DE202022100244U1

DE202022100244U1 - Integrierte seriell resonante Antenne als Wellenemitter für implantierbare Elektroden

Info

Publication number: DE202022100244U1
Application number: DE202022100244.4U
Authority: DE
Original assignee: Biotronik SE and Co KG
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: EP4212204A1

Abstract

Implantierbare Elektrodenleitung (1), aufweisend:
- einen Elektrodenleitungskörper (2),
- zumindest einen Elektrodenkontakt (4), der auf dem Elektrodenleitungskörper (2) angeordnet ist, und
- einer in den Elektrodenleitungskörper (2) integrierten Zuleitung (3) für den mindestens einen Elektrodenkontakt (4), die elektrisch leitend mit dem mindestens einen Elektrodenkontakt (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeantenne (5) in Form eines zusätzlichen Leiters mit elektrisch offenen Enden in den Elektrodenleitungskörper (2) integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine implantierbare Elektrodenleitung.
Bei derartigen Elektrodenleitungen ist es wünschenswert, dass diese so beschaffen sind, dass bei einer Untersuchung eines Patienten mittels MR keine übermäßige Erwärmung an den Elektrodenpolen stattfindet.
Ausschlaggebend für die MR-indizierte Erwärmung von implantierbaren Elektroden ist zum einen die Fähigkeit des Systems aus Elektrodenleitung und aktivem Implantat Leistung äußerer Radiofrequenz-Felder (RF) aufzunehmen und zum anderen die Weiterleitung der aufgenommenen Leistung an die Elektrodenpole bzw. die Verluste entlang des Elektrodenkörpers. Die Weiterleitung der Leistung an die Pole lässt sich z. B. durch Filterelemente verhindern. Am Ort des aktiven Implantats kann die Abschlussimpedanz vereinfacht als Kurzschluss angenommen werden. Die Impedanz am gegenüberliegenden Ende hängt vom umliegenden Gewebe ab. Liegen die Längen der elektrischen Leiter in einem Bereich minimaler Resonanz, tritt tendenziell eine geringere Erwärmung an den Elektrodenpolen auf. Die Länge der elektrischen Leiter ist abhängig von der Länge der Elektrodenleitung und der Geometrie der elektrischen Leiter, wie z. B. gerade Zuleitungen bei seilförmigen elektrischen Leitern oder spiralförmige elektrische Leiter bei Wendeln.
Der Spielraum zur Veränderung der Länge der elektrischen Leiter ist z. B. begrenzt durch Vorgaben bezüglich der Länge der Elektrodenleitung, des maximalen Durchmessers und maximalen ohmschen Widerstands. Die Verluste entlang des Elektrodenkörpers hängen u.a. von der Isolierung der Elektrodenzuleitungen zum umgebenden Gewebe ab. Vereinfacht lässt sich sagen, dass je weniger Isolation vorhanden ist, desto größer werden tendenziell die Verluste. Die Isolation kann jedoch aus Gründen der Isolationssicherheit und Haltbarkeit der Elektroden nicht unbegrenzt verringert werden.
Aus dem Stand der Technik sind bezüglich der vorstehend erläuterten Problematik Abschirmungen, hin-zurück und hin laufende elektrische Leiter („Billabong“) sowie ferner elektrisch angeschlossene Stichleitungen bekannt.
Nachteilig an den bekannten Lösungen sind insbesondere deren vergleichsweise aufwändige Herstellung, eine Vergrößerung des Elektrodendurchmessers, eine Vergrößerung des ohmschen Widerstands sowie ferner zusätzliche elektrische Kontaktierungen. Des Weiteren sind bekannte Lösungen oftmals entweder für 1.5 T Magnetresonanztomographie (MRT) oder 3.0 T MRT wirksam.
Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine implantierbare Elektrodenleitung mit reduzierter Wellenleitereigenschaft bereitzustellen, um eine Verringerung der RF-induzierten Erwärmung im MRT zu erreichen.
Wünschenswert ist hierbei insbesondere eine vereinfachte Änderung der Leitungseigenschaften bei gleichem Außendurchmesser, Isolationsstärke, geometrischer Länge der Elektrodenleitung und ohmschen Widerstand. Ferner soll die Lösung idealerweise für sowohl 1.5 T MRT als auch 3.0 T MRT geeignet sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Elektrodenleitung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 wird eine implantierbare Elektrodenleitung offenbart, aufweisend einen Elektrodenleitungskörper, zumindest einen Elektrodenkontakt, der auf dem Elektrodenleitungskörper angeordnet ist, und eine in den Elektrodenleitungskörper integrierte Zuleitung (wird auch als therapeutischer Leiter bezeichnet) für den mindestens einen Elektrodenkontakt, die elektrisch leitend mit dem mindestens einen Elektrodenkontakt verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Sendeantenne in Form eines zusätzlichen Leiters mit elektrisch offenen Enden in den Elektrodenleitungskörper integriert ist, wobei insbesondere der zusätzliche Leiter nicht elektrisch leitend mit der mindestens einen Zuleitung bzw. den vorhandenen Zuleitungen verbunden ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Länge des Leiters bzw. der Sendeantenne einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der auf den Elektrodenleiter wirkenden elektromagnetischen Wellen, insbesondere bei Frequenzen des elektromagnetischen Feldes von 64 MHz.
Der zusätzliche Leiter bzw. die Sendeantenne kann gemäß der folgenden Ausführungsformen gestaltet sein:

