人工耳蜗植入体的可靠性及检测方法*

陈慧琴 魏红芳 谭治平 银力 周道民

目前市场上的人工耳蜗系统由体外部分和植入部分组成。体外部分包含信号处理单元和传输线圈等部件，负责采集和处理声音信号，并转化为电信号，通过射频传输线圈传递给植入部分，同时也负责给植入部分供电。植入部分(植入体)通常包含接收线圈、刺激器和电极阵列。接收线圈接收到信号后，经刺激器内部神经芯片电路解码后，在电极阵列上产生神经脉冲刺激电流，电极阵列植入耳蜗内，刺激电流直接刺激听神经产生听觉。人工耳蜗植入体属于三类有源植入式医疗器械，设备可靠性是决定产品成败的一个关键因素，也是医疗类电子产品区别于其它消费类电子产品的重要特征。植入体是人工耳蜗系统中不可维修的，其设计应保证在使用寿命期限内所用材料可能发生的长期渐变不会导致不可接受的危害。植入体一旦失效，患者必须再次接受人工耳蜗植入手术来重建听觉，因此人工耳蜗植入体的使用寿命越长越好。美国国家标准ANSI/AAMI CI86:2017[1](以下简称CI86)第6.2节中要求人工耳蜗预期使用寿命至少为10年，这就要求其具有良好的可靠性。可靠性是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力[2]，它取决于产品设计(包括机械结构、电路规划、选材等)、材料稳定性、生产制作工艺、质量管控等。可通过各种试验方法来验证产品可靠性。ISO 14708-7:2019[3](以下简称ISO 14708-7)是国际标准化组织专门为人工耳蜗设计、测试和制造制定的标准。CI86和ISO14708-7中对人工耳蜗的可靠性性能指标和检测方法作了具体规定和指引。本文列举部分项目加以阐述。

多电极通道人工耳蜗自1985年问世以来，植入体的设计在着重增强可靠性方向不断改进。自2000年以来，植入体刺激器的壳体由原来的陶瓷材料变成钛金属材料，植入体的可靠性有了很大的提高。表1列举了SCI文献分析现代人工耳蜗植入体的可靠性统计数据，数据统计是从2007年至2020年发表的文献中获得[4-10]，数据统计的文献作者为世界各地三级医院手术医生。文献中统计的植入年限平均17年(5～30年)，采样患者数为45 440。从表1中可见，人工耳蜗二次手术率的中位值为7.4%，植入体取出率的中位值为4.5%。取出植入体主要是由植入体故障造成的，植入体故障率的中位值为3.0%。

表1 人工耳蜗植入体的可靠性统计数据(%)

美国国家标准ANSI/AAMI CI86:2017[1]定义了人工耳蜗植入体取出的原因主要分为三大类：(1)植入体无故障，由于医疗原因(medical reason for explant，MRE)：①MRE类型A：脑膜炎、感染、脑脊液漏、皮瓣并发症、电极阵列位置不当、电极脱出耳蜗、植入体外露等；
②MRE类型B：可能开始会被归类为如下所述的植入体故障因素(device failure explant，DFE)，但在经过所有要求的测试后被判定为无故障(no failure found,NFF )的植入体可重新判为MRE。医疗表现如：疼痛/灼烧、平衡或前庭相关的头晕、面神经刺激、声音失真/噼啪声/电流声、听声能力下降、耳蜗之外的神经刺激等；
③MRE类型C：手术操作不当或未按设备指导操作导致植入体失效/损坏。(2)植入体故障因素(DFE)：植入体失效原因有电子元件/组件、电极/电极导线、接收线圈、磁铁、水汽泄漏、壳体损坏、馈通(feed-through)损坏、退化/老化(植入体型号太旧与新体外机不兼容、制造工艺、其他、不明确的机制)。(3)无法确定失效原因(inconclusive failure analysis，INC)：植入体不能通过在体(in-vivo)测试，但证实符合制造商技术要求，能通过性能测试。在常规统计时将第(3)类原因归入第(2)类。

