人工耳蜗电极设计策略和临床应用

辜萍戴朴马崇智解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科（北京00853）解放军第53医院（甘肃73750）



·综述·

人工耳蜗电极设计策略和临床应用

辜萍1戴朴1马崇智2
1解放军总医院耳鼻咽喉头颈外科（北京100853）
2解放军第513医院（甘肃732750）

【摘要】自1984年美国食品药品监督管理局批准第一款人工耳蜗装置用于临床，至今已有30余万听障人群通过人工耳蜗植入走出了无声世界。电极是人工耳蜗装置的核心部件之一，电极设计主要基于耳蜗生理结构和感音原理。不同人工耳蜗公司的电极产品各有其特点，并在临床应用过程中不断改进和完善。人工耳蜗电极植入深度与临床使用效果之间的关系是目前研究的热点，结果尚无定论。随着相关研究的深入和技术的进步，人工耳蜗电极产品将会减小输出频率与螺旋神经节细胞特征频率之间失匹配程度，使患者获得最佳的使用效果。

【关键词】人工耳蜗；电极；植入深度

This work was supported by grants from the Project of the National Natural Science Foundation of China（Grant No.81230020），a grant from Ministry of Science and Technology of China（2012BAI09B02），grants from the National Basic Research Program of China （973 Program）（2014CB541706，2014CB541701）.

Declaration of interest:The authors report no conflicts of interest.The authors alone are responsible for the content and writing of the paper.

人工耳蜗是目前最成功的用于重建听觉的植入式电子装置，全世界已有超过30万听障人群接受了人工耳蜗植入［1］。基于正常耳蜗的生理结构和感音原理，人工耳蜗将声音信号转化为电脉冲信号，通过植入耳蜗内的电极序列兴奋耳蜗内残余的螺旋神经节细胞，重建耳蜗的听觉功能。多导人工耳蜗装置在三十余年的临床应用中，各个部件均在不断改进和完善［2］。不同品牌人工耳蜗产品设计均有其相应的耳蜗生理学理论基础，本文主要结合人工耳蜗电极设计相关的耳蜗病理生理学特点，针对电极设计策略和临床应用进行综述。

1　耳蜗的病理生理学特点

人工耳蜗电极输送的信号主要由耳蜗内螺旋神经节细胞（spiral ganglion neurons，SGNs）接收并传递。螺旋神经节细胞数量约32000至41000个，其中95％为有髓鞘的I型螺旋神经节细胞，5％为无髓鞘的II型螺旋神经节细胞［3］。螺旋神经节细胞为双极神经元，胞体主要位于耳蜗底回和中回［4］，在蜗轴内聚集形成螺旋神经节，中枢突即轴突穿出蜗轴组成蜗神经将信号传向听觉中枢，周围突即树突呈放射状穿过骨螺旋板至基底膜与毛细胞基部形成突触连接。正常耳蜗基底膜上有规律的排列着大约12000个外毛细胞和4000个内毛细胞，毛细胞是内耳唯一能将机械振动转化为生物电信号的感受器细胞，其损伤是导致感音神经性耳聋的主要原因。当毛细胞发生病变后，不再向螺旋神经节细胞传递神经营养因子和神经递质（谷氨酸等），螺旋神经节细胞的树突会出现退行性改变，但是胞体和轴突可以长时间存活［5］。

不同病因导致的感音神经性耳聋，耳蜗内残余的螺旋神经节细胞数目有较大差别［6］。其中突聋、梅尼埃病、耳毒性药物所致的耳聋，耳蜗内残余的螺旋神经节细胞数目最多；血栓、颞骨骨折和耳硬化症导致的耳聋次之；麻疹病毒感染、细菌性迷路炎和先天性梅毒致聋的患者残余螺旋神经节细胞最少。同时随着耳蜗的老化以及各种病因致聋后耳蜗内神经组织发生失用性退化，螺旋神经节细胞的数量也会逐渐减少。因而除了耳聋病因，患者的年龄和耳聋病程也是影响耳蜗残余螺旋神经节细胞数量的重要因素。

根据行波理论，声刺激引起基底膜以行波方式振动，不同频率的声音最大行波振幅出现在基底膜的不同部位。沿基底膜纵向存在着特定的频率-部位关系。声音频率越低，最大行波振幅出现的部位越靠近耳蜗顶部的基底膜，而声音频率越高，最大振幅出现在越靠近蜗底的部位。位于基底膜上的毛细胞及与之相连的螺旋神经节细胞也具有频率调谐特性，趋于按频率顺序有序排列。此外，神经电生理学的研究证实，单个神经纤维的放电多发生在刺激波形的特定相位上。因此，在听神经纤维的放电模式中亦包含着刺激的时间信息。耳蜗对声音频率信息的编码同时遵循频率-部位理论和频率-时间理论。

