DE102004012564A1 - Stimulationselektrode - Google Patents

Stimulationselektrode

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Dietmar Dr.-Ing. Lütke Notarp
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    • A61N1/36Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36046Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of the eye

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren, bei der eine höhere Auflösung der Anregung dadurch erzielbar ist, dass Einzelelektroden gruppenweise elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stimulationselektrode zum Einsatz in Neurostimulatoren, die zur Erzeugung von Sehwahrnehmung durch retinale oder kortikale elektrische Stimulation verwendet werden.
  • Das lichtsensitive Gewebe, das den Augenhintergrund bedeckt und das die lichtempfindlichen Fotorezeptorzellen enthält wird Retina genannt. Die Retina besteht aus zwei Arten von Fotorezeptoren, den Stäbchen und den Zapfen, sowie aus mehreren Schichten aus anderen nicht lichtempfindlichen Nervenzellen. Die Stäbchen und Zapfen konvertieren Licht in elektrische Impulse, die von anderen Nervenzellen verarbeitet werden. Die Ganglienzellen erzeugen das Ausgangssignal der Retina. Der Sehnerv überträgt die visuelle Information an das Gehirn, wo sie in eine Sinneswahrnehmung "Sehen" umgewandelt wird.
  • Verschiedene Krankheiten wie Makuladegeneration oder Retinitis Pigmentosa bewirken eine Degeneration der Fotorezeptorzellen. Die Degeneration betrifft häufig auch andere Zellen der Reti na, aber es ist bekannt, dass auch nach langjähriger Blindheit die Ganglienzellen im wesentlichen intakt sind.
  • Zahlreiche Versuche wurden in den vergangenen Jahren durchgeführt, um Vorrichtungen zu entwickeln, die die Linderung oder Heilung der retinal verursachten Blindheit unterstützen können. Verschiedene Verfahren zur Wiederherstellung des Sehvermögens wurden vorgeschlagen.
  • Ein Verfahren umfasst die Implantation einer fotosensitiven Vorrichtung um die Neuronen oder Ganglienzellen zu stimulieren. So wurde beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP 0460320 A2 eine Sehprothese vorgeschlagen, die ein eng gepacktes Array von kleinen Solarzellen aufweist, die wiederum mit einer Vielzahl von Elektroden gekoppelt sind, welche Neuronen an der Oberfläche der Retina in einem der Beleuchtung entsprechenden Muster stimulieren sollen.
  • Eine andere Herangehensweise zeigt das US-Patent US 5,935,155 , bei dem die empfangene elektromagnetische Energie einer kleinen Induktionsspule in elektrische Stimulationspulse umgesetzt wird. Ein kompaktes Array von Elektroden, das in Kontakt mit den Ganglienzellen steht, induziert die Sehempfindung durch ein Stimulationsmuster.
  • Das Elektrodenarray besteht aus einer Reihe von elektrischen Kontakten die wahlweise gleiche oder unterschiedliche Größe aufweisen. Die Elektroden werden in einem regelmässigen Raster angeordnet und einzeln angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt durch einen ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), der entsprechende Zahl von Signalquellen implementiert. Da die technischen Möglichkeiten der ASIC Herstellung derzeit nur eine sehr begrenzte Anzahl von Signalquellen – zwischen 200 und 1000 – ermöglichen, was im Vergleich zur Anzahl von Ganglienzellen (ca. 1000000) sehr wenig ist, besteht die Herausforderung, mit einer geringen Anzahl an Signalquellen eine möglichst hoch auflösende Wahrnehmung zu erzeugen.
  • Die bekannten Elektrodenanordnungen sind einerseits mechanisch nicht zufriedenstellend, weil ihre Belastbarkeit auf Biegung gering ist. Andererseits ist die elektrische Anpassung an das kontaktierte Gewebe unzureichend. Aufgrund der Größe der leitenden Oberfläche der Elektroden wird nur in den Randbereichen eine ausreichende Anregung der Nervenzellen erzielt. Die inneren Bereiche der Oberfläche sind im wesentlichen nicht in der Lage, die für eine Stimulation erforderlichen Wechselströme zu übertragen.
  • Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stimulationselektrode zu schaffen, die verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist.
  • Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weil die Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren mittels Wechselstrom Einzelelektroden aufweist, die gruppenweise elektrisch miteinander verbunden sind, insbesondere parallelgeschaltet sind, kann das Verhältnis des Umfangs bzw. der Kantenlänge zu der Gesamtoberfläche verringert werden. Die führt zu einer verringerten Wechselstromimpedanz. Der elektronische Aufwand der Beschaltung innerhalb einer Gruppe wird hierdurch nicht vergrößert.
  • Der Aufbau der Elektrodenanordnung wird vereinfacht, wenn die Einzelelektroden einer Gruppe einander benachbart auf einem elektrischen Leiter angeordnet sind.
  • Die mechanische Belastbarkeit wird verbessert, wenn ein nicht leitender Träger die Einzelelektroden und den Leiter trägt.
  • Ausgehend von einem bekannten Elektrodendesign kann eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung dadurch gescahffen werden, dass zur Erzeugung nicht leitender Bereiche zwischen den Einzelelektroden ein durchgehender Elektrodengrundkörper vorgese hen ist, dessen Oberfläche bereichsweise mit Oxiden oder mit Keramiken beschichtet ist. Einzelelektroden können auch durch eine abschnittsweise nichtleitende Abdeckung einer Leiterbahn gebildet werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass Einzelelektroden durch Anordnung von Mikroelektroden auf einer gemeinsamen Leiterbahn gebildet werden.
  • Besondere Anregungsmuster werden ermöglicht, wenn die Gruppen von Einzelelektroden im Betrieb zu geometrischen Grundformen (Linie, Kreis) zusammengeschaltet werden.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • 1: eine erfindungsgemäße Ausführung der Stimulationselektrode mit runden Segmenten;
  • 2: eine erfindungsgemäße Ausführung der Stimulationselektrode mit geraden Segmenten;
  • 3: ein Elektroden-Array mit Elektroden entsprechend 2;
  • 4: die Feldverteilungen einer bekannten großen Elektrode und einer Gruppe aus Mikroelektroden im Vergleich;
  • 5: die Abhängigkeit der Leitfähigkeit vom Durchmesser einer Mikroelektrode;
  • 6: die Verteilung der Von-Mises-Spannung in der flexiblen Trägerfolie bei einer bekannten großen Elektrode und einer Gruppe aus Mikroelektroden im Vergleich; sowie
  • 7: eine besonders einfache Form einer verbesserten Stimulationselektrode in einer Draufsicht.
  • In der 1 ist insgesamt eine Stimulationselektrode dargestellt, die insgesamt etwa den Durchmesser einer herkömmlichen Elektrode aufweist, also etwa 300 μm. Die Stimulationselektrode ist weist eine Anzahl von elektrisch leitenden Flächenelemen ten oder Einzelelektroden 15 auf, die über Leiterbahnen 2 gruppenweise miteinander verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste äußere Gruppe 3 vorgesehen, die insgesamt vierzehn ringförmig angeordnete Einzelelektroden 1 umfasst. Die Gruppe 3 bildet einen äußeren Elektrodenring der Stimulationselektrode.
  • Eine zweite Gruppe 4 bildet einen mittleren Ring der Stimulationselektrode. Die Gruppe 4 besteht aus sechs Einzelelektroden 1, die elektrisch untereinander verbunden sind. Die Gruppe 4 ist konzentrisch innerhalb des Einzelelektrodenrings der Gruppe 3 angeordnet. Im Mittelpunkt der Elektrodenanordnung in 1 ist eine Einzelelektrode 5 vorgesehen, die im geometrischen Mittelpunkt der Elektrodengruppen 3 und 4 angeordnet ist. Die Gruppe 3 ist über eine Anschlussleitung 6 mit einer externen Elektronik verbunden. Die Gruppe 4 ist über eine ebensolche Anschlussleitung 7 und die einzelne Elektrode 5 über eine Anschlussleitung 8 angeschlossen.
