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Die
Erfindung betrifft eine Körperelektrode zur Anlage am Körper
eines Menschen oder eines Tieres gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Körperelektroden werden beispielsweise als sogenannte Neutralelektroden
bei chirurgischen Operationen zusammen mit Hochfrequenzschneidinstrumenten
eingesetzt. Das zum Einsatz kommende Schneidinstrument bildet dabei
eine sogenannte Aktivelektrode, die mit einer sehr kleinen Elektrodenoberfläche
versehen ist, so dass sich der durch den Körper des Patienten
zur Neutralelektrode fließende Strom an dem Schneidinstrument
konzentriert und durch die lokale hohe Stromdichte das Gewebe der
Haut und etwaiger Organe gezielt zerschneidet. Damit der durch den
Körper des Patienten fließende Strom gefahrlos
aus dem Körper abfließen kann, wird die Neutralelektrode – möglichst
in der Nähe der Operationsstelle – großflächig
auf die Haut aufgelegt, so dass der Strom in einem möglichst
großen Flächenbereich abfließen kann
(geringe Stromdichte).
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Eine
derartige Neutralelektrode ist beispielsweise aus der
DE 38 44 209 C2 bekannt.
Die bekannte Neutralelektrode besteht aus einer durchsichtigen, leitenden
Trägerfolie, welche mit einer dünnen leitenden
Schicht beschichtet ist und auf die ein durchsichtiger leitender
Kleber aufgebracht ist. Das Aufbringen des Klebers ist notwendig,
um eine ausreichende Kontaktierung des Körpers des Patienten
zu gewährleisten. Der Kleber muss nach der Operation umständlich
wieder entfernt werden.
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Weiterhin
sind aus der Praxis Neutralelektroden bekannt, die anstelle einer
leitenden Folie ein an ein elektrisches Anschlusskabel angeschlossenes Kohlenstofffasergewebe
aufweisen. In der Regel handelt es sich bei den eingesetzten Kohlenstofffasergeweben
um industriell hergestellte Gewebe aus Fasern aus kohlenstoffhaltigen
Ausgangsmaterialien, die durch Pyrolyse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff
umgewandelt werden. Bei den bekannten Neutralelektroden ist das
Kohlenstofffasergewebe in Taschen aus elektrisch leitfähigem
Material eingenäht. Dies hat zur Folge, dass kein andauernder, großflächiger
Kontakt zwischen dem Kohlenstofffasergewebe und dem Taschenmaterial
besteht. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
das elektrisch leitende Taschenmaterial, insbesondere bei einer
Biegung der Neutralelektrode zur Anpassung an die Körperform
eines Patienten bereichsweise Falten wirft, d. h. bereichsweise
seinen elektrischen Kontakt zu dem elektrisch leitenden Kohlenstofffasergewebe
verliert. Hierdurch ist keine großflächige Stromableitung
aus dem menschlichen Körper gewährleistet, was
zu hohen Stromdichten und damit zu lokalen Verbrennungen im Bereich
der Neutralelektrode führen kann. Ferner wurde beobachtet,
dass die Stromdichte selbst bei flächiger Anlage der Neutralelektrode
innerhalb des Kohlenstofffasergewebes unterschiedlich groß ist.
Die Übergangswiderstände zwischen dem Taschenmaterial
und dem Kohlenstoffgewebe verändern sich während
der Anwendung aufgrund der schwankenden Druckbelastung auf das Taschenmaterial,
insbesondere aufgrund von Bewegungen der Patienten, laufend, so
dass kein definierter Übergangswiderstand für
eine Anwendung gegeben ist.
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Weiterhin
ist eine Feuchtigkeitsdichte bei den bekannten Neutralelektroden
nicht immer gegeben, da durch die Taschennähte Feuchtigkeit
in die Tasche eintreten kann, was die Reinigbarkeit und die Desinfizierbarkeit
der bekannten Elektrode erschwert.