- Die Sendeantenne weist (bei linear angeordneter Elektrodenleitung) einen linearen Verlauf auf und erstreckt sich entlang der mindestens einen Zuleitung;
- Die Sendeantenne weist (bei linear angeordneter Elektrodenleitung) zumindest einen Umkehrpunkt auf (hierdurch lässt sich bei gleichbleibender Gesamtlänge der Sendeantenne die Sendeantenne entlang des Elektrodenkörpers auf ein kürzeres Format bringen);
- Die Sendeantenne ist wendelförmig und ist um die mindestens eine Zuleitung gewickelt und ist insbesondere koaxial zu der mindestens einen Zuleitung angeordnet;
- Die Sendeantenne ist mäanderförmig;
- Die Sendeantenne ist als Leiterbahn auf einem flexiblen Substrat angeordnet, wobei insbesondere die Zuleitung ebenfalls als Leiterbahn ausgestaltet ist und auf demselben Substrat angeordnet sein kann oder auf einem separaten flexiblen Substrat;
- Die Sendeantenne ist als Leiterbahn auf einem flexiblen Substrat angeordnet und dabei um die mindestens eine Zuleitung gewickelt.

Diese Ausführungsformen können ggf. in sinnvollerweise miteinander kombiniert werden.
Die Erfindung bietet mit der zusätzlichen Sendeantenne entlang des Elektrodenkörpers, die als Sendeantenne für die eingekoppelte Wellenergie dient, eine vorteilhaft flexible Möglichkeit die auftretenden RF-Verluste zu erhöhen. Hierzu ist vorzugsweise die Sendeantenne so ausgestaltet, insbesondere längenmäßig, dass sie eine Serienresonanz für die betreffenden Frequenzen aufweist, die bei ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge auftritt. Die Bestimmung der optimalen Antennenlänge kann entweder über Simulationen oder Messungen der Resonanzlängen der kombinierten Elektrodenleitung und Sendeantenne im erwarteten Medium erfolgen.
Nachfolgend sollen Ausführungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:

1 eine Messung des Impedanzspektrums des Reflexionskoeffizienten einer implantierbaren Elektrodenleitung ausgehend vom Stecker in einer Kochsalzlösung;
2 eine gemessene Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz der einwirkenden elektromagnetischen Wellen;
3 eine gemessene Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz der einwirkenden elektromagnetischen Wellen bei einer Elektrodenleitung mit Sendeantenne;
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenleitung mit linear erstreckter Sendeantenne (a) und mit einer Sendeantenne, die einen Umkehrpunkt aufweist (b);
5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenleitung mit einer wendelförmigen Sendeantenne;
6 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenleitung mit einer mäanderförmigen Sendeantenne; und
7 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenleitung mit linear erstreckter Sendeantenne, die ebenfalls wie die mindestens eine Zuleitung als flexible Leiterbahn ausgestaltet ist (a), wobei die als flexible Leiterbahn ausgebildete Sendeantenne um die Zuleitung gewickelt sein kann (b).

