DE2455391A1 - Batterie - Google Patents

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American Optical Corporation, Southbridge, Mass., USA

Batterie

Die Erfindung betrifft eine Batterie gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, insbesondere für einen implantierbaren Herzschrittmacher.

Die Erfindung liegt allgemein auf dem Gebiet der medizinischen Elektronik. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit Vorrichtungen zur Stimulierung eines Herzens, d.-. h. mit sogenannten Herzschrittmachern.

Herzschrittmacher sind seit geraumer Zeit bekannt. Vor einigen Jahren wurden Herzschrittmacher entwickelt, die eine Erregung des Herzens mit einer festen und konstanten Frequenz bewirkten. Ein Nachteil bei diesen Schrittmachern beruhte darin, daß diese nicht immer mit der natürlichen Herzfrequenz, sondern in einigen Fällen auch .gegen diese arbeiteten. In neuerer Zeit wurden Herzschrittmacher entwickelt, die einen Erregerreiz zu dem Herzen nur dann abgaben, wenn ein solcher benötigt wurde. Mit diesen Schrittmachern

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waren die vorstehend erwähnten Probleme eines Widerstreits zwischen der stimulierten Herzfrequenz und der natürlichen Herzfrequenz gelöst. In neuester Zeit wurden Herzschrittmacher entwickelt, die eine Erregung nur dann abgaben, wenn eine solche benötigt war, wobei diese Erregung in einer geeigneten Folge auf die beiden Kammern des Herzen abgegeben wurde, und zwar auf den Vorhof und auf die Herzkammer.

Bei all diesen in den Körper eines Patienten implantierten Schrittmachern benötigt man eine mitführbare Stromversorgung. Im Normalfalle wird als Stromversorgung eine Batterie verwendet. In diesem Falle ist eine große Lebensdauer für die Batterie erwünscht. Schrittmacherbatterien, die in Form von chemischen Elementen aufgebaut sind, können beispielsweise eine Lebensdauer von zwei Jahren oder noch mehr aufweisen. In neuester Zeit wurden auch Nuklearbatterien sowie weitere elektrische Energiequellen entwickelt. Bei diesen neueren Verfahren gibt es jedoch bestimmte schwerwiegende technische Probleme, die bei Schrittmachern nicht auftreten, die von herkömmlichen chemischen Elementen gespeist sind. Bei den chemischen Elementen bzw. Batterien entstehen jedoch Probleme, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird, die im Zusammenhang mit einem Auslaufen der Batterien stehen. Quecksilber(II)-

oxid-Zink-Elemente sind typische chemische Elemente,-die als Schrittmacherbatterien Verwendung finden. Bei diesem Batterietyp ist eine Abfuhr bzw. Entlüftung von Fluiden notwendig, da die chemischen Bestandteile der Batterien im' Inneren derselben miteinander reagieren. Die von der Batterie abgeführte oder nach außen austretende Flüssigkeit ist im Normalfall eine wäßrige Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxidlösung. Diese wäßrigen Lösungen der beiden genannten Elektrolyten sind in der Lage, einen wirksamen Weg für einen Kriechstrom aufzubauen, so daß ein Strom zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode der Batterie fließt. Daneben oder zusätzlich hierzu kann Wasser aus dem Außeribereich des implantierten Schrittmachers in den Schrittmacher durch verschiedene Öffnungen eintreten (beispielsweise durch die Öffnung, in der der Katheter eine Verbindung mit der Schrittmacherschaltung herstellt), so daß in entsprechender Weise die positive und die negative Elektrode einer Zelle miteinander verbunden v/erden können und damit ein Weg für einen Kriechstrom in der entsprechenden Zelle entsteht. Das Fließen von derartigen Kriechströmen kann die Lebensdauer der Batterie er-

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heblich herabsetzen und damit auch die Lebensdauer des Schrittmachers.

