基于多通道阻抗测量的耳蜗植入电极插入轨迹实时追踪与边界接近检测：一项有限元计算仿真研究

《Sensors》：Guiding Cochlear Implant Electrode Insertion Using Impedance Measurements: A Computational Simulation Study

　　

人工耳蜗（CI）植入过程中的术中组织创伤仍是残余听力损失的主要原因。由于插入过程目前主要依赖临床医生经验，且在光学上被遮蔽的内耳内部缺乏直接可视化，实时引导对于最小化与精细解剖结构的机械接触至关重要。本研究评估多通道电阻抗在自动化电极插入过程中用于实时轨迹追踪和边界接近检测的可行性。研究人员采用人耳蜗的计算有限元模型，分析8种双极配置（E1–E2至E15–E16）和25个插入模型（M1–M25）下的复阻抗分布，在中心、内侧和外侧三种轨迹及不同体组织电导率条件下共获得2592次评估。在特定频率下，电抗贡献可忽略不计，证实了以电阻性响应为主的特性（占总阻抗的绝大部分）。体电导率仅缩放基线阻抗幅值，而未实质性改变空间分布曲线的几何形态。在三种插入轨迹中，阻抗均呈现特征性的U形演变：随着电极阵列（EA）向鼓阶（ST）中心推进，阻抗初始下降，随后在接近终止插入区域时升高。边界接近进一步增加了阻抗变异，相对于中间基线，内侧轨迹的平均阻抗值增加约24–38%，外侧轨迹增加约25–35%。在内侧配对（E1–E2在M12时约59%）和外侧配对（E1–E2在M23时约130%）观察到局部阻抗升高。差分阻抗分布表明，边界诱导的接近效应显著超过基线空间变异，证明多通道阻抗测量对电极–壁接近具有敏感性。这些发现支持将阻抗特征用作边界接近检测、临床医生引导和自动化CI插入过程中闭环轨迹调整的实时反馈信号。识别特征性U形阻抗分布及其对边界接近的敏感性，可能为监测电极阵列位置和降低边界接触及相关机械创伤风险提供有价值的术中反馈。

研究背景方面，耳蜗在听觉系统中发挥关键作用，通过将声信号转换为神经冲动并传递至大脑以实现声音感知。耳蜗毛细胞损伤或听神经功能障碍可导致感音神经性听力损失，这是全球最常见的感觉障碍之一。全球超过5%的人口（约4.32亿成人和3400万儿童）经历致残性听力损失，构成重大公共卫生问题。未经干预的听力障碍不仅带来临床后果，还导致严重沟通障碍、社会隔离、教育程度降低和就业机会受限，造成巨大社会经济负担。全球未经干预的听力损失年经济成本估计接近1万亿美元。对于重度至极重度感音神经性听力损失患者，人工耳蜗（CI）是标准治疗干预手段，通过恢复听觉通路显著增强沟通能力、改善整体生活质量并减轻听力障碍的长期社会经济影响。CI是一种神经假体装置，通过置于鼓阶（ST）内的电极阵列（EA）向存活的螺旋神经节神经元和听神经纤维直接传递电刺激，绕过功能丧失或受损的毛细胞。尽管耳蜗植入是成熟、安全且常规的外科手术，但手术结果对植入技术、电极阵列设计和插入力学高度敏感。近期临床证据表明，无创且精确控制的插入技术（包括图像引导和机器人辅助方法）可显著减少耳蜗内创伤并保护精细耳蜗结构，从而优化术后言语感知和残余听力保存。由于传统手术电极插入主要依赖被动触觉反馈，手术相关并发症（如阵列移位、尖端折叠、不完全插入或基底膜破坏）频繁发生。准确的阶内定位对于最大化听觉性能和保存残余低频听力至关重要。偏离轴线的放置或轨迹偏差会增加对外侧耳蜗壁、基底膜或骨螺旋板的机械接触力，从而加重结构创伤。