  • Die 2 zeigt eine andere Konfiguration einer Stimulationselektrode. Die Anzahl der Einzelelektroden ist die gleiche wie in der 1. Hier sind die Elektroden jedoch etwa linienförmig in einer ersten Elektrodengruppe 11, einer zweiten Elektrodengruppe 12, einer dritten Elektrodengruppe 13, einer vierten Elektrodengruppe 14 und einer fünften Elektrodengruppe 15 zusammengefasst. Die Gruppen 11, 12, 14 und 15 weisen jeweils vier Einzelelektroden auf, die elektrisch untereinander kontaktiert sind. Die Elektrodengruppe 13, die durch das Zentrum der Elektrodenanordnung verläuft, weist fünf Einzelelektroden auf. Jede Gruppe verfügt über eine eigene Anschlussleitung zur Kontaktierung mit einer externen Elektronik. Dies ist bei der Gruppe 11 die Leitung 16, bei der Gruppe 12 die Leitung 17, bei der Gruppe 13 die Leitung 18, bei der Gruppe 14 die Leitung 19 und bei der 15 die Leitung 20.
  • In der 3 ist ein Elektrodenarray von insgesamt sieben Stimulationselektroden 22, 33, 34, 35, 36, 37 und 38 auf einem Träger 21 veranschaulicht. Der Träger 21 ist beispielsweise eine Polyimidfolie, die zum Implantieren des Elektrodenarrays in einem Auge dient. Auf dem gezeigten Ausschnitt sind insgesamt sieben Stimulationselektroden angeordnet, die von jeweils 21 Einzelelektroden gebildet werden. Die Gruppierung der Einzelelektroden innerhalb der Stimulationselektrode ist anders gewählt als in den 1 und 2. Am Beispiel einer Elektrode 22 ist veranschaulicht, dass je sechs Einzelelektroden 23 bzw. 24 einen äußeren Teilkreis der Elektrode 22 bilden. Die Einzelelektroden 23 und 24 sind gruppiert wie in 2 beschrieben. Sie sind linienförmig untereinander elektrisch verbunden und mit je einer Anschlussleitung 25 bzw. 26 nach außen kontaktiert. Zwei Einzelelektroden 27 bzw. 28 bilden je eine zentrumsnahe Gruppe, während fünf Einzelelektroden 29 geradlinig aufgereiht durch das Zentrum der Stimulationselektrode 22 gehen. Die Kontaktierung nach außen erfolgt bei der Elektrodengruppe 27 durch eine Anschlussleitung 30, bei der Elektrodengruppe 28 durch eine Anschlussleitung 31 und bei der Elektrodengruppe 29 durch eine Anschlussleitung 32.
  • Auf dem Träger 21 sind noch sechs weitere Stimulationselektroden 33 bis 38 angeordnet. Diese bilden zusammen ein Elektrodenarray.
  • Ein Elektrodenarray wie in 3 gezeigt kann auf dem gleichen Träger 21 auch je nach Platzierung am Implantationsort unterschiedliche Stimulationselektroden aufweisen. So können beispielsweise die Elektroden gemäß 1 im Zentrum des Elektrodenarrays angeordnet werden, während die Elektroden gemäß 2 im Randbereich des Elektrodenarrays eingesetzt werden. Auch die Orientierung eines Arrays gemäß 2 nach horizontaler oder vertikaler Ausrichtung (gemessen an der Elektrodengruppe 13) kann beliebig gewählt werden.
  • In der 4 ist bei 4a ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode gemäß 1 oder 2 veranschau licht und wird der 4b gegenübergestellt, in der eine Stimulationselektrode nach dem Stand der Technik gezeigt wird.
  • In 4a ist das elektrische Feld als Feldverteilung 40 veranschaulicht. Die Elektrodengruppe 3 aus 1 ist hier in einem Querschnitt von der Seite schematisch dargestellt. Die Einzelelektroden sind auf der Leiterbahn 2 angeordnet und in dem Träger 21 eingebettet. An ihrer freien Oberseite stehen sie mit einem Elektrolyt in Verbindung, der in dem kontaktierten Gewebe enthalten ist. Durch Einprägung eines elektrischen Stroms entsteht in dem Elektrolyt die Feldverteilung 40. Die Einzelelektroden 3 haben wie oben erwähnt eine Breite in der Darstellung der 4a von etwa 30 μm, so dass mit dem für physiologische Erfordernisse angepassten elektrischen Strom eine im wesentlichen nicht überlappende Feldverteilung 40 zu erzielen ist.