Annähernd 70 % der gegenwärtig benutzten Schrittmacher fallen aufgrund einer verbrauchten Batterie aus. Der Verbrauch der Batterie nimmt, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, durch Kriechstromwege zwischen den positiven und negativen Elektroden der einzelnen Batterieelemente zu. Es spricht einiges dafür, daß bei Quecksilberbatterieelementen·in etwa die Hälfte der theoretisch zur Verfügung stehenden Energie für Nutzarbeit verwendet wird. Es ist daher möglich bzw. wahrscheinlich, daß die andere Hälfte der theoretisch zur Verfügung stehenden Energie der Quecksilberzelle dadurch verlorengeht, daß Kriechströme über die isolierten Durchführungen bei den bisherigen Konstruktionen auftreten. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie für einen Schrittmacher zu schaffen, bei der ein höherer Anteil der theoretisch zur Verfugung stehenden Energie in Nutzarbeit umgesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Mit der Erfindung wird somit eine verbesserte Batterie geschaffen, die eine Abdeckung aufweist, welche eine Abdichtung gegenüber einem Auslaufen der Flüssigkeit von ihren Elektroden liefert. Mit dieser verbesserten Batterie erhält man einen verbesserten Herzschrittmacher.

Die auf ein Undichtwerden der Elemente zurückzuführenden Kriechströme können somit bei herkömmlichen chemischen Elementen vermieden werden, so daß die Lebensdauer der Batterie u. U. bis zu ihrem theoretisch maximalen Wert von 1OO % verlängert werden kann.

Die Erfindung betrifft somit eine Verbesserung von Batterien, die zur Stromversorgung von implantierbaren Herzschrittmachern verwendet werden. Wesentliche Merkmale der Erfindung sind dabei in der Schaffung einer isolierten Durchführungshülse zu sehen, die aus einem Neoprengummi gefertigt ist. ' und zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß der Batterie angebracht oder eingesetzt werden kann. Die Durchführungshülse ist so ausgebildet, daß sie sich wesentlich über die Oberflächenumhüllung der Batterie erstreckt, um einen wesentlichen Kontaktbereich zwischen der Neoprenoberflache und einem Epoxidharz zu liefern, das die Batterien und die Herzschrittmacherschaltung einkapselt. Die verbesserte Verbindung bzw. Verklebung

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zwischen dem Epoxidharz und der isolierten Durchführungshülse liefert eine dichte Abdeckung über jeder Elektrode. Jegliche Flüssigkeit, die sich in dem Bereich der Batterie bildet, sei es als Ergebnis von einer einkriechenden Außenfeuchtigkeit oder als Ergebnis von einer Abgabe aus den Batterien selbst, kann daher keinen Kriechweg von einer Elektrode zur anderen bilden, da durch die Verbindung oder Verklebung ein Trennungsbereich entsteht. Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird eine geriefte bzw. geriffelte isolierte Durchführung verwendet, um die Verbindung zwischen der Durchführungshülse und dem Epoxidharz noch weiter zu verbessern.

Die durch die Erfindung erzielte gesteigerte Lebensdauer der Batterie äußert sich vorteilhaft auch in einer erhöhten Lebensdauer des Schrittmachers.

Mit der Erfindung wird somit eine verbesserte Batterie geschaffen, die sich insbesondere für eine Verwendung in einem implantierbaren Herzschrittmacher eignet. Der implantierbare Herzschrittmacher liefert ein Reizsignal zu dem Herz eines Patienten und wird im Normalfalle von einer Batterie versorgt. Der primäre Grund für einen Ausfall des Schrittmachers und den hierdurch notwendigen Austausch gegen einen neuen beruht in einem Ausfall der Batterie oder der Batterien. Mit der Erfindung wird eine verbesserte Isolation gegenüber einem Auslaufen oder einem Lecken zwischen den positiven und den negativen Elektroden der implantierten Batterie geschaffen, was die Lebensdauer sowohl der Batterie als auch des Schrittmachers vergrößert.

Die beiliegende Zeichnung dient der weiteren Erläuterung der Erfindung;

Fig. 1 zeigt eine Vertikalansicht von einer Batterie gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt eine Vertikalansicht von einer Aus führungs form der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel von einem verbesserten Herzschrittmacher, der die erfindungsgemäße Batterie verwendet.

