DD263239A1

DD263239A1 - Stimulations- und detektorelektrode

Info

Publication number: DD263239A1
Application number: DD30607787A
Authority: DD
Inventors: Lothar Dunsch; Hermann Wagner; Wolfgang Zobel; Axel Georgi; Berndt Findeisen
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-08-17
Filing date: 1987-08-17
Publication date: 1988-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stimulations- und Detektorelektrode fuer biomedizinische Anwendungen, bei der eine Zuleitung und eine aktive Elektrode aus ein und demselben leitfaehigen Material bestehen und die an der funktionellen Uebergangsstelle Isolationsmaterial/Elektrode einen dichten Verschluss aufweist. Durch das vorgeschlagene Elektroden-Zuleitungs-System werden Phasengrenzen vermieden oder minimiert, die Rueckstell- und Massenkraefte durch die Zuleitung vernachlaessigbar gering sowie der technologische Aufbau und der Materialwert vertretbar.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine auf Dauer implantierbare Stimulations- und Detektorelektrode mit bewegbarer Zuleitung für Zwecke derfunktionellen, prothetischen oder sonstigen Elektrostimulation oder als Biosensoren. Die Elektrode ist sowohl für Implantationen, z. B. für Herzschrittmacher, Innenrohrprothesen oder Rückenmarkstimulation im Langzeitgebrauch als auch in der kurzzeitigen Nutzung als Detektorelektrode nutzbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannte implantierbare Elektroden bestehen zwecks Minimierung von Korrosion bzw. Erreichung einer Mindest-Biokompatibilität aus Platin, Platinlegierungen oder auch anderen korrosionsfesten Legierungen, wie z. B. Elgiloy.

Es wurde vorgeschlagen (DE-OS 3345990), auf solche Metallelektroden Glaskohlenstoff aufzusputtern oder die Elektroden aus Glaskohlenstoff herzustellen (DE-OS 2613072, DD-PS 229028), um die Gewebedegeneration um die erwähnten Metallelektroden zu verhindern und Polarisationsverluste klein zu halten.

Nachteil der beschichteten Metallelektroden wie auch der Glaskohlenstoffelektroden ist der relativ hohe Herstellungsaufwand, der sich aus der Zahl und Schwierigkeit der technologischen Schritte bei der Elektrodenherstellung sowie bei der Verbindung der Elektrode mit der Zuleitung ergibt. Sofern ein Edelmetallsubstrat verwendet wird, fallen auch Materialkosten ins Gewicht, zumal bei Metallelektroden zur Vermeidung von Lokalelementen monolithische Elektroden-Zuleitungs-Systeme ratsam sind.

Erhebliche technologische Nachteile bekannter Elektroden mit bewegbarer Zuleitung rühren aus der Notwendigkeit her, die Zuleitung wendeln zu müssen, um im Interesse geringster Bruchgefahr große Biegeradien zu erzielen.

Ein weiterer, in vielen Fällen entscheidender Anwendungsnachteil bekannter Elektroden sind die hohen Rückstellkräfte und u. U.

auch das Gewicht der aus mechanischen Sicherheitsgründen reichlich dimensionierten Metallzuleitungen. Dadurch kann es unter anderem zu Elektrodendislokationen kommen.