ST尺寸和曲率的解剖变异进一步使手动插入动力学复杂化。既往研究表明，完全局限于ST内的一致、无创放置与最佳植入后言语结果强相关。因此，在插入过程中保持对电极位置的实时感知对于最小化机械创伤至关重要。为减轻插入诱导的创伤，现代发展产生了柔性预弯曲阵列、蜗轴周围设计和主动机器人部署系统。尽管有这些技术进步，外科医生在部署过程中仍缺乏关于阶内阵列定位的实时术中可视化。为解决这一局限，已有多种术中监测模式被研究，包括术中计算机断层扫描（CT）、力传感、耳蜗电图（ECochG）、电场成像（EFI）和基于阻抗的追踪。虽然术中CT提供明确的结构可视化，但其常规采用受限于电离辐射暴露、高设备成本和手术流程中断。因此，非侵入性、基于植入物的术中监测技术获得了相当大的关注。特别是电阻抗测量已成为一种有前景的实时反馈机制，能够检测壁接近、识别创伤事件并引导放置，而无需补充成像模式。CI仿真和阻抗记录设置中，电阻抗监测依赖于内耳内基本电导率对比：高电导率的外淋巴液相比周围电阻性骨壁和精细软组织提供更低的电阻。因此，接近耳蜗内边界的电极相对于位于中央腔内的电极表现出明显的阻抗分布偏移。阻抗特征因此可提供即时空间反馈以引导阵列定位、避免机械接触并最小化耳蜗内创伤。然而，在体内评估这些电现象受到耳蜗深嵌于颞骨、受试者间解剖变异以及实验测量局部阶内电流分布的物理限制的严重制约。有限元方法（FEM）计算模型通过提供受控的高分辨率平台来模拟和表征耳蜗内电场行为，克服了这些实验障碍。本研究使用详细的FEM体积导体建模研究了电极–地阻抗、双极通道阻抗、阶内接近度和插入深度之间的关系。从微计算机断层扫描（CT）数据集重建了人耳蜗的高分辨率多层三维（3D）解剖模型。基于商用Oticon EA设计的包含20个铂–铱触点的电极阵列被集成到ST几何中。模拟了沿三种不同轨迹（内侧、中间和外侧）的阵列部署贯穿连续插入阶段，以确定空间阻抗变异是否可作为术中轨迹引导的稳健实时诊断信号。论文其余部分组织如下：第2节描述从CT数据衍生的3D解剖体积导体模型的开发、电极阵列几何、组织电导率公式、FEM仿真协议和阻抗提取方法。第3节呈现仿真结果，重点关注阻抗变异、电极阵列轨迹、边界接近和插入深度之间的关系。第4节讨论发现的临床和生物力学意义并总结研究的主要结论。

研究人员开展的研究方面，在方法上，研究重建了人耳蜗三维模型，从高分辨率CT图像（体素分辨率2.24×2.24×5 μm）重建耳蜗体积导体及邻近组织层，感兴趣区域限于耳蜗及附近解剖结构，重采样至各向同性体素9.6 μm。CT数据集导入Simpleware ScanIP进行图像处理和組織分割，重建的体积导体包括鼓阶、前庭阶、耳蜗壁、基底膜、螺旋韧带、血管纹、螺旋神经节及相关血管结构。采用自动和手动分割技术相结合确保解剖准确性和计算效率，使用递归高斯、中值和均值平滑滤波器进行图像增强，基于灰度阈值自动分割各组织层，必要时手动细化以校正形态和消除伪影。形态学操作（膨胀、腐蚀、开运算、闭运算）用于细化组织边界和填充不连续性。最后应用布尔运算去除相邻结构间重叠并建立组织层间用于FEM分析的明确界面。电极阵列设计基于商用EVO?电极阵列，具有柔软直型设计，模拟25 mm插入深度和24 mm有效刺激长度，阵列由柔性硅胶载体嵌入20个铂–铱微电极组成，从E1（顶端）到E20（底端）顺序标记。