新骨形成，但是神經(jīng)節(jié)細(xì)胞仍可完整無(wú)恙(Shephord，1983)。長(zhǎng)期植入，可見(jiàn)到骨螺旋板神經(jīng)纖維廣泛變性。蝸軸內(nèi)植入電極會(huì)造成廣泛的神經(jīng)損傷，并影響血供，現(xiàn)已很少選用。

骨螺旋板神經(jīng)孔內(nèi)神經(jīng)纖維變性以后，神經(jīng)孔仍保持開(kāi)放，甚至還殘留髓鞘。神經(jīng)孔不會(huì)自行閉鎖，其內(nèi)充有外淋巴液(Johnsson，1982)，故音位刺激(按基膜頻率的位編碼為序，在鼓階內(nèi)安排電極，按音位作有限范圍內(nèi)的電刺激)的電場(chǎng)應(yīng)布置在骨螺旋板基部或鼓階的蝸軸壁上(Johnsson，1982)。

在耳蝸?lái)敾卮婊畹纳窠?jīng)纖維較基回為多，是電極植入的最佳部位。但是，只能用于貓或豚鼠的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中(因耳蝸顯露在耳泡內(nèi)，作頂回蝸壁電極植入十分方便)?；貎?nèi)的神經(jīng)纖維變性常很?chē)?yán)重，作為音位刺激的電極植入部位很不理想，但是在基回內(nèi)淺植電極可防止骨內(nèi)衣、小血管和基底膜的外傷。骨內(nèi)衣一旦受損，就會(huì)導(dǎo)致新骨形成。所以，從病理學(xué)觀點(diǎn)分析．在蝸壁上多處鉆孔穿過(guò)骨內(nèi)衣植入多導(dǎo)電極的手術(shù)方法是不足取的。

通過(guò)蝸窗膜將電極植入鼓階的方法現(xiàn)在已被廣泛采用。但是，蝸窗膜與骨螺旋板和基底膜的關(guān)系十分密切；即使從蝸窗插入的電極不深也仍有可能造成上述組織的外傷。避免損傷的關(guān)鍵不完全在于電極插入的深淺，還在于電極插入的方向和部位。從蝸窗膜的下1/2以接近水平的方向插入電極比較理想。

從1例雙耳分別植入鉑絲(2年)和銀絲電極(5年)的56歲男性患者的尸體耳蝸病理檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，蝸窗龕有包埋導(dǎo)線的結(jié)締組織，窗已為結(jié)締組織封閉。基回上1/2的蝸管被鉑絲電極推動(dòng)而有移位?；厣?/2和頂回的螺旋板內(nèi)有成束的神經(jīng)纖維和小堆Corti器，銀絲電極可造成鼓階內(nèi)新骨形成和蝸管積水(該耳的骨螺旋板內(nèi)無(wú)神經(jīng)纖維存活)。雙耳的螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞大量喪失，遠(yuǎn)腦突變性比近腦突變性嚴(yán)重。銀可因電解進(jìn)入周?chē)M織。當(dāng)然，僅憑這例尸檢病理報(bào)告所提供的資料是不夠的，何況蝸內(nèi)許多病理變化是原來(lái)疾病造成的，所以這方面的研究有待深入。