Weiterhin können Standzeitnachteile an der Phasengrenze Elektrodenmaterial/Zuleitungsmetall entstehen. Infolge der Schwierigkeit, eine zuverlässige Verbindung zwischen Elektrodenmaterial und Zuleitungsmetall herzustellen, können Standzeitnachteile durch Bruchgefährdung oder Verschlechterung der elektrischen Kontaktierung entstehen. Durch den Einsatz weiterer Werkstoffe für die Verbindung (Klebstoff bindemittel, Hilfsmittel für das Fügeverfahren) besteht die Gefahr einer erhöhten Korrosionsanfälligkeit bzw. Gewebereaktion.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Elektrode zu entwickeln, die eine hohe Standzeit für die Langzeitnutzung sowie eine bewegbare Zuleitung mit geringsten Rückstellkräften und geringem Eigengewicht aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen Elektrode und Zuleitung auf neuartige Weise zu lösen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Zuleitung und eine aktive Elektrode aus ein und demselben leitfähigen Material bestehen und an der funktioneilen Übergangsstelle Isolationsmaterial/Elektrode einen dichten Verschluß aufweisen. Dabei kann das leitfähige Material der Elektrode und der Zuleitung aus Kohlenstoff oder organischen Metallen bestehen, eine gleiche oder unterschiedliche physikalische Struktur und eine gleiche oder unterschiedliche Formgestaltung aufweisen. Es kann faser-, stab- oder schlauchförmig ausgebildet sein, insbesondere als ein Faserbündel. Das leitfähige Material kann zur geometrischen Fixierung oder zur röntgenographischen Abbildung teilweise mit einem Metaligerüst umgeben sein oder eine metallische Ader besitzen, die nach Legung der Elektrode wieder entfernt wird. Die Form der aktiven Seite des leitfähigen Materials kann als Stab-, Bündel-, Rohr-, Trapezelektrode oder Elektrodenarray ausgebildet sein. Die Elektroden des Elektrodenarrays können einzelne oder gemeinsame Zuleitungen aufweisen. Das Faserbündel ist in einem hochpolymeren Material eingegossen, vorzugsweise an den Enden der Polymerummantelung. Das hochpolymere Material als Isoliermaterial kann ein Silikonkautschuk niederer Dichte, ein Polyurethanelastomer oder ein Epoxidharz sein. Die aktive Elektrodenseite ist in einem biokompatiblen Material, beispielsweise Silikonkautschuk, eingebettet oder mit einem Stützelement, beispielsweise einem Glaskohlenstoffstift, ausgerüstet. Durch das vorgeschlagene Elektroden-Zuleitungs-System werden Phasengrenzen zwischen Elektrode und Zuleitung vermieden oder minimiert, die Rückstell- und Massenkräfte durch die Zuleitung vernachlässigbar gering sowie der technologische Aufwand und der Materialwert vertretbar. Das System ist vor seinem Einsatz für Modifizierungsverfahren, wie Steriliation oder Oberflächenvergütung der aktiven Elektrode, verwendbar.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Beispiel 1:

Die Herzschrittmacherelektrode von einer Gesamtlänge von etwa 650mm besteht aus einer Zuleitung aus einem Kohlenstoffaserbündel mit einer Umhüllung aus Silikongummi. Die Kohlenstoffaserstruktur wird an der Übergangsstelle Zuleitung/Elektrodenkopf durch Tränkung der Fasern mit Silikonkautschuk über eine Länge von etwa 10mm verschlossen und gleichzeitig wird eine flüssigkeitsdichte Verbindung zur Umhüllung hergestellt sowie die gewünschte äußere Form des Fixierelementes gebildet. Die Fläche des elektrisch leitfähigen Elektrodenkopfes beträgt etwa 8mm². An der Anschlußseite der Elektrode wird mittels mechanischer Quetschverbindung ein zylindrischer Metallsteckerstift mit dem Kohlefaserbündel verbunden. Anschließend wird diese Verbindungsstelle mit einem vorgefertigten Silikonkautschukformteil abgedeckt.

Beispiel 2:

Herzschrittmacherelektrode ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen, aber mit unterschiedlicher Zahl der Kohlefasern über die Länge der Elektrode. Vor dem Verguß der Übergangsstelle Zuleitung/Elektrodenkopf werden die durchgehenden Kohlefasern im Kopfteil mit einem zusätzlichen Faserbündel erweitert.

Beispiel 3:

Stimulationselektrode ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen, aber mit einem als Array ausgebildeten Elektrodenkopf. Zwei getrennte Kohlenstoffaserbündel gleicher Faserzahl werden getrennt mit PUR-Elastomer bis auf eine Endenlänge von etwa 15mm getränkt und erhalten anschließend eine gemeinsame Umhüllung aus Silikonkautschuk. Durch die Tränkung mit PUR-Elastomer sind die beiden Faserbündel innerhalb der Umhüllung gegeneinander elektrisch isoliert. Die beiden ungetränkten Faserbündelenden werden am Kopfteil in zwei durchgehende Aussparungen eines vorgefertigten, scheibenförmigen Silikonkautschukformteils mit einer Fläche von etwa 60 mm² eingeführt, so daß die Enden der Kohlefasern mit der Oberfläche des Formteiles abschließen. Die beiden Aussparungen im Formteil haben untereinander keine Verbindung und haben einen Durchmesser von etwa 2 mm. Anschließend werden die beiden zwischen diesem Formteil und der Silionkautschukumhüllung liegenden freien Faserbündelteile auf einer Länge von etwa 10mm so mit Silikonkautschuk getränkt und umgössen, daß zwischen den beiden Faserbündeln keine elektrische Verbindung entsteht und ein flüssigkeitsdichter Abschluß zum Formteil und zur Umhüllung realisiert wird.

