CN107810030A - 用于医用植入物的具有电流传输件的壳体 - Google Patents

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克里斯蒂安·豪普特曼
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Abstract

本发明涉及一种用于医用植入物的壳体。此壳体包含具有内侧和外侧的、由绝缘材料制成的壳体壁以及穿过壳体壁的电流传输件。此电流传输件包含布置在壳体壁内侧上的导电的第一连接接触面，布置在壳体壁外侧上的导电的第二连接接触面，集成于壳体壁中的具有第一电容电极和第二电容电极的电容，第一连接导体，其将第一连接接触面与第一电容电极电连接，以及第二连接导体，其将第二连接接触面与第二电容电极电连接。在第一连接接触面和第二连接接触面之间不存在贯穿的导电连接。

Description

用于医用植入物的具有电流传输件的壳体
技术领域
本发明涉及一种用于医用植入物的具有电流传输件的壳体。
背景技术
中枢神经系统疾病，例如癫痫，以及帕金森症或强迫症借助对大脑的直接电刺激治疗。为此，在目标区域植入电极并在皮下与相应的植入物系统电连接。通过植入物系统将电刺激传递到目标区域。为了避免在治疗的刺激过程中对组织的持续伤害，在电刺激时，尤其对电荷密度从而以及对每个脉冲的电量的观测为重要的标准。通常通过耦合电容来限制电荷量的传递。每个刺激接触需要一个此种耦合电容，例如具有100nF的电容值并最大能够传递1μC的电量的耦合电容。
迄今为止，为了实现耦合电容，通常使用单独的电容或电容排列。电容多数为基于陶瓷的、具有例如100nF或更大电容值的电容。电容值的大小原则上由植入物的电源电压和由刺激接触的表面决定。如果选择较高的电源电压或较小的接触表面，则可选择较小的电容值。
新的电极设计设有大量的电极接触点，例如8个、16个或40个接触点。相应地，此类电极连接在植入物上，此植入物必须具有大量的耦合电容。由于其巨大的数量，耦合电容在植入物中占据大量空间，并因此限制了植入物的缩小，缩小植入物是为了例如在颅盖范围内选择有利的植入位置或使植入物构造得从外部不可见。此外，植入物越大，患者产生炎症或对植入物排斥的风险就越大。
此外，必须从密闭的植入物壳体内部引出大量的电接触。在英语的专业文献中，此类线缆穿引通常描述为“Feedthrough(引线)”。常见的从植入物内部到电极端子的线缆穿引多数通过在壳体开口中集成一个或多个陶瓷零件实现，壳体通常由钛制成。通过此种线缆穿引严重限制了植入物的尺寸和结构。此外，线缆穿引的位置为危险区域，此位置可为一处薄弱点，此处可能由于体液侵入而出现并发症或甚至对患者的损伤。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种用于医用植入物的壳体，其能够小于常见壳体实施并为患者提供更高的安全性。此外，应说明相应的植入物以及用于壳体的制造方法。
本发明的目的通过独立权利要求的特征实现。本发明的有利的改进和设计方案在从属权利要求中说明。
根据本发明的用于医用植入物的壳体包含壳体壁，其至少部分地由电绝缘材料制成。壳体壁具有面向壳体内部区域的内侧和面向壳体外部区域的外侧。电流传输件贯穿壳体壁。电流传输件从壳体壁的内侧延伸至外侧。电流传输件包含布置在壳体壁内侧上的导电的第一连接接触面和布置在壳体壁外侧上的导电的第二连接接触面。在壳体壁中集成有电容，其具有第一电容电极和第二电容电极。电绝缘材料可位于第一电容电极和第二电容电极之间并用作电容的电介质。第一连接导体使第一连接接触面和第一电容电极彼此电连接，第二连接导体使第二连接接触面与第二电容电极彼此电连接。在第一连接接触面和第二连接接触面之间只存在通过电容形成的电容性电耦合，在第一连接接触面和第二连接接触面之间不存在贯穿的导电的、也就是说不存在直接的导电的连接。第一连接接触面、电容和第二连接接触面串联。
第一连接接触面用于电连接到位于壳体内部的装置上。例如可将产生电刺激信号、尤其电流脉冲的控制单元与第一连接接触面相连。第二连接接触面用于电连接到位于壳体外部的装置上。例如可将用于施加由控制单元产生的电刺激信号的刺激电极与第二连接接触面相连。