植入体故障主要分为硬故障(hard failure)和软故障(soft failure)[6,10]。硬故障是由于产品本身故障引起植入体无法工作或无法正常工作。软故障可能由于产品本身原因，但是无法用在体测试证明；
或由于手术技术方法或手术操作损伤，例如电极植入位置不佳或放置错误，听声效果不佳或听声效果逐渐变差。

检验分析实际取出的植入体得出，造成植入体故障最主要的原因是植入体刺激器壳体水汽泄漏和接收线圈断裂(图1)[5,6]。儿童患者尤其是学龄前儿童的植入体壳体水汽泄漏和接收线圈断裂发生率远高于成人患者，约占80%左右。分析显示由于儿童肢体协调性、运动能力不足等，容易摔倒，植入体所在部位遭到磕碰后可能产生过度冲击造成植入体损坏。植入体的刺激器壳体是为了保证内部的神经芯片电路不受水汽的影响，能够在人体内长期有效的工作[11]，一般采用钛金属材料制作。壳体的密封封装通过密封馈通完成。植入体的刺激器植于颅骨骨床上，在受到过度的磕碰冲击力时可能会造成密封馈通材料破裂而产生水汽泄漏。

图1 人工耳蜗植入体故障原因分类

从美国FDA网站上可以搜索到自2004年以来共有20次人工耳蜗系统的召回记录[12]，其中6次与植入体可靠性有关(表2)，从表2中可见，6次和植入体可靠性有关的召回中，有5次都是由于水汽泄漏造成的。除了一次是电极连接部分的水汽泄漏外，其它四次都是刺激器壳体的水汽泄漏。

表2 与人工耳蜗植入体可靠性有关的召回记录

植入体接收线圈一般由黄金线绕制，并由硅胶包裹。由于高频信号传输的要求，不能用金属壳体保护线圈以免传输信号被屏蔽。植入体接收线圈植于颅骨上，在使用过程中由于过度磕碰，黄金线可能会发生断裂(图2)。黄金线断裂会造成线圈接触不良或断路，从而影响植入体刺激器正常工作或彻底失去功能而停止工作。

图2 植入体接收线圈黄金线断裂

根据可靠性工程理论，随时间的推移产品可靠性变化通常呈现一种“浴盆”形的曲线，即在产品的早期，失效率从高逐渐变低，然后稳定在一个较低的水平，称为有用寿命阶段。在接近产品寿命期时，失效率从原来稳定的较低水平逐渐升高。人工耳蜗植入体的可靠性同样遵从“浴盆”曲线。产品早期失效率高是由于在生产过程中用老化筛选去除早期失效率较高的不合格品，使得产品出厂时直接进入失效率较低的有用寿命阶段。产品有用寿命阶段的可靠性则是通过各种可靠性检测方法来判定。

2.1加速老化试验 人工耳蜗植入体预期使用寿命至少为10年，显然，在产品上市之前，不可能按1∶1的时间轴比例进行寿命评估，这时加速老化试验就十分必要。加速老化试验是一种可复现的数值估计试验方法：基于合理的工程和统计假设，利用物理失效规律相关统计模型，将在超出正常应力水平(但不超过技术极限避免改变失效机制)的加速环境下获得的可靠性信息，转换为额定应力水平下的可靠性特征。根据可靠性工程理论，对于不可维修的产品，失效时间就是产品的寿命，因此平均失效时间(mean time to failure，MTTF)即为产品平均寿命。加速老化试验的可选应力有温度、湿度、压力、电压等，按照应力施加方式区分，有恒定应力、步进应力、序进应力三种加速老化试验，其中恒定应力试验方法最为简单易行。对于多数电子器件和非金属材料，其失效机制是通过温度升高而激活的，通常采用温度作为加速变量。加速老化试验模型的确认是个复杂的过程，其中最典型、应用最广的是阿伦尼斯(Arrhenius)模型。阿伦尼斯模型基于阿伦尼斯反应定律，是描述寿命与温度应力关系的模型。图3为一个根据阿伦尼斯模型实现加速老化的试验系统实例。