2 人工耳蝸植入器的早期設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線絕緣防漏是植入器能否耐久的必要條件，可借鑒心臟起搏器的導(dǎo)線密閉技術(shù)制作。絕緣材料必須具有優(yōu)良的生物相容性。耳蝸植入器常常是由多聚體、金屬和其他材料復(fù)合制成的。多聚體極少引起變態(tài)反應(yīng)。少數(shù)患者對(duì)有些金屬過(guò)敏，如金、鉑、鈷、鉻和鎳可產(chǎn)生接觸性皮炎，其中鈷、鎳反應(yīng)尤為嚴(yán)重。異物長(zhǎng)期刺激和致癌物質(zhì)可誘發(fā)腫瘤，如鎳的致癌性已被證實(shí)，不過(guò)在臨床極為罕見(jiàn)。鈷、鎳具有輕度的細(xì)胞毒，并抑制吞噬細(xì)胞活動(dòng)，可影響免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致感染。引起感染的原因不僅是材料本身，與手術(shù)入路、無(wú)菌術(shù)野和組織污染都有密切關(guān)系?，F(xiàn)用生物材料有多聚體(polymer)、陶瓷(ceramics)和碳(carbon)等。多聚體包括多種復(fù)合物，其中滌綸(daeron)、特氟隆(teflon)、丙烯酸衍生物(acrylic)、硅膠(silicones)和環(huán)氧樹(shù)脂(epoxy)具有良好的生物相容性，作為醫(yī)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)和聚對(duì)亞苯基二甲基(partlene)，因其獨(dú)特性能，也可用于耳蝸植入器的制作中。

多聚體具有組織刺激性微小(但其單體先質(zhì)多是劇毒品)，抗腐蝕性極強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，塑形方便和絕緣性高等優(yōu)點(diǎn)。各種多聚體理化性能因有一定差異．用途不一。環(huán)氧樹(shù)脂專(zhuān)用作密閉縫隙的材料。特氟隆在1～4周內(nèi)可引起內(nèi)含少量巨細(xì)胞的薄層肉芽組織，與骨面接觸處，增生一層膠原纖維。特氟隆有收集靜電荷能力，操作時(shí)要當(dāng)心污染微粒吸附帶入組織內(nèi)。特氟隆多用作元件和導(dǎo)線的絕緣物質(zhì)。超高分子聚乙烯的密度較高，表面摩擦系數(shù)小，可用來(lái)制成導(dǎo)管和關(guān)節(jié)贗復(fù)品。滌綸可編成織物使用，長(zhǎng)期植入組織只有極輕微的炎性刺激反應(yīng)。低黏滯度硅膠可注入模盒或模管內(nèi)填充空間，而不損壞精細(xì)的導(dǎo)線、元件或電極。硅膠的撓性和彈性可多年不變，防漏電能力強(qiáng)，不怕氧化。不過(guò)，如加入催化劑，會(huì)影響它的生物相容性。聚氨基甲酸乙酯撓性極強(qiáng)，反復(fù)彎折不斷。

陶瓷電阻率極高，制盒密閉完全，可為射頻電磁場(chǎng)透射，抗撞擊性也極佳。植入體內(nèi)有輕度組織反應(yīng)。缺點(diǎn)是，由于熔點(diǎn)太高(1 500～1 700 ℃)。密封成盒時(shí)的熔點(diǎn)溫度會(huì)徹底破壞盒內(nèi)的電子元件。

碳膜用于插座式連接穿皮金屬接頭的表層，其周皮膚可與碳膜柱腳愈合，保持較強(qiáng)的抗感染力。

由于電極與組織的接觸面小，作為電極用的金屬材料必須具有導(dǎo)電量大、不會(huì)電解液化或氣化的性能。不銹鋼、鈷-鉻合金，鈦合金和鈷合金都不適用，只有鉑和鉑銥合金能滿足上述性能要求。鉑、銥的電解氣化限度遠(yuǎn)比不銹鋼為大(不銹鋼40 μC/cm2，鉑300 μC/cm2，銥4 000～5 000 μC/cm2，μC為微庫(kù)侖)。防止電解的電工技術(shù)要求是，電極與組織接觸面要盡可能大，故電極表面以粗糙為宜。采用電容耦合使作用電極和接地電極的放電保持平衡，以使信號(hào)電流的正反相位處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。

植入體內(nèi)的電子元件必須盒裝以與體內(nèi)環(huán)境完全隔絕、盒內(nèi)不可有濕氣或可溶性鹽類(lèi)?，F(xiàn)用制盒材料有環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠、鈦、陶瓷和其他多聚體。

3 國(guó)外早期人工耳蝸的設(shè)計(jì)