首先在ScanIP中通过手动定义ST中心线重建耳蜗几何，追踪耳蜗管的螺旋轨迹并捕捉其空间变化的横截面形状，将中心线坐标导出为x、y、z数据并导入COMSOL Multiphysics? 5.2a，通过插值这些坐标并沿重建耳蜗路径扫掠电极结构生成EA几何。在计算模型中，薄电极触点表示为仿真域内的边界面。为研究插入轨迹的影响，模拟了三种方向：内侧、中间和外侧，中间情况与ST几何中心对齐，内侧和外侧情况分别通过绕参考轴向蜗轴和外侧壁施加0.5°角旋转获得。每次仿真开始时，EA置于ST模型外，仅第一对电极（E1–E2）浸入导电介质中。ST外的电极对表现出高阻抗值，代表开路条件，因此这些结果被排除在进一步分析之外。然后EA沿25 mm路径以恒定速率使用均匀位移步长插入ST。插入过程中记录8对电极（E1–E2至E15–E16）在所有配置下的阻抗测量，完整插入共获得25个测量样本，对应约每毫米推进一个测量的空间分辨率。为考虑现有文献报道的耳蜗组织电导率变异性，ST电导率参数化为六个不同水平以评估电导率范围对结果的影响。在所有评估轨迹中，该公式产生144个独特插入配置，双极电极配对系统记录阻抗分布，共获得2592次个体电极对评估。FEM离散化和仿真方面，耳蜗几何导入COMSOL Multiphysics? v5.2a进行FEM分析并使用四面体单元离散化以求解控制偏微分方程，仿真在64位多核计算系统上使用迭代共轭梯度求解器执行。采用非均匀网格划分策略确保电场分布的准确表示，高度细化的四面体单元分配给阶和周围软组织区域，最小单元尺寸约1 μm，控制增长率1.1以保持几何保真度。电极结构根据特定插入配置进行自适应细化网格划分。进行了网格收敛评估以验证数值稳定性，最终模型根据配置约含300–500万单元。瞬态电势和生物阻抗建模方面，基于基本电荷守恒方程在时间依赖条件下模拟耳蜗体积导体内的时空电势分布，使用介电参数。该连续瞬态公式明确纳入电阻性组织传导和电容性位移电流。在活动测量链上施加峰峰值振幅为1 V、工作频率为1 kHz的正弦电压激励，装置包括目标双极电极对与精密电流感测电阻R（3.3 Ω）串联。通过监测感测电阻上的电压降确定流过体积导体的瞬时电流。电极阵列由1 kHz下1 V振幅的正弦电压源激励，与感测电阻串联。假设正弦稳态下线性时不变系统，两电极间阻抗定义为电极间电压相量与电极电流相量在1 kHz下的比值。从1 kHz下模拟稳态波形提取相量，阻抗幅值用于所有后续分析。不同生物组织间界面边界假设遵循连续电势和法向电流密度分布。为评估手术阵列部署期间的生物阻抗波动，电极载体沿预定轨迹系统平移，在每个离散插入坐标执行完整瞬态求解器遍历，实现所有定义电极对随插入深度、阵列方向和局部组织接近度的时变生物阻抗动力学提取。阻抗测量直接通过植入的多电极阵列进行，未使用单独探针。

研究结果方面，3.1 复电参数和阻抗表征：在1 kHz工作频率下基于中间电极插入评估双极电极通道（E1–E2至E15–E16）的复阻抗，分析包括电阻（R）、电抗（X）、相位角（θ）和瞬态电流–电压响应。施加1 kHz正弦激励在所有8个双极电极对上产生稳定且近似成比例的电流响应，峰值电流振幅范围约0.25–0.35 mA。电阻R在电极对间表现出明显空间变异：前两个通道E1–E2和E3–E4显示相对稳定的电阻值，保持在约3500–3600 Ω附近；在E5–E6处观察到R的显著降低；此后R从E5–E6到E15–E16逐渐增加。