与第一和第二连接接触面相连的电容既为穿过壳体壁的电容性电流传输件，又为耦合电容。尽管不存在从内侧到外侧贯穿壳体的完全的破口，但通过电容提供了贯穿壳体壁的电流传输，从而能够将电信号例如从壳体内部传递给位于壳体外部的刺激电极。在此，通过电容限制传递的电量。
壳体可具有其他电容性电流传输件，其以与前述电容性电流传输件相同的方式构造。
通过根据本发明的壳体，植入物可相对于常见植入物缩小。由此可减少对患者健康的风险，例如由于炎症反应或通过患者排斥而引起的风险。此外，植入物可更容易地植入颅盖区域内。此外，因为电容性电流传输件不需要完全贯穿壳体的破口，壳体更容易密闭，从而可能损坏植入物并导致对患者健康损伤的体液无法侵入壳体。
电容优选如此构造，使第一电容电极具有多个第一电容片，并且第二电容电极具有多个第二电容片，并且第一和第二电容片以交替的顺序堆叠布置，也就是说，第一和第二电容片–例如像两个齿轮的齿一样-彼此啮合。在第一和第二电容片之间优选设置电绝缘材料，其用作电容的电介质。第一和第二电容片彼此平行并可尤其平行于壳体壁的内侧和/或外侧延伸。
根据一优选的设计方案，第一连接导体与多个第一电容片电连接，第二连接导体与多个第二电容片电连接。
本发明实现了随意选择第一或第二连接接触面与电容之间的距离。例如可设置使第一连接接触面部分地或完全地位于电容在壳体壁内侧上的垂直投影之外，和/或第二连接接触面部分地或完全地位于电容在壳体壁外侧上的垂直投影之外。
不需要使整个壳体壁或甚至整个壳体由电绝缘材料制成。将其中集成了电容的壳体壁区域用电绝缘材料制造就足够了。
制成壳体壁或部分壳体壁并尤其用作电容的电介质的电绝缘材料优选为陶瓷。二氧化钛和钛酸钡证实为尤其有利。此种材料具有高介电常数。制成壳体壁或部分壳体壁的陶瓷可大部分或完全地由二氧化钛或钛酸钡构成。
电容优选完全由电绝缘材料覆盖。只有第一和第二连接接触面不由电绝缘材料覆盖并且能够用于接触电容。
根据本发明的壳体可优选为一位患者个性化订制。由此，壳体的形状和尤其壳体壁的形状可适合于患者颅部的轮廓。
根据本发明的医用植入物包含具有前述特征的壳体。
植入物可包含电池和控制单元，二者由壳体包围。电池用于供应电流并且控制单元可产生电信号，其通过电容从壳体内导出。控制单元连接在构造在壳体壁内侧上的第一连接接触面上。控制单元可借助合适的线缆和/或合适的适配器连接到第一连接接触面上。此线缆和/或适配器可直接与第一连接接触面相连。
此外可设置刺激电极，其连接到构造在壳体壁外侧上的第二连接接触面上。刺激电极可借助合适的线缆和/或合适的适配器连接到第二连接接触面上。此线缆和/或适配器可直接与第二连接接触面相连。
控制单元如此设计，使其产生刺激信号，此刺激信号通过电流传输件传递到刺激电极，从而刺激例如患者的大脑或脊髓或心肌中的组织。
此外，设置用于制造具有前述特征的壳体的方法，在此方法中，借助3D打印方法制造壳体。
此制造方法可包含，打印多个陶瓷粉末层和在各个陶瓷粉末层上印上粘合剂，从而使陶瓷粉末凝结。
此外，可通过在至少一个陶瓷粉末层上印制含有第一种浓度的金属颗粒的第一粘合剂，在至少一个陶瓷粉末层上制造导电层。
为了制造穿过至少一个陶瓷粉末层的纵向电连接件，可在此陶瓷粉末层上印制第二粘合剂。此第二粘合剂具有第二种浓度的金属颗粒，此浓度低于金属颗粒的第一种浓度，并且第二粘合剂能够渗入此至少一个陶瓷粉末层。此外，第二粘合剂的粘度可低于第一粘合剂的粘度。
可有利地使用关于患者颅部轮廓的数据，尤其计算机X光断层摄影数据，从而使壳体形状适合于患者颅部的轮廓。
附图说明
下面参照附图进一步举例阐述本发明。在附图中：
图1示出了根据第一实施形式的医用植入物的具有电容性电流传输件的壳体壁的局部示意图；
图2A至2E示出了根据第二实施形式的医用植入物的具有电容性电流传输件的壳体壁的局部示意图；
图3A至3F示出了根据第三实施形式的医用植入物的具有电容性电流传输件的壳体壁的局部示意图；
图4示出了具有在壳体壁中的电容性电流传输件的医用植入物的示意图；
图5示出了用于刺激的电流脉冲图；并且
图6A和6B示出了适合于患者颅骨轮廓的用于植入物的壳体的透视图。
具体实施方式
图1以示意性的视图示出了根据第一种实施形式的用于医用植入物的壳体穿过壳体壁10的剖面。图1中以附图标记12标识壳体的内部区域并以附图标记13标识壳体的外部区域。相应地，第一侧14为壳体壁10的内侧，与第一侧14相对的第二侧15为壳体壁10的外侧。