图3 加速老化试验装置展示

2.2电路稳态寿命试验 电路的可靠性与诸多因素有关，比较重要的有元件的基础失效率、元件的筛选标准、工作温度、电压/电流/功率因素、工作环境因素等。另外，对于不同的器件，其可靠性还与封装形式、生产工艺的成熟程度和占空比等因素有关。为了证明植入体电路在特定条件下的可靠性，应对植入体电路板进行稳态寿命试验。试验需要足够长的加速老化测试周期，以确保结果不是早期失效的故障特征。试验结束前，需要定期观察和检测样品性能，以获得故障率随时间变化的规律。加速老化试验一般是通过提高电气元件工作时的温度来加速元件的老化过程，从而不需经历元件寿命的全部时间而测算出元件的失效率。CI86第6.9节和MIL-STD 883H方法1005.9要求植入体电路可在125 ℃温度下带电正常工作1 000小时，在试验开始前和开始后第168(+72,-0)h、第504(+168,-0)h、第1 000(+168,-24)h分别检测样品性能。在完成1 000 h、125 ℃老化后，所有植入体电路板样品外观和电气性能均要正常。根据Arrhenius温度加速老化因子，采用χ2概率分布模型，1 000 h(42天)在125℃老化可以得到164年的等效寿命。

2.3静电试验 在生产、手术和使用过程中，高压静电(ESD)是造成植入体电路芯片损坏的重要因素之一。ISO 14708-7中的抗静电试验方法是将植入体浸没于充满9 g/L盐水溶液的非金属容器中，再与体外部分耦合，并进入正常工作状态，如图4所示，然后对体外机导体表面分别接触放电2 kV至少10次，绝缘表面分别空气放电8 kV至少5次，试验完成后，植入体仍能正常工作且各项指标(如刺激电流和阻抗等)仍在规定范围内，则认为符合要求。静电施加于非植入部分，主要考察当人工耳蜗植入人体后，对体外部分的静电打击是否会影响植入体的芯片电路。

图4 静电试验示意图

2.4泄漏试验 植入体的刺激器壳体封装需要达到足够的密封性，防止水汽渗入到刺激器内。刺激器内部神经芯片电路器件一旦与水汽接触会发生电化学腐蚀，可能会引起植入体周围的意外电流刺激和/或非预期的生物学反应。CI86和ISO 14708-7中规定根据EN13185和EN1593对植入体刺激器外壳进行气密性的精密和整体泄漏试验。刺激器外壳精密泄漏试验的泄漏率不得超过5×10-9Pa·m3/s，整体泄漏试验同一点没有气泡流或不超过2个大气泡。EN13185中有A组技术和B组技术可选择。A组技术需要将测试样品封闭在充满示踪气体的腔体内，再对样品内部抽真空，若样品存在漏孔，样品内外壁形成的压差会通过漏孔将示踪气体送入样品内部，内部的传感器便可探测到示踪气体。B组技术是先将测试样品放入一个高压的示踪气体腔体内，当样品存在漏孔时，一定的加压压力和加压时间后，示踪气体通过漏孔进入样品内部，将加压后的样品放入带有示踪气体探测传感器的封闭腔体内，抽真空或加热使通过漏孔进入样品内部的示踪气体再释放出来，这时探测传感器可探测到示踪气体。因人工耳蜗植入体刺激器的体积非常小，且刺激器封装后再打开就会完全破坏刺激器，无法在样品内部放置传感器，所以一般都采用B组技术。使用B组技术时，就需要在精密泄漏试验后再根据EN1593进行整体泄漏试验。EN1593中提供了多种不同的测试方法供参照，山东省医疗器械产品质量检验中心医用电器室付丽等[13]分析了影响整体泄漏准确性的因素并提供了解决方案。