2　用于临床的人工耳蜗电极产品

目前通过美国FDA认证的人工耳蜗产品主要来自澳大利亚Cochlear公司、奥地利MED-EL公司和美国AB（Advanced Bionics）公司。2011年中国杭州诺尔康公司的晨星人工耳蜗系统获得国家食品药品监督管理局（State Food and Drug Administration，SFDA）的许可进入中国市场［1］。以上四个公司的人工耳蜗产品均为多通道人工耳蜗，蜗内电极设计根据正常耳蜗音位配布（tonotopic）的规律，将多个电极触点纵向排列植入耳蜗鼓阶内，每个电极触点承载特定频带的信息。靠近蜗尖的电极触点传递低频信息，靠近蜗底的电极触点传递高频信息。各个电极触点产生微弱的电流刺激相应位置的螺旋神经节细胞产生动作电位，向听觉中枢传导形成听觉感受。

澳大利亚Cochlear公司于1985年和1997年分别推出了Nucleus 22和Nucleus 24（CI24M）人工耳蜗系统［7］，二者均配置有效长度约17mm的直电极序列，电极序列上等距分布有22个钛合金全环电极触点。直电极序列植入耳蜗后位于鼓阶外侧壁。由于电极靠近蜗轴能更近距离精确地刺激目标神经组织，2000年该公司推出了配置有预弯电极Contour Electrode 的Nucleus 24 Contour［CI24R（CS）］人工耳蜗系统［8］。Contour Electrode电极序列有效长度为15mm，尖端直径0.5mm，尾端直径0.8mm。预弯电极在植入耳蜗前由于有金属内芯的支撑，呈直形。电极序列完全植入耳蜗后拔出内芯，电极恢复成抱蜗轴的弯曲状。Contour Electrode电极序列上有22个朝向蜗轴的半环电极触点，触点间距自尖端到尾端依次增加。2002年和2005年上市的Nucleus 24 Contour Advance［CI24R（CA）］和Nucleus Freedom［CI24RE（CA）］人工耳蜗系统配置预弯电极Contour Advance Electrode［7］，在Contour Electrode的基础上，增加了软尖设计（Softip），并推荐使用Advance Off-Stylet（AOS）手术技术植入。Contour Advance Electrode电极序列上第10和11号电极触点之间（距电极尖端8.5mm处）有一白色标记，电极植入耳蜗至白色标记处时，术者用镊子固定蜗外的金属内芯，并继续往耳蜗内推进电极序列，使内芯逐渐脱出电极，此时蜗内的电极序列失去内芯的支撑恢复成抱蜗轴的螺旋状。Cochlear预弯电极均推荐通过在圆窗前下开窗植入，确保电极能顺利进入鼓阶。2011年Cochlear公司推出Nucleus CI422人工耳蜗系统［9］，配置有效长度约20mm的直电极，尖端直径0.3mm，尾端直径0.6mm，较之前的电极产品更细长，推荐通过圆窗植入耳蜗，以更好的保留残余听力。Nucleus CI422电极序列上有22个朝向蜗轴的半环状电极触点。电极序列靠近鼓阶外侧壁的一侧无电极触点分布，表面光滑，这样的设计可以减少直电极植入过程中对鼓阶外侧壁的损伤。CI422电极蜗外部分有一翼状手柄，方便电极植入的同时还能指示电极触点在耳蜗内的方向，保证植入耳蜗的电极触点朝向蜗轴一侧。2009年上市的Nu-cleus 5人工耳蜗系统［10］，主要针对声音处理器进行了改进，其植入体Nucleus CI512的电极仍然配置预弯电极Contour Advance Electrode。

奥地利MED-EL公司的第一款人工耳蜗系统Comfort CI于1989年上市，电极序列只有4个通道。1994年上市的COMBI 40将电极通道增加至8个。1996年之后推出的人工耳蜗系统［11］（COMBI40+、PULSAR、SONATA、CONCERTO、SYNCHRONY），均配置有12个通道长31.5mm的直电极序列。目前应用于临床无耳蜗畸形患者的主要有标准电极（Standard）和超软电极（FLEXSOFT）两种类型。两种电极的电极触点均为卵圆形，触点间采用波浪布线技术，降低电极硬度，减小插入时电极对耳蜗结构的损伤。推荐经圆窗植入电极序列，有利于保留残余听力。标准电极序列上有12对（共24个）电极触点纵向排列在电极序列上，每对电极触点位于电极序列横径两侧，电极对之间等距分布，间距2.4mm，电极触点分布的长度约26.4mm。标准电极序列尖端直径0.5mm，尾端直径1.3mm。超软电极在标准电极的基础上，将尖端的5个电极通道设计为单电极触点排布，后7个通道为双电极触点，电极尖端部分较标准电极更细，从而减少电极对蜗尖部分精细结构的损伤。超软电极序列一共有19个电极触点，尖端直径0.4mm，尾端直径1.3mm。