在壳体壁10中集成了电容性电流传输件，其同时用作耦合电容。电容性电流传输件包含布置在内侧14上的导电的第一连接接触面16和布置在外侧15上的导电的第二连接接触面17。此外，电流传输件还包含集成在壳体壁10中的电容20，其具有第一电容电极21和第二电容电极22。
第一电容电极21包含多个第一电容片23，第二电容电极22包含多个第二电容片24。第一和第二电容片23，24为薄的导电层，其以交替地顺序堆叠布置，也就是说，在第一电容片23上布置一个第二电容片24，其上再布置一个第一电容片23，以此类推。第一和第二电容片23，24彼此平行地并尤其平面平行地布置。此外，在此实施形式中，第一和第二电容片23，24平行于壳体壁10的其中集成了电容20的部分的内侧14和/或外侧15布置。
第一和第二电容片23，24彼此间隔并且不触碰彼此。此外，在第一电容片23和第二电容片24之间不存在直接的导电连接。构成图1示出的部分壳体壁10的陶瓷材料位于第一和第二电容片23，24之间。位于第一和第二电容片23，24之间的陶瓷材料构成电容20的电介质。
第一连接导体25使第一连接接触面16与第一电容电极21电气相连。此外，在此实施例中，第一连接导体25还使多个第一电容片23彼此相连。以同样方式，第二连接导体26使第二连接接触面17与第二电容电极22电气相连。此外，在此实施例中，第二连接导体26还使多个第二电容片24彼此相连。
第一电容片23至少垂直于使多个第一电容片23彼此相连的第一连接导体25的部分延伸。第二电容片24至少垂直于使多个第二电容片24彼此相连的第二连接导体26的部分延伸。
第一和第二连接导体25，26垂直于内侧14或外侧15延伸到壳体壁10中。
在图1所示的实施形式中，电容20完全集成于壳体壁10中，也就是说，第一和第二电容片23，24以及第一和第二连接导体25，26的使多个第一或第二电容片23，24彼此相连的部分被制成壳体壁10的陶瓷材料覆盖。没有上述元件暴露在壳体壁10的内侧14或外侧15上。只有第一连接接触面16和第二连接接触面17可从壳体的内部区域12或外部区域13接触。
构成壳体壁10或至少壳体壁10的其中具有电容性电流传输件的部分的材料可例如含有二氧化钛或钛酸钡。也可考虑其他具有高介电常数的电绝缘材料。可将金属或合金用作用于电容性电流传输件的导电组件的材料。
第一和第二连接导体25，26允许自由选择第一和/或第二连接接触面16，17的位置。第一和/或第二连接接触面16，17无须直接紧邻集成于壳体壁10中的电容20布置，而也可以更远地布置在壳体壁10的内侧14或外侧15上。
每个电容电极只有一个电容片的简单的平板电容的电容值根据下列公式计算：
其中，C表示电容的电容值，ε0表示真空介电常数(ε0＝8.85×10-12As/Vm),εr表示电介质的介电常数，A表示多个电容电极重合的面积，d表示电容电极的距离。
下列公式对图1所示的电容20有效：
其中，C表示电容20的电容值，ε0表示真空介电常数(ε0＝8.85×10-12As/Vm),εr表示电介质的介电常数，N表示每个电容电极的电容片数量，A表示多个电容片重合的面积，d表示相邻电容片的距离。
集成于壳体壁10中的电容20的电容值C可例如通过改变第一和第二电容片23,24的面积值和距离而变化，从而达到希望的电容20的电容值C，例如100nF。
电容20的电容值C可在20至1000nF的范围内，典型的值为100nF和470nF。电介质的介电常数εr可在100至14000的范围内。二氧化钛的介电常数εr约为110，钛酸钡具有在1000到14000之间的介电常数εr。每个第一和第二电容电极21,22可由1至50个、尤其5至10个第一或第二电容片23,24组成。电容片23,24重合的面积A在0.1至25mm2的范围内。以二氧化钛作为电介质的电容通常具有10mm2大的电容片23,24的重合面积A。为具有钛酸钡的电容通常选择0.5mm2。相邻的第一和第二电容片23,24的距离d在3至100μm的范围内，例如可选择3μm或100μm。第一和第二电容片23,24的厚度在1至20μm的范围内，尤其在10至20μm的范围内。