2.5线圈弯折试验 植入体接收线圈是植入体从体外言语处理器接收能量和数据的重要部件，当接收线圈出现问题时，将直接影响言语处理器和植入体之间的连接而导致整个系统失效。在手术过程中，植入体接收线圈在被塞入到皮瓣和颞骨间隙时通常会被弯折，有可能导致线圈与针脚焊接处损坏。在植入后的日常使用中，由于接收线圈直接位于皮下，可能会受到外力的作用。位于刺激器外部的接收线圈应能承受在正常使用、生产制作或植入手术过程中可能发生的弯曲应力，而不会出现阻抗超标或电气绝缘失效。CI86中规定了两种弯曲模式的测试方法，都仅适用于可以弯曲成“U”形的线圈设计。

方法1是将线圈压成平面外弯曲的结构(塔可弯曲，taco bending)。将测试样品用手指在天线(线圈)两侧用力弯曲成U形，直到天线两侧垂直(图5)，反复4次；
U形弯曲的内部应在线圈顶部(即在磁铁槽开口的同一侧)，每次U形弯曲保持30 s。

方法2是沿线圈与刺激器壳体平面相交处以铰接方式弯曲线圈与刺激器壳体的交接处。测试样品浸泡在盐水中，弯曲线圈±20°，如图6所示，在每个角度方向上进行20个循环，每次在±20°处保持30 s。线圈长期抗弯折测试装置如图7所示，线圈要能经受大于十万次的弯折试验并保持连接正常。

图5 线圈U形弯曲

图6 线圈弯曲方法2示意图

两种方法试验开始前，样品都需要在室温(20℃至25℃)下浸没于盐水中至少1 h以模拟植入过程中的器件温度；
弯曲后，样品都需要在37℃盐水中浸泡至少1 h，以模拟植入后的设备温度。弯曲试验后，线圈都不应该出现部分或全部磁铁从磁铁槽中脱出、线圈阻抗超过规定值、线圈出现断口或线圈在盐水中出现漏电通道等情况。

2.6机械冲击试验 植入体密封壳体部分需要进行冲击测试来减少因为创伤而导致的风险。患者植入人工耳蜗后，在日常活动中，如行走、奔跑、骑行等，若发生摔倒或冲撞，可能冲击到头部，一般成人较少会发生，而儿童由于肢体协调性、运动能力不足等，容易摔倒磕碰并损伤植入体。植入体应设计成保证日常生活中可能的冲击不会损坏植入部分，这些冲击包括跌落或者行走、奔跑或者骑车时敲击头部不会造成医疗事故或者需要急救。ISO 14708-7中要求植入体要能够承受2.5 J的冲击能量，此能量相当于1 kg硬物以2.25 m/s速度冲击头部(植入部位)。2019年之前，国际标准要求的植入体抗冲击能量为 1.5 J，实际使用经验显示1.5 J的抗冲击能量不能满足对日常环境中冲击的防护能力。

图7 线圈弯曲试验装置

2.6.1刺激器部位机械冲击 CI86和ISO 14708-7规定了测试方法：ⓐ冲击能量[J](±5%)：2.5 J；
ⓑ冲击次数：每试验1次(保护材料+植入体)；
ⓒ使用的试验装置类型：摆锤(IEC60068-2-75，试验Eha)或立式锤(IEC60068-2-75，试验Ehc)；
ⓓ冲击元件：5 J冲击元件；
ⓔ试验样品的安装：试验装置放于水平支撑面上，植入体样品安装在刚性支撑垫板上，再将垫板固定于实试验装置底座，植入体表面覆盖一块硅胶片模拟皮瓣厚度(厚度：3 mm，大小：10 cm×10 cm，邵氏硬度：50±10°)。每个独立的试验应使用新的硅胶片；
ⓕ预处理：待测设备应在37 ℃生理盐水中预浸泡至少1 h；
ⓖ初始测量：被测样品在被冲击前应符合规定的性能指标要求(如刺激电流、阻抗等)；
ⓗ位置和冲击部位：锤头最下端离植入体上目标击打点上方覆盖的硅胶片上表面距离为150 mm(2.5 J)。一个样品击打在植入体刺激器中心位置，另一个样品击打在刺激器最薄弱位置；
ⓘ垫板、覆盖物及类似部件的固定：无特殊要求；
ⓙ操作模式和功能检测：植入体样品不工作，冲击时不需要对样品进行功能检测。