3.1 House耳研所(洛杉磯)單導(dǎo)系統(tǒng)(1982) 已由FDA(美國(guó)食品及藥物管理局)批準(zhǔn)。電極直徑0.5 mm，作用極導(dǎo)線長(zhǎng)78 mm(1.5 mm裸露)，接地極導(dǎo)線長(zhǎng)68 mm(53 mm裸露)。導(dǎo)線絕緣材料為硅膠管。內(nèi)外線圈感應(yīng)耦合，內(nèi)線圈輸出不通過(guò)濾波或解碼器，只以16 kHz載波信號(hào)調(diào)制。作用電極通過(guò)蝸窗植入鼓階內(nèi)，回路電極放置在咽鼓管內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，使用普及面大，缺點(diǎn)是階內(nèi)植入會(huì)造成蝸內(nèi)構(gòu)造損傷，影響骨螺旋板內(nèi)神經(jīng)元的存活。

3.2 Biostim公司單導(dǎo)蝸內(nèi)的電極系統(tǒng)(1983) 與House單導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本相仿。不同之處是，使用鈷盒裝RF接收器(射頻接收器)，經(jīng)濾波檢去射頻載波，輸出模擬信號(hào)。電極間有電容耦合，放電平衡，安全性大．可作電極蝸窗龕植入。

3.3 美國(guó)猶他州立大學(xué)Eddington多導(dǎo)穿皮系統(tǒng)(1983) 通過(guò)縫在皮膚上的炭膜插座，連接鼓階內(nèi)5～6個(gè)球形電極(0.5 mm)。接地極2只，分別放在顳肌內(nèi)和鼓岬上。

3.4 奧地利維也納技術(shù)大學(xué)Hochnair的CMOS混合波導(dǎo)連接多導(dǎo)系統(tǒng) 開(kāi)始時(shí)用8導(dǎo)，現(xiàn)改為4導(dǎo)，減導(dǎo)原因是導(dǎo)數(shù)過(guò)多會(huì)使信號(hào)處理復(fù)雜化。鉑銥(9∶1)合金偶電極(0.15～0.33 mm接觸球面)。導(dǎo)線用特氟隆絕緣，插入載體用硅膠382制成。階內(nèi)深度為12～22 mm，可拔出置換。

3.5 法國(guó)巴黎醫(yī)院Chouard的蝸壁多導(dǎo)植入系統(tǒng)(1983) 從中耳作耳蝸蝸壁開(kāi)窗，將鉑銥電極插入階內(nèi)。導(dǎo)線用特氟隆絕緣。7個(gè)電極放在耳蝸基回，5個(gè)放在中回。采用多路傳輸接收器．使信息輸入傳至其中一個(gè)電極時(shí)，其他11個(gè)電極接地，形成非同時(shí)性，單極刺激。Chouard以后改用經(jīng)蝸窗階內(nèi)植入電極的方法。

3.6 澳大利亞墨爾本大學(xué)Nucleus公司Clark的CMOS集成電路(1983) 接收器有22個(gè)系列頻帶，分接22個(gè)鉑銥電極，硅膠(MDX4-4210)載體：通過(guò)信息處理，形成縱向偶電極式放電。導(dǎo)線與接收器之間有一嵌式接頭，系由硅膠制成的，且有彈性。接頭的塞孔與插頭的接觸極其嚴(yán)密，可防水汽滲入或凝聚。接收器是一定制的CMOS集成電路塊，能數(shù)控刺激強(qiáng)度級(jí)。在體外言語(yǔ)處理器的指令下，接收器能將信息按波段分導(dǎo)傳至電極。為了避免極間電流疊加現(xiàn)象，每次只向極陣(22對(duì)電極按蝸管縱軸的排列陣式)內(nèi)的一對(duì)電極送電。這樣，經(jīng)過(guò)言語(yǔ)處理器編碼的語(yǔ)言成分就能按頻率高低分送至各對(duì)電極，即高頻信息傳送至基回電極，而較低頻的信息則順序向頂回分導(dǎo)輸送。接收器盒用鈦(Ti6A14V)制成，配以22個(gè)輸出孔的陶瓷底座。鈦與陶瓷靠銀銅合金硬焊。外包壓縮硅膠，能防直流電腐蝕銅、銀和鈦。接收器靠單次數(shù)據(jù)線圈(無(wú)線線圈)和供電線圈工作。為了使供電線圈內(nèi)的感應(yīng)電流的電壓級(jí)盡可能低，供電線圈只有1匝，爾后再由接收器升壓。無(wú)線線圈外包硅膠，放置在接收器盒外的周邊。言語(yǔ)處理器和發(fā)射機(jī)體積很小，模擬和數(shù)控線路兼用，3節(jié)AA電池可連續(xù)使用50 h。言語(yǔ)處理器按具體患者的聽(tīng)閾、動(dòng)態(tài)范圍和電極編碼編制程序。