图2A至2E和图3A至3F示出了具有电容性电流传输件的医用植入物的壳体壁的其他实施形式。彼此一致的组件在图1,2A至2E和3A至3F中以相同的附图标记标识。
图2A示出了根据第二种实施形式的具有三个彼此相邻布置的电容性电流传输件的壳体壁10的部分内侧14的俯视图。图2B示出了此壳体壁10的侧视图，并且图2C示出了此壳体壁10的外侧15，其中，在此为了展示而去除了部分壳体壁10，从而实现了对部分电容20的俯视。相应地，在图2C中可见两个第一电容片23和两个第二连接导体26。图2D示出了此壳体壁10的透视图，图2E示出了此壳体壁10沿图2C中所示的线A-A的剖视图。
图3A至3F示出了根据第三种实施形式的具有三个彼此相邻布置的电容性电流传输件的部分壳体壁10。在此，第一和第二电容片23,24以及第一和第二连接导体25,26的结构与图2A至2E中的实施形式略有不同。图3A示出了壳体壁10的内侧14的俯视图，图3B示出了此壳体壁10的外侧15的俯视图。图3B通过沿下缘翻转图3A中的视图产生。在图3B中，为了展示而去除了部分壳体壁10。图3C和3D示出了侧视图，图3E示出了此壳体壁10的透视图。此外，在图3C至3E中还示出了在此壳体壁10的侧面上的接触面28，其用于测试目的。通过接触面28可测量各个不同的电容片23,24的电导率。图3F示出了此壳体壁10沿图3B中所示的线A-A的剖视图。
图4示意性地示出了植入物30，其用于手术植入患者体内，例如在大脑或脊髓或心肌的区域中。植入物30包含密闭的壳体31以及置于壳体31中的电池32和控制单元33。
壳体31的壳体壁10包含根据图1至3示出的其中一种实施形式的电容性电流传输件。此外，电容性电流传输件包含集成于壳体壁10中的电容20以及布置在壳体壁10的内侧14上的导电的第一连接接触面16和布置在壳体壁10的外侧15上的导电的第二连接接触面17。第一连接接触面16借助合适的适配器和线缆与电池32以及控制单元33相连。第二连接接触面17借助合适的适配器和线缆与刺激电极34相连，其具有一个或多个刺激接触面35。相应的适配器和/或线缆可直接与第一或第二连接接触面16,17相连。
为了展示，图4只示出了一个电容性电流传输件。但是，当然可将更多的电容性电流传输件集成于壳体壁10或壳体31的其他壁中，这些电容性电流传输件以与图4示出的电容性电流传输件相同的方式构造。
在植入物30运行期间，控制单元33产生电信号，尤其电流脉冲，其通过壳体壁10中的电容性电流传输件传送到刺激电极34。刺激电极34将接收到的电信号作为电刺激施加给例如大脑或脊髓的与刺激接触面35相接触的组织36。
图5示出了典型的电刺激，其可借助植入物30施加。图5中所示的电流控制的刺激由起始的第一脉冲部分和紧接着的反向流动的第二脉冲部分构成。第一脉冲部分的幅度大于第二脉冲部分的幅度。因此，第二脉冲部分比第一脉冲部分持续更长的时间。在理想状态下，这样设计两脉冲部分，使借助两个脉冲部分传递的电荷量同样多。从而，通过刺激带入组织的电荷量刚好与从组织提取的电荷量同样多。
图5中所示的电流曲线为在电容20后记录的。电容20起到高通滤波器的作用，借助其抑制直流电流部分。
壳体31以及尤其壳体壁10能够以3D打印方法制造。例如在文件DE 10 2008 028742 A1中描述的方法适用于此。此文件的公开内容作为参考记录在本申请中。
在借助3D打印方法制造壳体31时，首先准备陶瓷粉末床，其构成用于待制造的壳体31的基础。在陶瓷粉末床上印上粘合剂，从而固定陶瓷粉末。通过在陶瓷结构上印刷含有金属颗粒、尤其银颗粒的粘合剂而制造导电结构，尤其电容20的结构。为了制造纵向连接件，例如第一和第二连接导体25,26，使用具有相对较低浓度的银颗粒和相对较低粘度的粘合剂。此粘合剂印在陶瓷结构上并能够渗入尚未凝固的陶瓷粉末中。为了制造水平的导电结构，例如第一和第二连接接触面16,17以及第一和第二电容片23,24，在陶瓷结构上并且必要时在纵向连接件上印刷具有较高浓度的银颗粒的粘合剂。因此，通过重复地印刷陶瓷粉末层并相继印刷希望的粘合剂制成壳体31。在所有希望的陶瓷层都已印制并借助粘合剂固定之后，首先去除松散的陶瓷颗粒，接着烧结壳体31。