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Daneben
sind Körperelektroden, insbesondere in der Form von Mehrfeldelektroden,
d. h. mit mindestens zwei unabhängig voneinander elektrisch kontaktierten
Kohlenstofffasergeweben bekannt. Derartige Reizstromelektroden werden
beispielsweise in der Physiotherapie oder zum Muskelaufbau im Fitnessbereich
eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Körperelektrode,
insbesondere eine Neutralelektrode oder eine Mehrfeldelektrode anzugeben,
die einerseits feuchtigkeitsdicht ist und die andererseits eine
dauerhafte flächige Kontaktierung des Körpers, insbesondere
der Haut, ohne partielles Ablösen des Kohlenstofffasergewebes
von dem äußeren, elektrisch leitfähigen
Material gewährleistet. Ferner liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer verbesserten
Körperelektrode anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Körperelektrode mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruches 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner
fallen in den Rahmen der Erfindung sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das elektrisch leitend kontaktierte
Kohlenstofffasergewebe (Karbongewebe) zwischen zwei Kunststofflagen
aufzunehmen, wobei die beiden Kunststofflagen, insbesondere unter
Wärmezufuhr, durch Verpressen miteinander verbunden sind.
Durch das Verpressen liegt das Kohlenstofffasergewebe flächig
an den Kunststofflagen an und folgt etwaigen Verformungen der Kunststofflagen,
ohne sich von diesen partiell abzulösen, wodurch ein gleichbleibender Übergangswiderstand
sichergestellt ist. Die erfindungsgemäße Körperelektrode
weist während und nach Verbiegungen keinerlei Verzüge
auf, wie dies bei bekannten Elektroden der Fall ist. Dies ist u.
a. auf die durch das Verpressen hergestellte innige Verbindung zwischen
dem Kohlenstofffasergewebe und den einander gegenüberliegenden
Kunststofflagen zurückzuführen. Der beschriebene
Effekt wird noch verbessert, wenn durch eine geeignete Wahl des Kunststofflagenmaterials
und durch eine geeignete Wahl der Pressparameter, wie Temperatur,
Druck und Presszeit, erreicht wird, das zwischen den sich gegenüberliegenden
Kunststofflagen durch Gewebelücken des Kohlenstofffasergewebes
hindurch eine Materialverbindung entsteht. Die erfindungsgemäße Körperelektrode
eignet sich sowohl für den Einsatz in der Humanmedizin
als auch für den Einsatz in der Veterinärmedizin.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
dass mindestens eine der Kunststofflagen, vorzugsweise sämtliche
sich gegenüberliegenden Kunststofflagen aus Silikon, insbesondere
vulkanisiertem elektrisch leitfähigen Silikonkautschuk
bzw. Silikongummi ausgebildet sind. Hierdurch wird eine besonders
flexible Körperelektrode erhalten, die eine anschmiegsame
Kontaktierung an den Körper in sämtliche Richtungen
ermöglicht. Sogar ein Knicken der Elektrode bleibt ohne
negative Folgen für deren Funktionsfähigkeit.
Die Verwendung von Silikonlagen zur Einbettung des mindestens einen
Kohlenstofffasergewebes gewährleistet, dass die Elektrode
gummielastische Eigenschaften aufweist und in Temperaturbereichen
von etwa –40°C bis etwa 180°C einsetzbar
ist und somit den Hygieneanforderungen, insbesondere im medizinischen
Bereich Rechnung trägt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die sich gegenüberliegenden
Kunststofflagen ausschließlich durch Verpressen, d. h.
ohne sonstige Befestigungsmittel, wie Klebstoffe oder ein miteinander
Vernähen verbunden sind. Bevorzugt erfolgt das Verpressen
unter hohem Druck bei einer Temperatur von etwa 160°C.
Die Dauer des Verpressvorgangs richtet sich nach der Dicke der Kunststofflagen.
Als Faustregel kann mit einer Verpressdauer von etwa fünf
Minuten (bei Wärmezuführung) pro Millimeter Kunststofflagendicke
gerechnet werden.
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Um
die Dichtheit der Körperelektrode gegen Feuchtigkeitseintritt
zu verbessern, ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass
das Kohlenstofffasergewebe mit Randabstand in der Tasche aufgenommen
ist, d. h., dass ein umlaufender Randbereich vorgesehen ist, in
dem die sich gegenüberliegenden Kunststofflagen unmittelbar
aneinander anliegen, d. h. unmittelbar miteinander verpresst sind.
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Um
die Ableitung oder auch Zuführung von elektrischem Strom
von dem elektrisch kontaktierten Kohlenstoffgewebe in den menschlichen
oder tierischen Körper zu ermöglichen, ist bevorzugt
mindestens eine der das Kohlenstofffasergewebe umschließenden
Kunststofflagen, bei Neutralelektroden sind bevorzugt beide gegenüberliegenden
Kunststofflagen, elekt risch leitend. Insbesondere bei Silikonen kann
dies durch den Zusatz von Rußpartikeln realisiert werden.