美国AB公司的第一款人工耳蜗系统Clarion于1996年上市，配置有长约25mm的Spiral电极，有8个通道，共16个球形电极触点成对分布在电极序列上。为提高电刺激发送效率，2001年推出的HiFocus 1电极［12］，将电极触点改进为平板型，16个平板型电极触点等距排布在电极靠近蜗轴的一侧，触点间距1.1mm。HiFocus 1电极序列呈圆锥形，整体轻度弯曲，尖端直径0.4mm，尾端直径0.7mm，全长25mm，有效长度17mm。2003年上市的HiRes 90k植入体配置HiFocus 1J电极［13］，在HiFocus 1的基础上改进了电极颈部的设计，使其更利于手术植入，其余部分无变化。HiFocus 1和HiFocus 1J植入耳蜗后均位于靠近鼓阶外侧壁的位置。目前AB公司用于临床的Hi-Focus电极系列共有HiFocus 1J、HiFocus Helix和Hi-Focus Mid-Scala三种［14-15］，适配于HiRes 90K系列植入体。HiFocus HelixTM和HiFocusTM Mid-Scala均为预弯电极，有效长度分别是15.5mm和18.5mm，两种电极序列上均有16个靠近蜗轴侧等距分布的平板状电极触点。HiFocus HelixTM植入耳蜗后贴近蜗轴，而HiFocusTM Mid-Scala电极经过独特的设计，植入耳蜗后几乎居于鼓阶中央，不与蜗轴和鼓阶外侧壁接触，可以最大程度减小对蜗内结构的损伤。三种电极均可通过耳蜗开窗植入，HiFocus Mid-Scala电极还可选择经圆窗植入。

中国杭州诺尔康公司的晨星人工耳蜗系统于2011年在国内上市，2012年获得欧盟CE认证，目前已远销西班牙、印度等多个国家［1］。诺尔康晨星人工耳蜗系统配置有效长度为22mm的直电极序列，共有24个马鞍状蜗内电极触点。电极触点排列在靠近蜗轴一侧的电极序列上，触点间等距分布，间距为0.8mm。电极尖端直径0.6mm，尾端直径0.8mm。电极适合经圆窗前下开窗植入。

表1　不同型号电极植入深度Table 1 Summary of insertion angles from multiple studies using multiple electrode arrays

由于篇幅所限，本文只列出了各公司为耳蜗结构正常的患者提供的电极，介绍了各种类型电极的物理性状，具体结合声音处理器的功能部分以及适用于耳蜗畸形患者的电极产品未进行介绍。

3　人工耳蜗电极植入深度

不同品牌人工耳蜗产品电极序列的设计理念和具体细节有较大差异，其中最显著的差异是电极植入深度。理论上电极植入耳蜗的位置越深，覆盖的神经组织越多，为患者提供的声音信息的频率范围越大。根据基底膜的频率定位，电极如果能覆盖整个基底膜，患者便有可能感受到和正常耳蜗几乎一致的声音频率范围。奥地利MED-EL公司的电极基于此理论，以全覆盖耳蜗基底膜为目标，将电极长度设计为31.5mm，接近耳蜗基底膜的长度。由于螺旋神经节细胞的胞体是人工耳蜗电极的主要刺激靶点，仅分布在耳蜗的底转和中转的蜗轴中。澳大利亚Cochlear公司和美国AB公司的电极产品主要覆盖螺旋神经节细胞胞体分布的区域，电极长度较短，且均有预弯电极产品，使电极植入耳蜗后更靠近蜗轴中的螺旋神经节细胞胞体。

人工耳蜗电极序列在耳蜗内的植入深度不仅取决于电极序列的长度，还与电极类型有关。可供耳蜗结构正常患者选择的电极类型有直电极和预弯电极，手术医生根据不同类型电极的手术指南选择圆窗或耳蜗开窗径路植入电极。直电极植入耳蜗后靠近鼓阶的外侧壁，而弯电极则靠近蜗轴，弯电极的植入深度较同长度的直电极更深。因而，根据电极序列在耳蜗内盘旋的角度来判断电极植入的深度较为可靠。目前广泛用于临床的几种电极在耳蜗内的植入深度。（见表1）