电抗X和相位角θ在初始三个电极对（E1–E2至E5–E6）显示与R相同的变化，但X和θ对所有电极对表现出相似趋势，E1–E2和E3–E4产生最大电抗响应约?200 Ω。这些结果证实，虽然双极配对的总阻抗幅值绝大多数由电阻分量主导（>97%），但空间定位引入了沿阵列长度的细微局部相位偏移和电抗变异。3.2 插入阻抗对电导率范围的敏感性分析：在六种电导率条件下对8个双极电极配置跟踪渐进插入步骤（M1–M25）的平均阻抗分布。中间插入轨迹结果呈现高度一致的V形分布随后二次回弹：初始进入值在3800–4200 Ω之间，在M11–M13处迅速下降至显著最小值（E1–E2主对约2300 Ω，高阶对约2500 Ω），随后插入产生二次升高在M15–M16附近达峰值（约3200 Ω），之后在M25期间平台期于3000–3300 Ω。这种双相模式在所有测试电导率状态下保持显著稳定，表明几何轨迹在决定中间插入期间阻抗趋势方面主导环境电导率。内侧插入结果：所有电导率环境下初始测量值在周边配对约4000–4300 Ω，随后单调下降至M11–M13附近局部最小值（约3300–3750 Ω）。大多数通道在M15后稳定于基线水平，但更深配对如E11–E12在M19–M20附近显示局部瞬态峰值达约3800–4200 Ω，突出内侧推进期间区域特异性阻抗敏感性。外侧插入结果：外侧插入分布与内侧和中间路径相比在终端行为上表现出明显急剧分歧。虽然初始插入步骤（M1–M13）反映典型抛物线衰减——在M11–M13附近达局部最小值约2300–2800 Ω——但顶端配对（E1–E2）在M15后表现出阻抗陡峭指数增加，在M25时迅速上升至终端峰值接近4500–6200 Ω。其余双极配对（E3–E4至E15–E16）维持中等稳态分布（约3500–4300 Ω），证实外侧轨迹约束特异性提升深插入阶段的顶端通道阻抗。在所有三种轨迹中，中等电导率变化仅略微改变绝对幅值，同时保留通道特异性形态和拐点。3.3 相对于中间插入的阻抗分布：比较沿内侧轨迹（耳蜗壁）和外侧轨迹（外侧壁）获得的电响应与沿中心轨迹（参考条件）测量的电响应。在所有插入深度模型（M1–M25）中，两个壁邻近轨迹始终表现出比基线轨迹更高的绝对阻抗幅值。中间基线从M1约3950 Ω平滑下降至更深模型中的3000–3300 Ω，而接近任一边界使整体阻抗值在整个插入进程中升至4000 Ω以上。与中间基线相比所有双极对的平均相对百分比增加显示两种边界轨迹的不同空间趋势：内侧轨迹阻抗相对中间参考增加约24–38%，最大偏差出现在早至中期插入阶段（特别是M2和M13之间），M5和M12处峰值增加约38%，而在最深插入位置M25相对增加降至约24%。外侧轨迹表现出可比但略有不同的模式，平均阻抗增加范围约25–35%，最大偏差出现在插入序列开始和接近结束时，M2处增加约31%、M23处约35%，M6至M20之间阻抗增加保持相对稳定，一般在26–28%范围内。在个体双极通道水平进一步分析表明阻抗敏感性根据电极位置和与耳蜗边界的接近度而变化。对于内侧轨迹，大多数通道（E3–E4至E15–E16）表现出相对一致的阻抗升高范围约18–38%，但前导电极对观察到显著局部增加：E1–E2对显示明显瞬态响应，M12时阻抗增加达约59%；E3–E4对在M20处急剧增加达约65%。对于外侧轨迹观察到更强的空间依赖性，特别是E1–E2对：该通道初始阻抗增加约25–30%，随后在M11处二次最大值约35%，从M18附近开始大幅增加最终在M23处达约130%升高。