人工耳蝸植入體電極導(dǎo)線拉伸性評(píng)價(jià)方法研究

陳甜甜，付 麗，田 佳，于 哲，譚菲菲，張 克，丁錫燕

（山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著人類(lèi)生活環(huán)境的變化，聽(tīng)力損失的患病率不斷升高，其已成為全球重大的健康問(wèn)題[1-2]。對(duì)于病變部位在內(nèi)耳的重度/極重度感音神經(jīng)性聽(tīng)力損失患者來(lái)說(shuō)，人工耳蝸植入是目前聽(tīng)覺(jué)康復(fù)最可靠的選擇[3-4]，也是獲得和保持言語(yǔ)功能的最佳方案[5]。目前，隨著新生兒聽(tīng)力篩查工作在全國(guó)不斷普及和深入，以及人工耳蝸植入技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工耳蝸植入者呈低齡化趨勢(shì)[6]。然而，兒童自然生長(zhǎng)發(fā)育等特點(diǎn)對(duì)人工耳蝸的各項(xiàng)機(jī)械防護(hù)性能，尤其是電極導(dǎo)線的拉伸性能提出了較高要求，這直接影響著人工耳蝸的植入壽命和工作可靠性[7]。本研究將對(duì)拉伸后的人工耳蝸植入體電極導(dǎo)線分別采用不同的測(cè)試原理、測(cè)量設(shè)備進(jìn)行開(kāi)路試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析比較，并給出人工耳蝸植入體電極導(dǎo)線拉伸性評(píng)價(jià)的方法建議。

1 標(biāo)準(zhǔn)研究

1.1 背景

在人工耳蝸植入體植入期間，刺激器通常完全放于顳骨內(nèi)，其電極導(dǎo)體穿過(guò)乳突切口，到達(dá)內(nèi)耳，參比電極導(dǎo)體放在顳肌下方的顱骨表面[8-9]。內(nèi)耳和中耳在嬰兒出生時(shí)就已經(jīng)基本發(fā)育完全[10]。隨著顳骨的生長(zhǎng)，位于中耳側(cè)方的所有結(jié)構(gòu)顯著向外生長(zhǎng)，導(dǎo)致內(nèi)耳和中耳結(jié)構(gòu)相對(duì)向內(nèi)偏移[11-12]。從出生到成年，人類(lèi)圓形窗口到中硬膜角將有（12±5）mm 的顱骨生長(zhǎng)[13]。骨生長(zhǎng)和著床期間的拉伸力大約為1 N，而人工耳蝸植入體電極導(dǎo)體在顱骨生長(zhǎng)期間可能被拉伸。因此，人工耳蝸植入體的電極導(dǎo)線部分需要特殊設(shè)計(jì)以便能夠承受在顱骨生長(zhǎng)期間可能經(jīng)歷的拉伸。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)YY 0989.7—2017/ISO 14708—7：2013《手術(shù)植入物 有源植入式醫(yī)療器械 第7 部分：人工耳蝸植入系統(tǒng)的專(zhuān)用要求》[14-15]和國(guó)際現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 14708—7：2019 Implants for surgery—Active implantable medical devices—Part 7：Particular requirements for cochlear and auditory brainstem implant systems[16]對(duì)人工耳蝸電極導(dǎo)線的拉伸性做出了要求，但未規(guī)定試驗(yàn)驗(yàn)證方法。標(biāo)準(zhǔn)中明確表示考慮電極的不同幾何設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)方法由制造商自由決定，但承受拉伸的關(guān)鍵電極部分需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證[17]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)要求

標(biāo)準(zhǔn)要求人工耳蝸植入體刺激器外的電極導(dǎo)線應(yīng)能承受植入過(guò)程中或植入后可能產(chǎn)生的張力，任何導(dǎo)線不應(yīng)斷裂，任何功能性電氣絕緣不應(yīng)損壞[14]。