3.7 美國(guó)加州Stanford大學(xué)薄膜照相制版8導(dǎo)或12導(dǎo)集成電路系統(tǒng)(1982) 由先進(jìn)的薄膜照相平版印刷技術(shù)制成的電極，分導(dǎo)插入蝸軸和鼓階內(nèi)。薄膜照相電極系列制版有造價(jià)低廉和接觸點(diǎn)密集的優(yōu)點(diǎn)。采用真空噴濺(真空沉積)及光刻原理交替分層制成極陣、導(dǎo)體和絕緣電阻，使電極分布、體積和數(shù)目可任意安排和控制。蝸軸電極用藍(lán)寶石(125 μm厚)作為載體。蝸軸電極可直接與神經(jīng)元接觸，電刺激興奮面內(nèi)神經(jīng)元數(shù)量眾多，能用4根導(dǎo)線(2根供電、2根供數(shù)據(jù))連接成百條通道。鼓階薄膜電極用聚酰亞胺作載體600 nm鉑層真空噴濺，通過(guò)光刻制成電極觸點(diǎn)和導(dǎo)線，另以第3層聚酰亞胺作絕緣。

3.8 丹麥哥本哈根大學(xué)薄膜12導(dǎo)偶電極或24導(dǎo)單極系統(tǒng)(1983) 在基旋和中旋的蝸壁上分別開(kāi)孔作為電極插入口?；碾A插12個(gè)電極，中旋鼓階則為8個(gè)電極。

3.9 蝸外電極系統(tǒng) 倫敦大學(xué)Douek-ForJrcin(1983)和維也納技術(shù)大學(xué)Hochmari-Desoger(1983)都進(jìn)行了類(lèi)似研究。蝸外電極植入尤其適用于尚有殘余聽(tīng)力的患者，也可作為一種有待更新先進(jìn)多導(dǎo)系統(tǒng)的過(guò)渡性裝置。倫敦大學(xué)組的設(shè)計(jì)是：通過(guò)手術(shù)讓鼓膜與鼓岬粘連，使用時(shí)由患者將作用電極(不銹鋼制小球)直接經(jīng)耳道置入鼓岬緊貼，是一種不植人體內(nèi)的裝置。維也納組則將作用電極植入蝸窗龕或鼓岬表面，接地極埋入同側(cè)顳肌內(nèi)。由調(diào)幅檢波器對(duì)輸入信息檢波，并保證極間放電平衡。無(wú)線線圈和接收器元件用環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠382盒裝。

3.10 復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院王正敏研究組單導(dǎo)系統(tǒng)(1984) 用特氟隆(后改用硅膠)作體內(nèi)感應(yīng)線圈外殼，電極導(dǎo)線外層采用涂層替代套管，提高密閉絕緣性能。作用電極小球經(jīng)蝸窗龕前1.0 mm直徑人工鼓階外壁小窗植入鼓階，回路電極放置在顳肌，體外發(fā)射線圈用彈性頭帶固定在頭部。在當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用達(dá)千例以上。

(本文編輯 楊美琴)

復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院耳鼻喉科 上海 200031

王正敏(Email：fjswzm@gmail.com)

2014-03-26)