Je nach Anwendungsgebiet können Kunststofflagen mit unterschiedlichen
Flächenwiderständen von beispielsweise 3 Ohm/cm2, 5 Ohm/cm2 oder
10 Ohm/cm2 eingesetzt werden. Bei Silikon
beträgt der Gewichtsanteil von Ruß bevorzugt zwischen 15
und 50 Gew.-%, insbesondere zwischen 28 und 35 Gew.-%.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das
Kohlenstofffasergewebe winklig zueinander verlaufende Faserstränge
aufweist. Vorzugsweise sind miteinander verwebte, im 90° Winkel
zueinander angeordnete Längs- und Querfaserstränge
vorgesehen. Bei bekannten Körperelektroden sind lediglich
die in Längsrichtung verlaufenden Faserstränge
unmittelbar elektrisch kontaktiert. Die elektrische Kontaktierung
der in Querrichtung verlaufenden Faserstränge erfolgt dabei
ausschließlich über den Kontakt der Faserstränge
in den Knotenpunkten des Gewebes, was zu ungleichmäßig verteilten
Stromdichten führt. Um den Stromfluss zu vergleichmäßigen,
ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die winklig
zueinander verlaufenden Faserstränge, insbesondere die
Längs- und Querstränge, mittels mindestens eines,
vorzugsweise randseitig angeordneten, elektrisch leitenden Kleberstrangs
elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Bevorzugt
besteht der Kleberstrang aus speziellem elektrisch leitendem Silikonkleber.
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Mit
Vorteil wird der zum Einsatz kommende Kleber derart ausgebildet,
dass dessen elektrische Leitfähigkeit größer
ist als die elektrische Leitfähigkeit der Kunststofflagen,
wodurch eine gleichmäßige Stromverteilung im gesamten
Koh lenstofffasergewebe realisiert wird. Versuche haben gezeigt,
dass optimale Ergebnisse bei Zugabe von Silberpartikeln in den Silikonkleber
realisierbar werden.
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Insbesondere
dadurch, dass die in Längs- und Querrichtung zueinander
verlaufenden Faserbündel über den mindestens einen
elektrisch leitenden Kleberstrang miteinander verbunden sind, ist
es ohne negative Auswirkungen auf die Stromzuleitung oder die Stromableitung
durch die Körperelektrode möglich, lediglich die
in einer Richtung verlaufenden Kohlenstofffaserstränge
unmittelbar elektrisch mit der Anschlussleitung mechanisch zu kontaktieren. Besonders
vorteilhaft ist es dabei jeweils eine Metallhülse vorzusehen,
die mit der Anschlussleitung verpresst ist. Zusätzlich
oder alternativ können elektrisch leitende Klebstoffstränge
zur Kontaktierung eingesetzt werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Körperelektrode.
Gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird ein Kohlenstofffasergewebe auf eine erste Kunststofflage,
insbesondere aus elektrisch leitfähigem Silikon, aufgelegt. Das
Kontaktieren des Kohlenstofffasergewebes mit einer elektrischen
Anschlussleitung kann nach, bevorzugt jedoch vor dem Auflegen auf
die erste Kunststofflage, erfolgen. Nach diesem Schritt wird eine zweite
Kunststofflage, die bevorzugt aus leitendem Silikon oder je nach
Anwendung aus nicht leitendem Silikon besteht, auf das Kohlefasergewebe
aufgelegt und es erfolgt ein flächiges Verpressen der beiden Kunststofflagen
miteinander, insbesondere unter Wärmezufuhr, vorzugsweise
bei hohen Drücken von mehreren Tonnen.
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Zur
Realisierung einer Zugentlastung ist zweckmäßigerweise
vorgesehen, dass die Kohlefaserstränge nicht an der Seite
der Körperelektrode elektrisch kontaktiert werden, in die
die Anschlussleitung mündet, sondern an den winklig hierzu
verlaufenden Seiten der Körperelektrode. Hierzu sind die kontaktierten
Kohlefaserstränge von den quer verlaufenden Fäden
befreit und bevorzugt gebündelt zusammengeführt.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Körperelektrode.
Gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird ein Kohlenstofffasergewebe auf eine erste Kunststofflage,
insbesondere aus elektrisch leitfähigem Silikon, aufgelegt. Das
Kontaktieren des elektrisch leitfähigen Kohlenstofffasergewebes
mit einer elektrischen Anschlussleitung kann nach, bevorzugt jedoch
vor dem Auflegen auf die erste Kunststofflage, die bevorzugt aus leitendem
Silikon oder je nach Anwendung aus nicht leitendem Silikon besteht,
erfolgen. Nach diesem Schritt wird eine zweite Kunststofflage auf,
die bevorzugt aus leitendem Silikon oder je nach Anwendung aus nicht
leitendem Silikon besteht, auf das Kohlefasergewebe aufgelegt und
es erfolgt ein flächiges Verpressen der beiden Kunststofflagen
miteinander, insbesondere unter Wärmezufuhr, vorzugsweise
bei hohen Drücken.
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Im
Rahmen der Erfindung liegt es weiterhin, die winklig zueinander
verlaufenden Kohlenstofffaserstränge des Kohlenstofffasergewebes über
mindestens einen Klebstoffstrang elektrisch leitend miteinander
zu verbinden. Bevorzugt erfolgt dieser Kontaktierungsschritt vor
dem Auflegen des Kohlefasergewebes auf eine der Kunststofflagen.
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Zur
Vermeidung von Wiederholungen sollen sämtliche nur vorrichtungsgemäß offenbarten
Merkmale auch als verfahrensgemäß offenbart gelten.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
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1:
eine Darstellung einer teilgeschnittenen, als Neutralelektrode ausgebildeten
Körperelektrode in einer Draufsicht,
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2:
die Körperelektrode gemäß 1 in einer
Seitenansicht,
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3:
zeigt die Darstellung eines zur Anwendung kommenden Kohlenstofffasergewebes,
bei dem die rechtwinklig zueinander verlaufenden Faserstränge
durch einen entlang beider Längsseiten und einer Querseite
verlaufenden elektrisch leitfähigen Klebstoffstrang elektrisch
leitend miteinander verbunden sind und
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4:
eine schematische Darstellung einer als Mehrfeldelektrode ausgebildeten
Körperelektrode.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit gleicher Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
den 1 und 2 ist eine als Neutralelektrode
ausgebildete Körperelektrode 1 dargestellt. Die
Körperelektrode 1 weist eine im Wesentlichen rechteckige
Kontur, jedoch mit abgerundeten Ecken auf. Sie umfasst zwei sich
gegenüberliegende Kunststofflagen 2, 3 mit
einer Dicke von jeweils etwa 2 mm. Die Kunststofflagen 2, 3 sind
durch zugesetzte Ruß- partikel elektrisch leitfähig.
Die Kunststofflagen 2, 3 bilden eine feuchtigkeitsdichte,
allseitig geschlossene Tasche 4, in der ein Kohlenstofffasergewebe 5 aufgenommen
ist. Wie insbesondere aus 1 zu entnehmen
ist, ist das Kohlenstofffasergewebe 5 mit Randabstand angeordnet,
d. h. es ist ein umlaufender kohlenstofffasergewebefreier Randabschnitt 6 vorgesehen.
Im Bereich dieses Randabschnittes 6 sind die Kunststofflagen 2, 3 unmittelbar
miteinander verpresst, wodurch eine Flüssigkeitsbarriere
gebildet wird.
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Das
Kohlenstofffasergewebe 5 besteht aus einer Vielzahl paralleler,
in Längsrichtung verlaufender beabstandeter Kohlenstofffaserstränge 7 und
einer Vielzahl rechtwinklig hierzu verlaufender, d. h. in Querrichtung
verlaufender, paralleler, beabstandeter Kohlenstofffaserstränge 8.
Die rechtwinklig zueinander verlaufenden Kohlenstofffaserstränge 7, 8 bestehen
jeweils aus einer Vielzahl einzelner, gebündelter Kohlenstofffasern,
wobei die rechtwinklig zueinander verlaufenden Kohlenstofffaserstränge 7, 8 miteinander
verwebt sind. Das Kohlenstofffasergewebe 5 ist mit einer
Anschlussleitung 9 elektrisch kontaktiert. Die Anschlussleitung 9 mündet
in eine in der Zeichnungsebene unten angeordnete Querseite der Tasche 4,
wobei ein sich in Richtung Anschlussleitung 9 verjüngender
Abschnitt 10 der Tasche 4 vorgesehen ist, dessen
Dicke im Vergleich zu der übrigen Tasche 4 erhöht
ist.
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In 3 ist
ein bevorzugt zum Einsatz kommendes Kohlenstofffasergewebe 5 gezeigt.