試驗(yàn)方法為樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)，其流程圖如圖1 所示，電極導(dǎo)線被拉伸15 mm 或者承受1 N 的拉伸力后，施加試驗(yàn)電壓進(jìn)行絕緣測(cè)試。試驗(yàn)信號(hào)應(yīng)為1 kHz 方波，其峰峰值電壓應(yīng)為人工耳蝸植入系統(tǒng)最大峰峰值輸出電壓的2 倍。電極導(dǎo)線內(nèi)任意導(dǎo)線對(duì)組合間施加至少15 s 的試驗(yàn)信號(hào)測(cè)量每對(duì)導(dǎo)體線路之間的阻抗。如果拉伸試驗(yàn)后電極導(dǎo)線并未損壞且每對(duì)導(dǎo)體線路之間的阻抗超過(guò)100 kΩ，則可以確認(rèn)符合性[14]，即電極導(dǎo)線拉伸后不能發(fā)生開(kāi)路或短路。

圖1 樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)流程圖

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 開(kāi)路試驗(yàn)方法

驗(yàn)證電極導(dǎo)線是否開(kāi)路的試驗(yàn)方法可分為2種：直流電阻測(cè)試法和阻抗遙測(cè)法。本研究將對(duì)同一樣品（16 通道電極導(dǎo)線）分別采用2 種方法驗(yàn)證其拉伸后是否發(fā)生開(kāi)路，試驗(yàn)環(huán)境溫度為23～24 ℃，相對(duì)濕度為45%～50%。

2.1.1 直流電阻測(cè)試法

在上述樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)后，使用FLUKE 15B+萬(wàn)用表測(cè)量各電極導(dǎo)線的直流電阻，若直流電阻≤100 Ω，則電極導(dǎo)線未發(fā)生開(kāi)路。經(jīng)測(cè)試，16 通道電極導(dǎo)線的直流電阻實(shí)測(cè)值均在63.5～70.6 Ω范圍內(nèi)，證明電極導(dǎo)線未發(fā)生開(kāi)路。

2.1.2 阻抗遙測(cè)法

在上述樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)后，將該電極導(dǎo)線連接到配套的刺激器工裝上，連接刺激器兼容的人工耳蝸聲音處理器、調(diào)機(jī)設(shè)備及軟件，將電極導(dǎo)線尾部的電極陣列浸入0.9%的生理鹽水中，打開(kāi)調(diào)機(jī)軟件進(jìn)行阻抗遙測(cè)[18-19]。若電極阻抗遙測(cè)值在制造商規(guī)定的通路范圍內(nèi)，且調(diào)機(jī)軟件顯示電極狀態(tài)為通路，則可確認(rèn)導(dǎo)線未發(fā)生開(kāi)路。經(jīng)測(cè)試，16 通道電極導(dǎo)線在共地模式下的電極阻抗遙測(cè)值均在1.19～2.03 kΩ 范圍內(nèi)，調(diào)試軟件顯示電極狀態(tài)為通路，證明電極導(dǎo)線未發(fā)生開(kāi)路。

2.2 絕緣試驗(yàn)方法

電極導(dǎo)線的絕緣層在拉伸后可能造成損壞，存在電極導(dǎo)線短路的風(fēng)險(xiǎn)，可通過(guò)絕緣試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。標(biāo)準(zhǔn)要求每對(duì)導(dǎo)體線路之間的阻抗應(yīng)超過(guò)100 kΩ[14]。絕緣阻抗的測(cè)量方法可分為2 種：高精度萬(wàn)用表測(cè)量法和示波器測(cè)量法?？紤]到電極導(dǎo)線之間絕緣阻抗值的不確定性，采用不同的測(cè)試方法得到的檢測(cè)結(jié)果可能相差較大，本研究將使用100～1 000 kΩ（以100 kΩ 遞增）共10 種標(biāo)準(zhǔn)電阻分別測(cè)試驗(yàn)證2種方法的準(zhǔn)確性。然后，對(duì)同一樣品（16 通道電極導(dǎo)線）測(cè)試鹽水浸泡前后的絕緣阻抗，驗(yàn)證鹽水浸泡對(duì)絕緣阻抗的影響。試驗(yàn)環(huán)境溫度為23～24 ℃，相對(duì)濕度為45%～50%。