  • Demgegenüber zeigt die 4b die Feldverteilung über einer herkömmlichen Mikroelektrode 3' von etwa 150 μm Durchmesser. Es ist ersichtlich, dass die im Stand der Technik erzielte Stromdichteverteilung insbesondere am Rand der Mikroelektrode einen elektrischen Strom erzeugt, während im Zentrum der Elektrode die Stromdichte sehr gering ist. Diese Stromdichteverteilung ist bei der Kontaktierung von biologischem Gewebe im Auge nachteilig, weil sie die einzelnen Nervenzellen zu unspezifisch anspricht.
  • Die erzielbare Feldverteilung wird also durch den Einsatz von Mikroelektroden 3 (und entsprechend für alle anderen Mikroelektroden, die in den 1, 2 und 3 dargestellt sind) homogener.
  • Die 5 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von der Elektrodengröße. Die Verformung der Feldverteilung, die in den 4a und 4b dargestellt ist, führt zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Stimulationselektrode. Die verbesserten elektrischen Eigenschaften beruhen auf einer Erhöhung der spezifischen Leitfähigkeit bei Elektroden mit einem Durchmesser von weniger als etwa 30μm.
  • Die 6a zeigt einen Querschnitt entsprechend 4a durch eine Elektrodenanordnung, bei der die Einzelelektroden 3 wiederum auf der Leiterbahn 2 angeordnet und in dem Träger 21 eingebettet sind. Die 6b zeigt im Vergleich hierzu eine Elektrode 3' nach dem Stand der Technik, die einen größeren Durchmesser aufweist, aber ebenfalls in einem Träger 21' eingebettet und auf einer Leiterbahn 2' angeordnet ist. In der 6a ist mit 42 ein mechanisches Spannungsfeld veranschaulicht, das als so genannte Von-Mises-Spannung bezeichnet wird. Diese mechanische Spannung ist eine Vergleichspannung, die sowohl Zugspannungen als auch Zug- und Druckspannungen sowie Biegespannungen berücksichtigt. Sie veranschaulicht die mechanische Belastung der Leiterbahn 2 bei einer Beaufschlagung der Mikroelektroden 3 mit einer externen Kraft und bei einer Verbiegung des Trägers 21.
  • Die 6b zeigt eine Elektrode 3' nach dem Stand der Technik. Auch hier wird die von Von-Mises-Spannung 42' im Bereich einer Kante veranschaulicht, die auf die Leiterbahn 2' einwirkt. Der Vergleich der 6a und 6b zeigt, dass bei gleicher mechanischer Belastung die Von-Mises-Spannungen in der Leiterbahn 2 bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung wesentlich geringer ist als die Spannung 42', die beim Stand der Technik in die Leiterbahn 2' eingeleitet wird.
  • Hierdurch wird die mechanische Haltbarkeit eines Implantats mit erfindungsgemäßen Mikroelektroden wesentlich verbessert.
  • In der 7 ist eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht veranschaulicht. Ein Träger 50 trägt hier eine Gruppe von Einzelelektroden 51, die etwa gleichmäßig über die Oberfläche des Trägers 50 verteilt sind. Zwischen den Einzelelektroden 51 ist elektrisch nicht leitendes Material 52 an der Oberfläche an der Elektrode angeordnet. Eine elektrische Anschlussleitung 53 ist vorgesehen, um die Einzelelektroden 51 in an sich bekannter Weise mit einer externen Elektronik zu verbinden.
  • Der Aufbau der in 7 dargestellten Stimulationselektrode kann entsprechend der Darstellung in 6a so erfolgen, dass ein elektrischer Leiter die Einzelelektroden 51 trägt und elektrisch kontaktiert. Unterhalb des elektrischen Leiters ist ein nichtleitender Träger angeordnet. Oberhalb des elektrischen Leiters wird die ebenfalls elektrisch nicht leitende Schicht 52 aufgebracht, so dass die Einzelelektroden 51 über diese hinausstehen und ein Gewebe elektrisch kontaktieren können. Die nichtleitende Schicht 52 kann auch dadurch erzeugt werden, dass eine an sich durchgehende elektrisch leitende Schicht oberflächlich mit einer isolierenden Schicht abgedeckt wird, wobei die Einzelelektroden 51 als von der isolierenden Schicht ausgenommene Bereiche verbleiben. Es ist dann nicht erforderlich, dass die Einzelelektroden 51 wie in der 6a über die Oberfläche der isolierenden Schicht 52 hinausstehen.
