DE2144902C2 - Implantierbares Element zur Kontaktierung von Körpergeweben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein implantierbares Element zur Kontaktierung von Körpergeweben, insbesondere von Nerven und Muskeln.

In der Elektrophysiologie, der biologischen und medizinischen Forschung, aber auch in der ärztlichen Praxis (vor allem in der Neurologie) werden bioelektrische Signale von Nerven- und Muskelgewebe abgenommen und nach entsprechender Verstärkung mit Hilfe eines Schreibers aufgezeichnet oder auf dem Oszillographenschirm beobachtet Der Potentialabgriff erfolgt durch draht-, nadel- oder plattenförmige Elektroden, die an das elektrisch aktive Gewebe angelegt bzw. in dieses eingestochen werden.

Die abgeleiteten Potentiale ,.egen im Bereich zwischen wenigen μν und etwa 10 mV bei Quellimpedanzen bis zu 100 Megohm. Fremdfelder, die in die Verbindungsleitungen zwischen Elektrode und Vorverstärker 'einstreuen, stören deshalb bei der Messung bioelektrischer Signale. Diese Störanfälligkeit erfordert für die meisten Untersuchungen die Verwendung eines Faraday-Käfigs und erschwert die ambulante neurologische Diagnostik ebenso wie die Verwendung bioelektrischer Signale zur Steuerung von Prothesen, Manipulatoren und Maschinen.

Es ist auch bereits eine bioelektrische Elektrode für elektrocardiographische Aufzeichnungen bekannt, die aus einer plattenförmigen Kontaktelektrode mit einer nachgeschalteten Feldeffekttransistorstufe zur Verringerung der Niederfrequenz-Ausgangsimpedanz und aus einem Abschirmgehäuse besteht, in dem die Elektrode und der Transistor untergebracht sind. Das Gehäuse kann derart aufgesetzt werden, daß die Elektrode auf der Hautoberfläche aufliegt (Zeitschrift »IEEE Transaction on Bio-Medical Engineering, Jan. 1969, Seite 99). Bei diesem bekannten Gebilde werden die physiologischen Signale durch kapazitive Kopplung über die aus eloxiertem Aluminium bestehende und daher elektrisch isolierte Elektrodenscheibe aufgenommen. Zum Einsetzen in das Körpergewebe ist diese bioelektrische Elektrode weder vorgesehen noch geeignet.

Ferner ist es bekannt, die zur Hautauflage vorgesehene Elektrode direkt auf ein Verstärker-Chip aufzubringen, um die Länge der gegenüber Störfelder besonders empfindlichen Verbindungsleitungen zwischen der Elektrode und dem hochohmigen Verstärkereingang auf ein Minimum zu reduzieren (US-Patentschrift 35 65 060).

Es wurde bereits ein Schwerhörigengerät vorgesehla-

ge, bei dem ein Empfänger in einen Zahn des Schwerhörigen eingebaut ist Das halbleitende oder piezoelektrische Material des Empfängers wandelt elektromagnetische Wellen in elektrische Signale um, die den Zahn- oder Gesichtsnerven erregen sollen (deutsche Auslegeschriften 1120 505, 12 02 834, 12 19 988).

Nach einem anderer. Vorschlag soll in die fJetzhaut

ίο völlig oder fast erblindeter Menschen eine mit photosensitivem Material, wie Selen, beschichtete Platte eingesetzt werden, mit deren Hilfe Lichtsinneszellen oder Nervus-Opticus-Fasern erregt werden sollen (GB-Patentschrift 7 60 652).

Diese zuletzt beschriebenen bekannten Maßnahmen sind auf die sehr speziellen Probleme des teilweisen Ersatzes von Sinnesorganen beschränkt In beiden Fällen wird Nervengewebe mit Hilfe von elektrischen Impulsen erregt.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugnmde, ein Element zu schaffen, mit dem elektrische Signale unbeeinflußt von Störfeldern unmittelbar von dem lebenden, elektrisch aktiven Körpergewebe abgeleitet werden können, ohne daß eine äußere Abschirmung benötigt wird.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit einem implantierbaren Kcataktierungselement gelöst werden kann, das ein Feldeffekttransistor mit Drain-, Source- und Kanalzone sowie mit einer Isolatorschicht über der

jo Kanalzone ist und dessen Kanalzone durch das unmittelbar an der Isolatorschicht anliegende elektrisch aktive Körpergewebe ansteuerbar ist

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Elementes wird eine Impedanzwandlung bzw. Verstärkung unmittelbar am Ort des Signalabgriffes erreicht

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung ist das Kontaktierungselement in Form eines das elektrisch aktive Körpergewehe ganz oder teilweise umgebenden Ringes, Rohres, R&irsegments od. dgl.

■to ausgeführt.

Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Element gewissermaßen um einen unvollständigen Feldeffekttransistor, der durch das Körpergewebe zu einem Gebilde ergänzt wird, das in Aufbau und Wirkungsweise einem herkömmlichen Feldeffekttransistor gleicht. Dabei übernimmt das Körpergewebe die Aufgabe der Gate-Elektrode. Das die Signalquelle darstellende elektrisch aktive Körpergewebe, das im Bereich der Isolatorschicht unmittelbar an der Kanalzone anliegt,

so wirkt kapazitiv auf die Kanalzone ein.

Ein wichtiger Vorteil der implantierbaren Elemente nach der Erfindung besteht darin, daß sie auf einfache Weise eine sichere Kontaktierung des Körpergewebes direkt an der gewünschten Stelle ermöglichen. Die in ihren Abmessungen sehr kleinen Elemente sind ohne Schwierigkeiten in ein gewebeverträgliches Material einzubetten, so daß auch Dauerimplantationen möglich sind.