相比之下，外侧轨迹其余双极电极对表现出更稳定的行为，相对阻抗增加在整个插入序列中一般限于20–38%范围。这些发现表明电极与耳蜗边界的接近度可显著影响阻抗幅值，某些电极对比其他电极表现出明显更大的空间敏感性。为量化阻抗与电极–壁距离之间的关系，从模型几何中提取每个触点对与最近耳蜗壁之间的最短距离用于所有三种轨迹，并绘制阻抗幅值与距离的关系。所有轨迹的阻抗从E1–E2到E15–E16下降约1.6–1.7 kΩ，包括沿中间轨迹壁距离本身从0.5降至0.3 mm，因此该纵向趋势反映每个对沿耳蜗的位置而非与壁的接近度。通过在相同触点对比较轨迹评估壁接近效应，以中间轨迹（距壁0.30–0.50 mm）为参考：距离减小至0.01–0.10 mm使阻抗幅值在外侧壁增加610–690 Ω（14.2–18.6%），在内侧壁增加1100–1270 Ω（26.2–33.5%），且该增加在所有8个触点对一致。具有配对特异性截距的线性回归显示阻抗幅值随电极–壁距离每增加0.1 mm而下降约125 Ω（95%置信区间），当阵列接近内侧而非外侧壁时额外增加约240 Ω。这些结果表明壁接近可从相对于配对特异性参考的阻抗变化推断，但不能仅从绝对阻抗值推断，且内侧和外侧壁产生可区分的阻抗特征。

讨论与结论部分，本研究使用详细FEM仿真研究了电极–地和双极通道阻抗、电极与周围耳蜗内结构接近度以及插入深度之间的复杂关系。利用从CT数据集构建的人耳蜗高分辨率多层3D解剖体积导体模型，将基于Oticon EA的含20个铂–铱电极的电极阵列集成到ST几何中。通过评估16个连续电极配对（E1–E2至E15–E16）、插入位置（M1–M25）和不同环境电导率条件（σ1–σ6）下的空间阻抗动力学，该框架为实时轨迹引导提供了生物物理学基础。首先研究了复阻抗对完全插入电极阵列整体系统结果的影响：整体电抗幅值相对于总电阻保持可忽略（约?200 Ω vs 约3500 Ω），证实电容性电抗对总双极阻抗幅值贡献小于3%。这种微小电容贡献可能与本研究使用的相对较低激励频率相关，与先前文献一致表明生物组织的电容效应仅在高频（如100 kHz以上）才显著。跨插入路径的计算分析表明局部组织电导率与电阻抗之间存在明显逆关系：增加电导率由于外淋巴中欧姆电阻降低而单调降低绝对阻抗。然而，接近非导电解剖边界（内侧和外侧）通过约束电流线和改变标量电势场显著增强对这些变化的敏感性。这种行为与准静态近似下的耳蜗电动力学一致：电容/电感相移可忽略时，电势分布由拉普拉斯方程支配。虽然电导率变化缩放绝对阻抗幅值，但不改变全局曲线形态，相反空间阵列轨迹和边界接近主导分布形状。边界接近相对于中间轨迹基线产生显著相对阻抗偏移：内侧插入平均百分比增加24–38%，外侧插入25–35%。在初始阶段（M1–M5），内侧对齐诱导31–38%升高而外侧放置产生26–30%。在终端深度（M25），这些偏移收敛至约24%（内侧）和约35%（外侧）。所有路径表现出非单调"U形"阻抗演变：早期插入（M1–M13）值初始下降（约2300–3000 Ω），随着电极浸入扩大在宽中央腔内的接触面积；更深插入（M16–M25）轨迹因局部壁接触而急剧分歧。沿内侧边界，显著瞬态尖峰出现在E1–E2对（M12时约59%）和E3–E4（M20时约65%）。相反，外侧路径在前导对E1–E2诱导极端局部敏感性，首先在M11达峰值约35%，最终在M23达约130%尖峰。