2.2.1 電極導(dǎo)線絕緣阻抗測(cè)量方法比較

2.2.1.1 高精度萬(wàn)用表測(cè)量法

在上述樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)后，采用高精度萬(wàn)用表測(cè)量電極導(dǎo)線絕緣阻抗，電路圖如圖2所示。P1、P2 分別連接至電極導(dǎo)線中任意2 根導(dǎo)線，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使P1、P2 之間試驗(yàn)信號(hào)為40 Vp-p、1 kHz 的方波，采用FULKE 8846A 型6 位半數(shù)字高精度萬(wàn)用表分別測(cè)量電壓（U）和電流（I），計(jì)算絕緣阻抗Rx（Rx=U/I）。將16 通道電極導(dǎo)線兩兩組合，共需測(cè)量120 個(gè)絕緣阻抗。

圖2 高精度萬(wàn)用表測(cè)量法測(cè)量絕緣阻抗電路圖

2.2.1.2 示波器測(cè)量法

在上述樣品鹽水預(yù)處理及拉伸試驗(yàn)后，采用示波器測(cè)量電極導(dǎo)線絕緣阻抗，電路圖如圖3 所示。P1、P2 分別連接至電極導(dǎo)線中任意2 根導(dǎo)線，每次測(cè)量前將P1、P2 兩端試驗(yàn)信號(hào)調(diào)至40 Vp-p、1 kHz 的方波，參考電阻R 設(shè)為100 kΩ，采用Agilent DSO9104A 型數(shù)字示波器分別測(cè)量峰峰值電壓U1與U2，計(jì)算絕緣阻抗Rx：Rx=R×[U2/（U1-U2）]。將16 通道電極導(dǎo)線兩兩組合，共需測(cè)量120 個(gè)絕緣阻抗。

圖3 示波器測(cè)量法測(cè)量絕緣阻抗電路圖

2.2.1.3 2 種測(cè)量方法比較

高精度萬(wàn)用表測(cè)量法和示波器測(cè)量法比較結(jié)果詳見(jiàn)表1。其中10 種標(biāo)準(zhǔn)電阻值由日本日置IM3536型LCR 測(cè)試儀在1 kHz 下測(cè)量而得。2 種方法的測(cè)量誤差如圖4 所示。

表1 高精度萬(wàn)用表測(cè)量法和示波器測(cè)量法絕緣阻抗測(cè)試結(jié)果

圖4 2 種方法的測(cè)量誤差比較

2.2.2 鹽水浸泡對(duì)絕緣阻抗的影響

對(duì)同一樣品（16 通道電極導(dǎo)線）采用高精度萬(wàn)用表測(cè)量法測(cè)試其鹽水（9 g/L 的生理鹽水，37 ℃）浸泡前后的絕緣阻抗。本研究選擇同樣10 組電極導(dǎo)線對(duì)進(jìn)行比較，測(cè)得鹽水浸泡前后的電極導(dǎo)線絕緣阻抗結(jié)果如圖5 所示，詳見(jiàn)表2。