图8为一个立式锤试验装置示意图。完成冲击操作后，样品仍应符合规定的刺激电流、阻抗等性能指标和密封性要求；
另外，刺激器内部的水汽含量应不超过5 000 ppm。

2.6.2线圈部位机械冲击 除位置和冲击部位外，其他操作和设置与刺激器部位机械冲击相同，冲击试验装置示意如图9。位置和冲击部位：锤头最下端离植入体上目标击打点上方覆盖的硅胶片上表面距离为150 mm(2.5 J)。在线圈最薄弱的5个位置进行单次击打，图9所示为5个参考位置。根据工程分析，5个击打位置可以减少，例如，如果能证明图9中的位置2和位置5完全对称，那么只要选择其中一个作为冲击位置即可。冲击位置建议包括：线圈与刺激器外壳的连接处、线圈导线与导线的交叉点、线圈外硅胶包裹层最薄处。完成冲击操作后，样品线圈内的磁铁不应部分或全部从磁铁槽中移出，线圈阻抗不应超过规定值，线圈在盐水中不应出现漏电通道。

图8 立式锤冲击试验装置示意图 h:冲击高度,冲击能量2.5 J时,高度为150 mm

图9 线圈冲击部位示意图

2.7电极机械性能试验

2.7.1拉伸 从出生到成年，从圆窗口到中硬脑膜角，颅骨会生长12 mm左右[14]，因此，植入体的电极导线部分需要有特别的设计，以承受颅骨生长期间可能产生的拉伸。CI86和ISO 14708-7规定了两种样品需要被测试：样品A是最终销售状态的植入体，样品B仅为植入体的电极部分(没有线圈和刺激器)。试验前，样品应浸泡在37 ℃ 9 g/L生理盐水中至少10天，在测试之前，应先使用蒸馏水或者去离子水冲洗电极导线，然后擦干表面的水分。样品的每根电极导线都需要伸长至少15 mm或承受1 N的拉伸力(取先到者)并保持至少1 min。进行下一步操作前，样品应放回生理盐水浸泡至少1 h。拉伸后，样品的每个电极通道都应仍导通，每对电极导线之间都绝缘。

2.7.2弯曲 CI86和ISO 14708-7中规定了植入体导线弯曲耐久性的最低要求：样品既需要通过试验1垂落5次，又需要通过试验2导线弯曲100 000次。试验1垂落主要模拟植入体从手中掉落的情况(可能发生在生产制作过程，或植入前将植入体从灭菌包装中取出的过程)。具体测试方法：将样品的电极用软夹夹住，确保测试过程中不会脱离或发生位移，夹持的位置在距离最近端电极10±2 mm处，植入体刺激器保持在夹持处相同高度(图10)，靠近夹子并跌落5次。

试验2电极导线弯曲是模拟植入后电极的微移动，尤其是在颞肌区域。具体测试方法：使用硬质材料制造的夹紧装置(图11)来夹持刺激器。夹紧装置安装在摇摆测试机中，摇摆测试机可以将电极弯曲从垂直方向弯曲到任一方向。夹紧装置允许电极在引出刺激器的方向被拉伸。电极放入接触电极导线的两个圆柱之间，支点在两圆柱中心之间连线的中点，圆柱的直径为电极导线直径的两倍。当有多根电极体时，每根电极体应单独测试。负载牢牢固定在电极导线最近电极2±0.2 cm处。负载0.03±0.01 N，摆动角度≥±15°，摆动频率2 Hz，连续弯折摇摆至少100 000次。试验1和试验2完成后，样品的每个电极通道都应仍导通，每对电极导线之间都绝缘。