Zu erkennen sind auch hier die in Längsrichtung bzw. Querrichtung
verlaufenden Kohlenstofffaserstränge 7, 8.
Im Randbereich des Kohlenstofffasergewebes 5 ist ein Klebestrang 11 aus
elektrisch leitfähigem Silikonkleber vorgesehen, welcher
die Enden der in Längsrichtung sowie in Querrichtung verlaufenden Kohlenstofffaserstränge 7, 8 elektrisch
leitend miteinander verbindet. Hierzu erstreckt sich der Kleberstrang 11 entlang
beider Längsseiten des im Wesentlichen rechteckförmigen
Kohlenstofffasergewebes 5, wobei die beiden Längsseiten
des Kleberstrangs durch einen in Querrichtung verlaufenden Abschnitt
des Kleberstrangs auf der dem Anschlusskabel 9 abgewandten
Seite des Kohlenstofffasergewebes 5 elektrisch leitend
miteinander verbunden sind. Neben der Erzielung einer verbesserten
Stromverteilung wird durch den sich über drei Seiten erstreckenden
Kleberstrang ein Ausfransen des Kohlenstofffasergewebes 5 verhindert.
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Wie
aus 3 weiter zu erkennen ist, sind die über
den größten Teil des Kohlenstofffasergewebes 5 in
Längsrichtung verlaufenden Kohlenstofffaserstränge 7 im
in der Zeichnungsebene unteren Bereich um 90° in Querrichtung
abgebogen, wobei etwa die Hälfte der Kohlenstofffaserstränge 7 links
und etwa die andere Hälfte rechts von dem Mündungsbereich
der Anschlussleitung 9 elektrisch kontaktiert sind. Zur
unmittelbaren elektrischen Kontaktierung dieser Kohlenfaserstränge 7 mit
jeweils einer Ader 12, 13 der Anschlussleitung 9 ist
jeweils eine elektrisch leitende Edelstahlhülse 14, 15 vorgesehen.
Die Edelstahlhülsen 14, 15 sind hierzu
mit den Adern 12, 13 sowie mit den Kohlenstofffasersträngen 7 verpresst.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die an den Längsseiten
angeordneten, parallelen Edelstahlhülsen 14, 15 nicht
unmittelbar mit dem Kleberstrang 11 verbunden. Zusätzlich
oder alternativ zu den Edelstahlhülsen 14, 15 kann
auch eine Kontaktierung mittels elektrisch leitender Klebstoffstränge
vorgesehen werden. Anstelle von zwei separaten Adern kann eine einzige
hochflexible mehrdrätige Ader verwendet werden, deren Drähte
aufgefä chert und an beiden Anschlusspunkten mit den Kohlenstofffasern kontaktiert
werden.
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Lediglich
zur Veranschaulichung ist in
4 eine schematische
Darstellung einer als Mehrfeldelektrode ausgebildeten Körperelektrode
1 gezeigt. Diese
weist zwei Elektrodenfelder
16,
17 mit jeweils einem
Kohlenstofffasergewebe
5 auf, wobei die beiden Kohlenstofffasergewebe
5 mit
Abstand zueinander angeordnet sind. Die beiden Kohlenstofffasergewebe
5 sind
zwischen einer elektrisch leitfähigen und einer nicht leitfähigen
Kunststofflage
2,
3 verpresst. Zwischen den beiden
von einander unabhängigen Elektrodenfeldern
16,
17 ist
eine Isolationsbarriere vorgesehen, so dass keine unmittelbare elektrisch leitende
Verbindung zwischen den Elektrodenfeldern
16,
17 gegeben
ist. Jedes Elektrodenfeld
16,
17 ist über
eine separate Anschlussleitung
9,
18 elektrisch kontaktiert.
| Pos | Benennung/Designation |
| 1 | Körperelektode |
| 2 | Kunststofflage |
| 3 | Kunststofflage |
| 4 | Tasche |
| 5 | Kohlenstofffasergewebe |
| 6 | Randaabschnitt |
| 7 | Längs-Kohlenstofffaserstränge |
| 8 | Quer-Kohlenstofffaserstränge |
| 9 | Anschlusskabel |
| 10 | Abschnitt |
| 11 | Kleberstrang |
| 12 | Ader |
| 13 | Ader |
| 14 | Klebstoffkontaktierungsstrang |
| 15 | Klebstoffkontaktierungsstrang |
| 16 | Elektrodenfeld |
| 17 | Elektrodenfeld |
| 18 | Anschlusskabel |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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