Bevor die Resonanzlänge einer zusätzlichen Antennenleitung bestimmt wird, ist es vorteilhaft, die elektromagnetischen Eigenschaften (Permittivität/ Leitfähigkeit) des Gewebes zu definieren, in der die Elektrodenleitung implantiert wird. Für Elektrodenleitungen für die Rückenmarks-Stimulation ist dies hauptsächlich Bindegewebe und Fettgewebe mit einer relativen Permittivität von 60 und einer Leitfähigkeit um die 0.47 S/m bei 64 MHz (Lamorfrequenz 1.5 T MRT).
Gemäß einem Beispiel besteht die Elektrodenleitung 1 z. B. aus einem äußeren Elektrodenleitungskörper 2, z. B. in Form eines Polyurethanschlauch 2, mit einem Außendurchmesser von 1.33 mm und einem Innendurchmesser von 1.13 mm. Innerhalb des Schlauchs 2 befinden sich z. B. seilförmige isolierte Zuleitungen 3 mit einem Radius von 0.19 mm, die auf einem PU-Schlauch 2 mit 0.7 mm Außendurchmesser und 0.45 mm Innendurchmesser montiert sind. Jedes der Seile 3 ist an eine 2 mm lange Platinhülse 4 kontaktiert, welche elektrischen Kontakt zum äußeren Medium aufweist und deren Abstände zueinander jeweils 5 mm betragen können.
Über eine Messung des Impedanzspektrums des Reflexionskoeffizienten dieser Elektrode 1 ausgehend vom Stecker in einer Kochsalzlösung mit der Leitfähigkeit 0.47 S/m lassen sich die Resonanzlängen bestimmen, bei denen Parallelresonanz und Reihenresonanz auftritt (vgl. 1). Bei Reihenresonanz treten ein Minimum der Impedanz und eine maximale Erwärmung des distalen Elektrodenpols auf. Das Maximum des Imaginärteils tritt bei Parallelresonanz auf und deutet auf eine minimale Leistungsaufnahme bei äußeren RF-Feldern hin (vgl. Fig- 2).
Eine Sendeantenne in Form eines zusätzlichen Leiters 5 (im Folgenden auch Antennenleiter 5 genannt) sollte als optimale Sendeantenne in Reihenresonanz sein. Sind beide Enden des Antennenleiters 5 nicht kontaktiert, sind die Enden elektrisch offen und Reihenresonanz tritt auf, wenn die Antennenleiterlänge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. Bei 64 MHz beträgt die halbe Wellenlänge in Luft über 2 m. Im Isolationsmaterial reduziert sich die Wellenlänge entsprechend der erhöhten Permittivität, liegt aber üblicherweise immer noch im Bereich von 1 m.
Wird bei der Elektrode 1 mit 55 cm Länge ein Antennenleiter 5 mit einer resonanten Länge s von 1500 mm integriert, so ist dies z. B. durch eine Wickelung des Antennenleiters 5 möglich, der dann entlang des Elektrodenleiters aufgrund der Wendelform eine reduzierte Länge s' aufweist. Im Impedanzspektrum tritt ein neues Minimum der Impedanz bei 64 MHz auf (vgl. Pfeil in der 3). Der Antennenleiter 5 ist damit in Reihenresonanz und sendet die aufgenommene RF-Energie über den Elektrodenkörper 2 verteilt an das umgebende Gewebe aus und die Erwärmung der Elektrodenpole 4 ist damit reduziert.
Ist die Länge der Elektrode 1 größer als die halbe Wellenlänge, lässt sich der Antennenleiter 5 als zusätzlicher gerader Leiter integrieren (4 a).
Überschreitet die optimale Länge der Antennenleitung 5 die Elektrodenlänge, lässt sich die Überlänge zum Beispiel dadurch integrieren, indem die Antennenleitung U-förmig umgeschlagen wird, d.h., einen (oder ggf. auch mehrere) Umkehrpunkt(e) 50 aufweist (s=s1+s2, vgl. 4 b), wendelförmig ausgestaltet ist (vgl. 5) oder in einem Mäander angeordnet ist (vgl. 6). Durch die Mäanderform wird ebenfalls eine reduzierte Länge s' entlang des Elektrodenleitungskörpers 2 erzielt. Mäander lassen sich dabei am praktikabelsten durch flexible Leiterbahnen mit mäanderförmigen metallischen Aufdruck umsetzen. Wendel erhöhen tendenziell den Umfang der Elektrodenleitung 1. Eine gerade oder wendelförmige Antennenleitung 5 lässt sich prinzipiell ebenfalls als flexible Leiterbahn 5 auf einem flexiblen Substrat 51 verwirklichen (7 a, b).
Die in den Figuren teilweise angegebenen Größenangaben sind als Ausführungsformen bzw. Beispiele der Erfindung zu verstehen.
Die Erfindung erweist sich als vorteilhaft, da sie einfache und damit preiswerte Prozesse bei der Herstellung einsetzt, und zwar unter Beibehaltung der therapeutischen Effizienz. Da die Frequenz bei 3.0 T MRT etwa der doppelten Frequenz bei 1.5 T entspricht, ist ein Antennenleiter 5 mit einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge bei 1.5 T auch ein ganzzahliges Vielfaches bei 3.0 T.

Claims

Implantierbare Elektrodenleitung (1), aufweisend: - einen Elektrodenleitungskörper (2), - zumindest einen Elektrodenkontakt (4), der auf dem Elektrodenleitungskörper (2) angeordnet ist, und - einer in den Elektrodenleitungskörper (2) integrierten Zuleitung (3) für den mindestens einen Elektrodenkontakt (4), die elektrisch leitend mit dem mindestens einen Elektrodenkontakt (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendeantenne (5) in Form eines zusätzlichen Leiters mit elektrisch offenen Enden in den Elektrodenleitungskörper (2) integriert ist.