次级对偏差保持在内侧18–38%和外侧20–38%范围内。差分分布证实物理边界接近对通道阻抗施加主要支配影响，远超基线电导率变化。基于三种插入分布的阻抗变异显示U形阻抗动力学——在ST中心附近下降随后终端上升。在模拟条件下，这些发现表明多通道电阻抗对电极阵列与耳蜗边界的接近度敏感。这种敏感性提示阻抗监测在预测壁接触和引导自动化耳蜗植入插入过程中轨迹调整方面的可能作用，尽管此类应用尚未在本研究中测试。特征性U形阻抗分布及其对边界接近的依赖性，若经实验证实，可作为临床医生术中反馈的来源。这与临床相关，因为耳蜗内创伤（包括基底膜穿孔、骨螺旋板损伤和阵列移位至前庭阶）主要由外科医生无法直接感知的沿耳蜗壁的接触力引起。由于手术期间耳蜗内部无法可视化，手动插入仅提供有限感觉反馈，结构损伤前的力往往未被察觉。检测阵列从鼓阶低阻抗中央区域向高阻抗壁区域的偏移因此可补充速度控制的机器人插入系统。在此类设置中，由外科医生监测或提供给机器人插入装置的阻抗信号可能允许在不可逆损伤发生前调整轨迹。然而，阻抗测量在实践中能否可靠且足够快速地提供此信息，必须首先在尸体颞骨实验中确立，随后在体内验证。在解释这些发现时应考虑若干实践和转化局限性。虽然3D FEM模型纳入现实的CT衍生几何和多层组织特性，但临床体内插入涉及动态机械变形、复杂骨结构和生物膜，可能引入当前模型未捕获的额外非线性变异。使用物理耳蜗模型、离体标本或术中测量的实验验证将进一步加强对观察到的阻抗趋势的解释。所提出方法的临床转化取决于商用耳蜗植入物中的阻抗变异是否提供足够分辨率。近期临床工作表明这可检测个体触点何时进入耳蜗；然而这依赖于空气与耳蜗液之间的大阻抗增加，且所有触点仅每1–2秒更新一次。本研究中获得的阻抗幅值落在临床耳蜗内测量报道的范围内，支持模型的合理性。然而这些值仅来自单一耳蜗几何中的三种插入轨迹，需要更广泛的研究涵盖更广插入条件和耳蜗解剖以确认。所提出方法的临床使用提出患者是否能感知感测信号的问题。如果耳蜗内电流振幅超过电听觉阈值，可能激活听神经并诱发声音感觉。由于大多数耳蜗植入在全身麻醉下进行，多数情况下不会 consciously 经历，且通过耳蜗内触点的阻抗测试已是常规手术实践的一部分。对于局部麻醉下手术的患者，感测电流可限制在阈下水平，因为神经激活不需要用于阻抗估计，更高激励频率可进一步降低神经激活可能性。未来实验研究需要确定提供可靠阻抗测量同时避免神经刺激和维持电化学安全的激励振幅和频率。本研究发现完全来自计算建模，其准确性因此取决于假设的几何、组织电导率和边界条件。虽然模型基于人耳蜗的解剖现实重建并使用文献报道的组织特性，但未捕获体内遇到的所有变异性来源，如耳蜗解剖的受试者间差异、电极–组织界面、组织创伤和插入期间液体位移。因此实验验证是必要的下一步。未来工作将比较模拟阻抗分布与人类尸体颞骨插入期间记录的阻抗测量，相应电极位置由插入后成像确认并辅以插入力测量。这些实验还将确定此处识别的特征性阻抗模式是否能定量关联到特定电极–壁距离和插入轨迹，这将提供电极放置的客观电学测量。最后，将连续、触点特异性阻抗反馈带入手术室将需要专用测量硬件以及可能改变植入物或监测系统固件，并且需要为外科医生引导和机器人辅助插入定义临床相关安全阈值。研究结论为：识别特征性U形阻抗分布及其对边界接近的敏感性，可能为监测电极阵列位置和降低边界接触及相关机械创伤风险提供有价值的术中反馈。