图10 垂落试验夹持示意

图11 电极弯曲摇摆测试装夹示意

2.8电极电化学安全性 人工耳蜗通过电极阵列进行电刺激时主要使用单极耦合方式。在电刺激时刺激电流从植入在耳蜗内的单个电极流向蜗外的大面积回路电极。电极的设计要减小电极表面的电化学极化电位，防止电极腐蚀，以增强电刺激安全性和电极的可靠性[15]。为保证电极表面的电荷密度在安全范围内，电极能长期工作而不腐蚀，刺激器的最大电荷输出(电流和刺激脉宽的乘积)要保证所有电极的最大电荷密度都远低于AAMI CI86-2017要求的电荷密度安全上限。已知电极安全刺激的电荷和电荷密度上限应该满足关系(Shannon模型)[16]：

logD=k-logQ

其中D是电极上的每相位刺激电荷密度μCoulombs/cm2/phase，Q是每相位刺激电荷μCoulombs/phase, k值为1.75(见CI86第80页)。由此得出不同触点裸露面积下电极的安全刺激电荷和安全电荷密度上限(表4)。从表4可见，对于常见的人工耳蜗电极暴露面积0.12～0.32 mm2, 安全电荷上限从260 nC增加到424 nC，电极上最大安全电荷密度(电荷除以电极几何表面积)从216.5(μC/cm2/phase)下降到132.6(μC/cm2/phase)。电极阵列的电化学可靠性测量要验证电刺激时电极上的电荷和电荷密度要低于电荷和电荷密度安全上限值[17]。

表4 人工耳蜗电极暴露面积和电荷及电荷密度安全上限值

人工耳蜗植入体可靠性直接影响产品的安全性和有效性。植入体失效导致植入者无法受益时，需要取出再植入而重获听力。现代人工耳蜗设计采用高强度的材料以及先进的加工制造工艺，产品的可靠性得以很大的提高。影响人工耳蜗植入体可靠性的主要原因是意外磕碰造成的植入体壳体水汽泄漏和接收线圈断裂。国际标准化组织标准ISO 14708-7:2019和美国国家标准ANSI/AAMI CI86:2017严格规定了人工耳蜗植入体可靠性测试标准及方法。本文列举了部分可靠性测试项和测试指标，这些测试指标为最低要求，植入体的设计要能满足并超过标准要求的可靠性指标。

随着技术日益成熟和不断发展突破，测试要求也会不断更新完善，植入体的设计也会不断改进，以进一步提高人工耳蜗植入体的可靠性，更好地为耳聋患者服务。

猜你喜欢植入体刺激器耳蜗人工耳蜗术后严重皮瓣并发症的临床特征及处治效果西部医学(2022年3期)2022-03-23耳蜗微音器电位临床操作要点中国听力语言康复科学杂志(2021年6期)2021-12-21机器学习在口腔植入体无损测量中的应用中国医疗设备(2021年3期)2021-03-233D 打印下颚骨植入体设计科学技术创新(2020年27期)2020-09-05一种用于经皮脊髓电刺激的可调便携式刺激器设计电子制作(2019年7期)2019-04-25生物信号采集处理系统在电激怒和电惊厥实验的应用科技创新导报(2019年29期)2019-03-16国产化脊髓刺激器和骶神经刺激器或将问世首都食品与医药(2017年1期)2017-10-26DR内听道像及多层螺旋CT三维重建对人工耳蜗的效果评估海南医学(2016年8期)2016-06-08豚鼠耳蜗Hensen细胞脂滴的性质与分布听力学及言语疾病杂志(2015年5期)2015-12-24经超声和神经刺激器引导下臂丛神经阻滞联合氯胺酮麻醉在小儿上肢手术中的应用实用手外科杂志(2015年1期)2015-08-27