  • Da es sich bei der in 7 dargestellten Ausführungsform um eine besonders einfache Elektrodenanordnung handeln soll, sind alle Einzelelektroden 51 parallel geschaltet.
  • Der elektrische Beschaltungsaufwand ist deshalb bei diesem Ausführungsbeispiel nicht größer als bei konventionellen Stimulationselektroden, die etwa den Durchmesser des Trägers 50 in 7 aufweisen (beispielsweise 200 bis 300 μm). Sämtliche Einzelelektroden 51 werden mit demselben elektrischen Signal beaufschlagt. Allein die Tatsache, dass die Einzelelektroden 51 mit einem Durchmesser von 5 bis 40 μm, insbesondere 20 bis 30 μm ein geringeres Oberflächen- zu Umfangsverhältnis aufweisen, ist die Wechselstromimpedanz der Einzelelektroden 51 für die Kontaktierung von Gewebe, genauer gesagt für die Kontaktierung des im Gewebe enthaltenen Elektrolyten, besonders günstig.
  • Bei Stimulationselektroden nach dem Stand der Technik kann der beschriebene Effekt erfindungsgemäß erreicht werden durch eine teilweise Abdeckung der elektrisch leitenden Oberfläche, durch die ebenfalls eine Verkleinerung der elektrisch leitenden Bereiche und damit eine Anpassung der Wechselstromimpedanz an das Gewebe erfolgt. Die Aufteilung kann auch durch das Zusammenschalten mehrerer Mikroelektroden oder durch Segmentierung einer großen Elektrode realisiert werden.
  • Im Gegensatz zu bisher bekannten Elektroden wird bei der vorliegenden Erfindung die aktive elektrische Fläche verringert. Die Verringerung der aktiven Elektrodenfläche erfolgt durch Aufteilung der Elektrode in leitende Flächenelemente und nichtleitende Bereiche. Dabei sind die leitenden Bereiche so klein, dass die relative Leitfähigkeit aufgrund von beginnender sphärischer Ausdehnung des Diffusionsfeldes überproportional ansteigt (etwa kleiner 30 μm laut 5).
  • Es ist sehr vorteilhaft, wenn sich die Diffusionsfelder der einzelnen leitenden Bereiche nicht überlappen, um eine ungestörte Bildung der sphärischen Diffusionsfelder zu ermöglichen.
  • Durch die Vergrößerung der Randfläche im Verhältnis zur Elektrodenoberfläche können auch mechanische Belastungen besser in den Träger eingeleitet werden. Bei Belastung des Trägers auf Biegung führt die Segmentierung der bekannten Elektroden zur einer Verringerung der Scherkräfte an den Kanten von Mikroelektroden. Daraus resultiert eine höhere Flexibilität des Folienträgers.

Claims (7)

  1. Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelelektroden (1, 51) in Gruppen (3, 4, 5; 1115; 22, 23, 27, 28, 29) elektrisch miteinander verbunden sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1, 51) einer Gruppe (3, 4, 5; 1115; 22, 23, 27, 28, 29) einander benachbart auf einem elektrischen Leiter (2) angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht leitender Träger (21) die Einzelelektroden (1) und den Leiter (2) trägt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung nicht leitender Bereiche (50) zwischen den Einzelelektroden (1, 51) ein durchgehender Elektrodengrundkörper vorgesehen ist und dessen Oberfläche bereichsweise mit Oxiden oder mit Keramiken beschichtet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1, 51) durch eine abschnittsweise nichtleitende Abdeckung einer Leiterbahn (2) gebildet werden.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1) durch Anordnung von Mikroelektroden auf einer Leiterbahn 2) gebildet werden.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen von Einzelelektroden (3, 4, 5; 1115; 22, 23, 27, 28, 29)im Betrieb zu geometrischen Grundformen (Linie, Kreis) zusammengeschaltet werden.
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