此3D打印方法实现了使壳体31个性化地适合于每个不同的患者。例如可使用各个患者的计算机X光断层摄影数据，从而这样制造壳体31，使其适合于患者的颅部轮廓。图6A和6B中示出了典型的此类壳体的不同方向的视图，其中，在此，壳体由上部的提高壳体刚性的钛板和下部的陶瓷部分构成，电容性电流传输件集成于此陶瓷部分中。

Claims (15)

1.一种用于医用植入物(30)的壳体(31)，其包含：
具有内侧(14)和外侧(15)、由电绝缘材料制成的壳体壁(10)，和
穿过所述壳体壁(10)的电流传输件，其中，所述电流传输件包含以下组件：
布置在所述壳体壁(10)的内侧(14)上的导电的第一连接接触面(16)，
布置在所述壳体壁(10)的外侧(15)上的导电的第二连接接触面(17)，
集成于所述壳体壁(10)中的电容(20)，其具有第一电容电极(21)和第二电容电极(22)，
第一连接导体(25)，其使所述第一连接接触面(16)与所述第一电容电极(21)电连接，和
第二连接导体(26)，其使所述第二连接接触面(17)与所述第二电容电极(22)电连接，
其中，在所述第一连接接触面(16)和所述第二连接接触面(17)之间不存在贯穿的导电连接。
2.根据权利要求1所述的壳体(31)，其特征在于，所述第一电容电极(21)具有多个第一电容片(23)，并且所述第二电容电极(22)具有多个第二电容片(24)，并且所述多个第一和第二电容片(23,24)以交替的顺序堆叠布置。
3.根据权利要求2所述的壳体(31)，其特征在于，所述第一连接导体(25)与所述多个第一电容片(23)电连接，并且所述第二连接导体(26)与所述多个第二电容片(24)电连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的壳体(31)，其特征在于，所述第一连接接触面(16)至少部分地位于所述电容(20)在所述壳体壁(10)的内侧(14)上的投影之外，和/或所述第二连接接触面(17)至少部分地位于所述电容(20)在所述壳体壁(10)的外侧(15)上的投影之外。
5.根据前述权利要求中任一项所述的壳体(31)，其特征在于，所述电绝缘材料为陶瓷，其尤其含有二氧化钛或钛酸钡。
6.根据前述权利要求中任一项所属的壳体(31)，其特征在于，所述电容(20)完全由所述电绝缘材料覆盖。
7.根据前述权利要求中任一项所述的壳体(31)，其特征在于，所述壳体(31)的形状和尤其所述壳体壁(10)的形状适合于患者颅部的轮廓。
8.具有根据前述权利要求中任一项所述的壳体(31)的医用植入物(30)。
9.根据权利要求8所述的医用植入物(30)，其特征在于，在所述壳体(31)中集成电池(32)和控制单元(33)，并且所述控制单元(33)连接到第一连接接触面(16)上。
10.根据权利要求9所述的医用植入物(30)，其特征在于，刺激电极(34)连接到第二连接接触面(17)上，并且所述控制单元(33)如此设计，使其产生刺激信号，此刺激信号借助电流传输件传递到所述刺激电极(34)上。
11.用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的用于医用植入物(30)的壳体(31)的方法，其特征在于，借助3D打印方法制造壳体(31)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，印制多个陶瓷粉末层，并在每个所述陶瓷粉末层上印上粘合剂，从而使陶瓷粉末凝结。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在至少一个所述陶瓷粉末层上印上第一粘合剂，其含有第一种浓度的金属颗粒，从而在所述至少一个陶瓷粉末层上制造导电层。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在至少一个所述陶瓷粉末层上印上第二粘合剂，其含有第二种浓度的金属颗粒，从而制造穿过所述至少一个陶瓷粉末层的纵向电连接件，其中，所述金属颗粒的第一种浓度高于所述金属颗粒的第二种浓度。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，使用关于患者颅部轮廓的数据，从而使所述壳体(31)的形状适合于患者颅部的轮廓。
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