4　电极植入深度与人工耳蜗使用效果

电极的植入深度一直是人工耳蜗产品设计领域的研究热点。两种长31.5mm的电极序列MED-EL Standard和FLEXSOFT植入耳蜗后尖端可到达蜗内一圈半至两圈的位置［16］。相对于较短的电极，理论上这两种电极可以覆盖耳蜗内更低频率的区域，蜗尖电极输出的频率信息与相应位置螺旋神经节细胞的特征频率更匹配，从而使患者的声音感受更加自然。另一方面，在通道数量固定的情况下，电极长度越长，通道间的距离增宽，可以减小通道间刺激的相互干扰。然而，电极植入越深相应位置鼓阶内径越窄，损伤基底膜和周围组织的可能性亦增加，不利于保留低频残余听力［18］。

Landsberger等［16］针对MED-EL Standard，MED-EL Flex28，Advanced Bionics HiFocus 1J，和Cochlear Contour Advance四种不同长度电极的植入深度以及电极与螺旋神经节细胞位置频率匹配的情况进行了研究，结果显示相对较长的电极可以提供与螺旋神经节细胞特征频率更加匹配的信号。2014年Buchman等［19］的研究发现同品牌的人工耳蜗，电极较长的受试组言语感知效果较好。Lee等［20］通过开/闭MED-EL长电极序列的通道模拟不同长度电极覆盖范围，在长电极覆盖的模式下，受试者的元音和辅音识别率较高，而声调识别与短电极模式差异不显著。但是Arnoldner等［21］发现关掉MED-EL标准电极靠近蜗尖的第2和3号电极后，受试者言语感知水平较未关闭时显著提高。还有一些针对MED-EL长电极植入者的研究指出受试者并不能区分MED-EL长电极蜗尖几个电极输出信号的频率差异［22-23］。靠近蜗尖部位的神经组织较密集，临界频带的距离被压缩［24］，深植入的人工耳蜗电极如何在增加频率感知范围的同时，也能选择性刺激负责不同频率信息的神经纤维，并减小对耳蜗结构的损伤还需要进一步研究。

5　展望

目前应用于临床的人工耳蜗产品，长度和电极触点设计各不相同，但均存在电极输出频率与螺旋神经节细胞特征频率失匹配的现象［16］。未来随着研究的深入和技术的进步，人工耳蜗电极产品有可能根据患者耳蜗结构和螺旋神经节细胞分布情况进行个性化定制，更加精准地刺激目标神经组织，以获得最佳的使用效果。

参考文献

1Zeng FG，Rebscher SJ，Fu QJ，et al.Development and evaluation of the Nurotron 26-electrode cochlear implant system［J］.Hearing research，2015，322（1）:188-199.

2郗昕.人工耳蜗植入后听力言语康复研究进展［J］.中华耳科学杂志，2015，13（4）:562-567.Xi Xin.Research Progress of cochlear implant hearing and speech rehabilitation［J］.Chinese Journal of Otology，2015，13（4）:562-567.

3Nayagam BA，Muniak MA，Ryugo DK.The spiral ganglion:connecting the peripheral and central auditory systems［J］.Hearing research，2011，278（1）:2-20.

4Sridhar D，Stakhovskaya O，Leake PA.A frequency-position function for the human cochlear spiral ganglion［J］.Audiology & neuro-otology，2006，11（1）:16-20.

5Rask-Andersen H，Liu W，Linthicum F.Ganglion cell and 'dendrite' populations in electric acoustic stimulation ears［J］.Advances inoto-rhino-laryngology，2010，67（1）:14-27.

6Nadol JB，Jr.，Young YS，Glynn RJ.Survival of spiral ganglion cells in profound sensorineural hearing loss:implications for cochlear implantation［J］.The Annals of otology，rhinology，and laryngology，1989，98（6）:411-416.

7 Patrick JF，Busby PA，Gibson PJ.The development of the Nucleus Freedom Cochlear implant system［J］.Trends in amplification，2006，10（4）:175-200.

8Parkinson AJ，Arcaroli J，Staller SJ，et al.The nucleus 24 contour cochlear implant system:adult clinical trial results［J］.Ear and hearing，2002，23（1）:41-48.

9Jurawitz MC，Buchner A，Harpel T，et al.Hearing preservation outcomes with different cochlear implant electrodes:Nucleus（R）Hybrid-L24 and Nucleus Freedom CI422［J］.Audiology & neuro-otology，2014，19（5）:293-309.

10Wolfe J，Neumann S，Marsh M，et al.Benefits of Adaptive Signal Processing in a Commercially Available Cochlear Implant Sound Processor［J］.Otology & neurotology，2015，36（7）:1181-1190.