圖5 鹽水浸泡前后絕緣阻抗值比較

表2 鹽水浸泡前后絕緣阻抗值統(tǒng)計(jì) 單位：kΩ

3 討論

電極導(dǎo)線拉伸后的開(kāi)路試驗(yàn)方法包含直流電阻測(cè)試法和阻抗遙測(cè)法，2 種方法均可驗(yàn)證拉伸后電極導(dǎo)線是否斷開(kāi)。其中，直流電阻測(cè)試法對(duì)測(cè)試準(zhǔn)備要求較低，但測(cè)量過(guò)程中容易損壞電極觸點(diǎn)，不易區(qū)分拉伸或測(cè)量過(guò)程導(dǎo)致的電極導(dǎo)線開(kāi)路。阻抗遙測(cè)法對(duì)制造商樣品的準(zhǔn)備要求較高，需要將拉伸后的電極導(dǎo)線與配套刺激器連接起來(lái)，但測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，且與人工耳蝸的臨床實(shí)際使用方法一致。

為了驗(yàn)證電極導(dǎo)線拉伸后絕緣層是否損壞，本研究對(duì)比了高精度萬(wàn)用表測(cè)量法和示波器測(cè)量法2種絕緣試驗(yàn)方法。從圖4 可以看出，采用高精度萬(wàn)用表測(cè)量法的誤差均在±1.5%以?xún)?nèi)，測(cè)量誤差相對(duì)穩(wěn)定。而采用示波器法測(cè)量誤差較大，原因可能包括：（1）示波器非精確測(cè)量?jī)x器[20]；（2）示波器測(cè)量法采用電阻分壓法，分壓電阻和待測(cè)電阻之間的比值直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

另外，為驗(yàn)證鹽水浸泡對(duì)絕緣阻抗的影響，本研究采用高精度萬(wàn)用表法測(cè)量鹽水浸泡前后的電極導(dǎo)線絕緣阻抗。從圖5 可以看出，經(jīng)鹽水浸泡后的電極導(dǎo)線絕緣阻抗值明顯減小。因此，在電極導(dǎo)線拉伸性評(píng)價(jià)中，為了模擬電極導(dǎo)線植入人體后的拉伸狀態(tài)，按標(biāo)準(zhǔn)要求，電極導(dǎo)線拉伸前應(yīng)進(jìn)行鹽水預(yù)處理至少10 d。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)開(kāi)路試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)分別驗(yàn)證電極導(dǎo)線拉伸后是否斷裂、功能性電氣絕緣層是否損壞，并研究了鹽水預(yù)處理對(duì)電極導(dǎo)線絕緣阻抗的影響，總結(jié)了人工耳蝸植入體的拉伸性評(píng)價(jià)方法并提出以下建議：（1）在進(jìn)行人工耳蝸電極導(dǎo)線拉伸性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮鹽水預(yù)處理對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，充分模擬電極導(dǎo)線植入人體后的環(huán)境條件；（2）針對(duì)開(kāi)路試驗(yàn)，直流電阻測(cè)試法或阻抗遙測(cè)法均可，若制造商有條件制作可連接電極導(dǎo)線的刺激器工裝，推薦選用更符合臨床實(shí)際應(yīng)用情況的阻抗遙測(cè)法；（3）針對(duì)絕緣試驗(yàn)，考慮到電極導(dǎo)線之間絕緣阻抗的不確定性，若分壓電阻選擇不當(dāng)，則可能直接造成測(cè)試結(jié)果的誤判，因此推薦采用高精度萬(wàn)用表測(cè)量法。上述研究結(jié)果能夠給相關(guān)產(chǎn)品的檢驗(yàn)人員提供參考和思路，指導(dǎo)生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)研發(fā)，保證人工耳蝸植入體電極導(dǎo)線良好的拉伸性能。

此外，人工耳蝸植入體電極導(dǎo)線性能評(píng)價(jià)還需考慮人工耳蝸植入體在從無(wú)菌包裝取出后到植入人體前可能的意外彎曲或跌落，以及植入人體后由于人體顳肌活動(dòng)導(dǎo)致的植入導(dǎo)線彎曲。本研究?jī)H對(duì)電極導(dǎo)線拉伸性能評(píng)價(jià)方法給出參考建議，未對(duì)其彎曲耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，未來(lái)還需要進(jìn)一步研究電極導(dǎo)線的其他性能。