Wichtig ist des weiteren, daß mit verschiedenen Ausführungsarten der Erfindung nicht nur Summenpotentiale, sondern auch die Aktionspotentiale kleinerer Muskel- oder Nervenuntereinheiten abgegriffen werden können.
Außerdem lassen sich mit vertretbarem Aufwand

fi¹"» gleichzeitig Potentiale an verschiedenen Stellen abnehmen.

Die Elemente nach der Erfindung sind zum einen für wissenschaftliche Untersuchungen im Rahmen der

elektrophysiologischen Forschung sowie für die neurologische Diagnostik und Therapie geeignet. Zum anderen können die Elemente der erfindungsgemäßen Art für Prothesensteuerungen verwendet werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor. Es zeigt in schematischer Darstellung

F i g. 1 im Längsschnitt eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Elements, das an einen Nerv gekoppelt ist,

F i g. 2 in gleicher Darstellung wie F i g. 1 eine weitere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Elements und

F i g. 3 das elektrische Ersatzbild der Anordnung nach Fig. 1 oder 2.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsart ist das erfindungsgemäße Element rohrförmig ausgebildet Es dient hier zur Aufnahme und Kontaktierung eines Nervs oder Nervenbündels 1. Mit Hilfe der beiden Führungs-Glasrönrehen 16, 17 wird der Nerv ί in das Kontaktierungselement, das hier in Form eines kurzen, beschichteten Rohres ausgebildet ist, hinein- oder durch dieses hindurchgeführt Der Grundkörper 18a des Elements besteht in der Ausführungsart nach F i g. 1 aus Kunststoff, wie Teflon, oder aus Glas und ist mit zwei Metallschichten 19, 20 versehen, die durch eine als Kanalzone 14 dienende Halbleiterschicht voneinander getrennt sind. Als Halbleitermaterial ist z. B. (Cadmiumsulfid geeignet. Auf den Außenflächen dieser Metallschichten 19, 20 und der Halbleiterschicht 14 befindet sich eine dielektrische Schicht bzw. Isolatorschicht 15.

Aus Fig. 1 und 2 wird ersichtlich, daß das Element erst in Zusammenwirkung mit dem elektrisch aktiven Körpergewebe, hier mit dem Nerv 1, in Aufbau und Funktion zu einem vollständigen Dünnschicht-Feldeffekttransistor wird. Sowohl in der Ausführungsart nach F i g. 1 als auch nach F i g. 2 dient der Nerv 1 gleichzeitig als Signalquelle und als Gate-Elektrode (vgl. G\ in F i g. 3), da er kapazitiv durch die dünne Isolatorschicht IS hindurch steuernd auf die Kanalzone 14 einwirkt. Drain und Source dieses Feldeffekttransistors werden durch die beiden Metallschichten 20 bzw. 19 dargestellt Auf Seite des Drain-Anschlusses ist außerdem ein Widerstandsbelag 21 auf dem Führungs-Glasröhrchen 17 vorgesehen.

Die nach außen oder zu dem nächsten Bauelement führenden Anschlüsse des Transistors, d. h. Drain D und

in Source S, sind mit den entsprechenden Buchstaben gekennzeichnet Das vollständige Kontaktelement mit Ausnahme der herausgeführten großflächigen Source-Elektrode 10, ist in einem gewebeverträglichen, das Element schützenden und isolierenden Kunststoff 22 eingebettet Daher ist eine Implantation des erfindungsgemäßen Elements möglich, wobei die Source-EIektrode 5 großflächig das anliegende Körpergewebe berührt und als Potentialbezugspunkt dienen kann. Das Nervenoder Akrjonspotential des einzelnen Nervs oder Nervenbündels 1 wird über die .»rain-Eiektrode D verstärkt und niederohmig einer r.'.cht gezeigten elektronischen Meß- oder Auswerteschaltung zugeführt

Im Gegensatz zu der beschriebenen Ausführungsart anhanö der F i g. 1 besteht der Grundkörper nach F i g. 2 aus einem kurzen Metallrohr 18£>, das allseitig mit dielektrischem Material 23, z. B. Siliziumoxid, beschichtet ist
Führt man diesem Metallrohr 18i> über einen (hier nicht gezeigten) Anschluß eine Vorspannung zu, so wird dadurch der Arbeitspunkt dieses Verstärkerelements verstellt; auf diese Weise wird die Wirkung einer zweiten Gate-Elektrode erreicht.

F i g. 3 zeigt das elektrische Ersatzbiid, nämlich einen Feldeffekttransistor mit einem Arbeitswiderstand R, eines implantierten Elements der erfindungsgemäßen Art Die zweite Gate-Elektrode gemäß der Ausführungsart nach F i g. 2 ist mit Gi symbolisiert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Implantierbares Element zur elektrischen Kontaktierung von Körpergeweben, insbesondere von Nerven und Muskeln, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Feldeffekttransistor mit Drain- (20), Source- (19) und Kanalzone (14) sowie mit einer Isolatorschicht (15) über der Kanalzone (14) ist und daß die Kanalzone (14) durch das unmittelbar an der Isolatorschicht anliegende elektrisch aktive Körpergewebe (1) ansteuerbar ist

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form eines das elektrisch aktive Körpergewebe (1) ganz oder teilweise umgebenden Ringes, Rohres, Rohrsegments oddgL ausgeführt ist