11 Eshraghi AA，Yang NW，Balkany TJ.Comparative study of cochlear damage with three perimodiolar electrode designs.The Laryngoscope，2003，113（3）:415-419.

12 van der Beek FB，Boermans PP，Verbist BM，et al.Clinical evaluation of the Clarion CII HiFocus 1 with and without positioner［J］.Ear and hearing，2005，26（6）:577-592.

13 Manrique M，Picciafuoco S，Manrique R，et al.Atraumaticity study of 2 cochlear implant electrode arrays［J］.Otology & neurotology，2014，35（4）:619-628.

14 Castilho AM，Pauna HF，Fernandes FL，et al.HiFocus Helix electrode insertion:surgical approach［J］.BMC research notes，2015，8 （1）:304.

15 Frisch CD，Carlson ML，Lane JI，et al.Evaluation of a new mid-scala cochlear implant electrode using microcomputed tomography［J］.The Laryngoscope，2015，125（12）:2778-83.

16 Landsberger DM，Svrakic M，Roland JT，et al.The Relationship Between Insertion Angles，Default Frequency Allocations，and Spiral Ganglion Place Pitch in Cochlear Implants［J］.Ear and hearing，2015，36（5）:207-213.

17 Franke-Trieger A，Murbe D.Estimation of insertion depth angle based on cochlea diameter and linear insertion depth:a prediction tool for the CI422［J］.Eur Arch Otorhinolaryngol，2015，272（11）:3193-3199.

18 Landsberger DM，Mertens G，Punte AK，et al.Perceptual changes in place of stimulation with long cochlear implant electrode arrays［J］.J Acoust Soc Am，2014，135（2）:l75-181.

19 Buchman CA，Dillon MT，King ER，et al.Influence of cochlear implant insertion depth on performance:a prospective randomized trial ［J］.Otology & neurotology，2014，35（10）:1773-1779.

20 Lee FP，Hsu HT，Lin YS，et al.Effects of the electrode location on tonal discrimination and speech perception of Mandarin-speaking patients with a cochlear implant［J］.The Laryngoscope，2012，122（6）:1366-1378.

21Arnoldner C，Riss D，Baumgartner WD，et al.Cochlear implant channel separation and its influence on speech perception--implications for a new electrode design［J］.Audiology & neuro-otology，2007，12（5）:313-324.

22 Baumann U，Nobbe A.Pitch ranking with deeply inserted electrode arrays［J］.Ear and hearing，2004，25（3）:275-283.

23 Dorman MF，Sharma A，Gilley P，et al.Central auditory development:evidence from CAEP measurements in children fit with cochlear implants［J］.Journal of communication disorders，2007，40（4）:284-294.

24 Stakhovskaya O，Sridhar D，Bonham BH，et al.Frequency map for the human cochlear spiral ganglion:implications for cochlear implants［J］.Journal of the Association for Research in Otolaryngology :JARO，2007，8（2）:220-33.

The design strategy of cochlear implant electrodes and its clinical application

GU Ping1，DAI Pu1，MA Chongzhi2
1 Department of Otorhinolaryngology，Head and Neck Surgery，PLA General Hospital，Beijing，100853，China
2 Department of Otorhinolaryngology，Head and Neck Surgery，PLA 513 Hospital，Gansu，732750，China

【Abstract】Since the FDA（United States Food and Drug Administration）approved the first cochlear implant in 1984，more than 300，000 hearing-impaired patients worldwide have regained hearing abilities through cochlear implantation.Electrode array is the key component of the cochlear implant device.Its design is mainly based on the pathophysiology of cochlea.There are several commercial cochlear implant electrodes available.Over the course of the last three decades，technological developments in cochlear implant electrode design have yielded substantial gains for cochlear implant users.Data on the influence of electrode insertion depth on cochlear implant performance remain conflicting.With the development of modern science and technology，the mismatch between predicted and default frequencies provided by cochlear implant electrode array can be reduced.

【Key words】cochlear implants；electrodes；insertion depth

【中图分类号】R318.18

【文献标识码】A

【文章编号】1672-2922（2016）02-282-5

DOI:10.3969/j.issn.1672-2922.2016.02.031

基金项目：国家自然科学基金重点基金（81230020），国家科技支撑计划（2012BAI09B02），国家重点基础研究发展计划（973）（2014CB541706；2014CB541701）

作者简介：辜萍，博士研究生，医师，研究方向:人工听觉植入、耳聋基因诊断

通讯作者：戴朴，Email:daipu301@vip.sina.com

收稿日期：（2016-01-20审核人：韩维举）