Beispiel 4:

Die zwei Stimulationselektroden einer zweikanaligen Innenrohrprothese besitzen etwa 80 mm lange Zuleitungen aus Kohlenstoffaserbündeln, die mit Silikonkautschuk ummantelt sind. Die Kohlenstoffaserbündel sind länger als die jeweiligen Zuleitungen. Am aktiven Ende des einen Elektrodensystems sine 3ie auf eine Länge von 5mm mittels Silikonkauschuk zu einem mechanisch beanspruchbaren Stift von 0,6mm Durchmesser so verklebt und isoliert, daß nur an dessen Ende eine Stromaustrittsfläche vorliegt. Am aktiven Ende des anderen Elektrodensystems sind die Kohlenstoffasern so mittels Silikonkautschuk verklebt, daß für die Applikation am runden Fenster des Innenrohres eine halbkugelförmige Reizelektrode vorliegt. Am jeweils entgegengesetzten Ende der beiden Elektrodensysteme sind die Kohlefaserbündel mittels Leitkleber mit der Elektronik des Prothesenimplantats elektrisch verbunden.

Beispiel 5:

Die Stimulationselektrode einer Innenrohrprothese oder eines anderen Elektrostimulationssystems besteht aus glasartigem Kohlenstoff. Sie befindet sich lediglich durch mechanischen Kontakt etwa durch Aufstecken oder Umschlingung in stromleitfähiger Verbindung mit dem als Zuleitung ausgebildeten Kohlenstoffaserbündel.

Beispiel 6:

Ein intrakochleär anzuwendendes Elektrodenarray einer Vielkanalinnenrohrprothese besteht aus beispielsweise 10000 Kohlenstoffasern, die weitgehend parallel, in wenigen Lagen übereinander und gegeneinander einzeln oder auch in

Gruppen zu beispielsweise 100 Fasern isoliert sind, so daß das einer Faser oder Fasergruppe an einem Ende des Arrays eingeprägte elektrische Potential am anderen Ende des Arrays bei bekannten Schnittflächen-Koordinaten abgreifbar ist. Am aktiven Ende des Arrays enden die Kohlenstoffasern oder Faserbündel in sinnvoller Reihenfolge über einen Längenabschnitt von beispielsweise 20 mm immer an der Außenseite des Elektrodenkörpers. Das kann bei der Herstellung dadurch erreicht werden, daß das Faserband an der aktiven Seite so schräg abgeschnitten wird, daß sich die Schnittfläche über den gewünschten Längenabschnitt erstreckt und dann das Faserband mit den längsten Fasern nach innen längs eingerollt oder nur einfach längs ein-oder mehrmals gefaltet wird.

Beispiel 7:

Ein für die vielkanalige Stimulation beliebiger, komplexer neuronaler Strukturen anwendbares Elektrodenarray ist mit mehr oder weniger Kohlenstoffasern prinzipiell identisch aufgebaut wie das Array in Beispiel 6 mit den beiden Unterschieden, daß die Kohlenstoffasern mehrlagig angeordnet sind und daß ihre aktiven Enden eine gedachte, den neuroanatomischen Gegebenheiten entsprechende Linie oder Fläche berühren.

Claims

1. Stimulations- und Detektorelektrode für biomedizinische Anwendungen mit einem isolierten Leitersystem und einer Elektrode aus elektrisch leitfähigem kohlenstoffhaltigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuleitung und eine aktive Elektrode aus ein und demselben leitfähigen Material bestehen und an der funktioneilen Übergangsstelle Isolationsmaterial/Elektrode einen dichten Verschluß aufweist.

2. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material faser-, stab- oder schlauchförmig ausgebildet ist.

3. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material ein Faserbündel aus Kohlenstoff oder organischen Metallen ist.

4. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material teilweise von einem Metallgerüst umgeben ist.

5. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der aktiven Seite des leitfähigen Materials als Stab-, Bündel-, Rohr-, Trapezelektrode oder Elektrodenarray ausgebildet ist.

6. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elektroden des Elektrodenarrays einzelne oder gemeinsame Zuleitungen vorhanden sind.

7. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel aus Kohlenstoff in einem hochpolymeren Material eingegossen ist.

8. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial aus einem Silikonkautschuk niederer Viskosität besteht.

9. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial aus einem Polyurethanelastomer oder einem Epoxidharz besteht.

10. Stimulations- und Detektorelektrode nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbündel nur an den Enden einer Poiymerummantelung eingegossen sind.