Fig. 5 zeigt eine' Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Batterie gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Diese enthält eine negative Elektrode 1O3, die von einer positiven Elektrode 101 durch eine isolierte Durchführungshülse 102 getrennt ist. Die Elektroden und die Durchführungshülse können eine allgemein zylindrische Gestalt haben und so ausgebildet sein, daß sie konzentrisch ineinander passen. Die Durchführungshülse 102 erstreckt sich über die äußere Oberfläche der Batterie hinaus um lediglich eine kleine Strecke. Diese kleine Strecke erlaubt keinen ausreichenden Kontaktbereich zwischen den Wandungen der Hülse und einem Epoxidharz, das eine Einkapselung vornimmt und an die Oberfläche dieser Struktur angrenzt, um eine gegenüber einem Auslaufen dichte Abdichtung zu schaffen.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Innenbereich der Hülse 1O2 bei der gewählten Darstellung nicht gesehen werden kann, da er von der Außenfläche der negativen Elektrode 101 verdeckt ist. Aus diesem Grunde ist der Innenbereich der Durchführungshülse 1O2 teilweise durch eine Strichlierung dargestellt. Die Gestalt der Durchführungshülse im Inneren der Zelle braucht nicht notwendigerweise zylindrisch sein. Aus diesem Grunde sind die strichlierten Linien nicht vollständig durchgezogen, was besagen soll, daß eine Vielfalt von Formen verwendet werden kann. Da sich die vorliegende Erfindung im wesentlichen mit dem Außenbereich der Batterie befaßt, kommt es auf die tatsächliche detaillierte Gestalt der Durchführungshülse im Inneren der Zelle zwecks vollständigem Verständnis der Erfindung nicht an. Gleiches gilt für den Aufbau und die Konstruktion der positiven und der negativen Elektroden, so daß auch diese nicht im einzelnen dargestellt sind.

Im folgenden sei auf die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung verwiesen. Eine negative Elektrode 3O3 ist von einer positiven

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Elektrode 301 über eine isolierte Durchführungshülse 302 getrennt. Die Durchführungshülse 302 erstreckt sich, wie aus der Zeichnung deutlich hervorgeht, wesentlich über die Oberfläche der Batterie hinaus. (Auf den inneren Aufbau des Elements wird nicht im einzelnen eingegangen, da dies für ein vollständiges Verständnis der Erfindung nicht notwendig ist.) Die Durchführungshülse 302 besteht aus einem nicht leitenden Material, das die Eigenschaft aufweist, mit einem nicht leitenden, eine Einkapselung bildenden Epoxidharz 304 eine gegenüber einem Auslaufen oder Lecken dichte chemische Verbindung oder Verklebung herzustellen. In den Fig. 2 und 3 ist zum Zwecke einer deutlicheren Darstellung lediglich die halbe Batterie oder das halbe Element von der Epoxidumkapselung 304 eingeschlossen. Die Durchführungshülse 302 kann beispielsweise als Neoprengummi gebildet sein. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß die Durchführungshülse 302 noch weiter verlängert werden kann und daß sie auch andere Gestalten einnehmen kann, die eine noch größere Kontaktoberfläche liefern. Das dargestellte Beispiel und seine spezielle Größe sind daher lediglich erläuternd aufzufassen. (Eine weitere Ausführungsform wird weiter unten noch näher beschrieben.)

Zwischen der Durchführungshülse 3O2 und dem sie umgebenden Epoxidharz wird eine erheblich vergrößerte Oberfläche als Kontaktbereich erhalten. Das Epoxidharz 304 grenzt an die äußeren Oberflächen der Batterie und der Durchführungshülse an. Dieser große Kontaktbereich bewirkt eine dichte Verbindung bzw. Verklebung zwischen dem Epoxidharz, und der Durchführungshülse. Diese Verklebung bzw. Verbindung führt zur Ausbildung eines dichten Trennungsbereiches bzw. einer dichten Abdeckung über beiden Elektroden. Die innere über den Umfang ^! verlaufende Wandung der aus Neoprengummi bestehenden Durchführungshülse und

das in der Mitte angebrachte Epoxidharz bilden eine Abdeckung über der in ι

der Mitte gelegenen negativen Elektrode 303.* Der Außenrand der Durchführungshülse und das sich am Rand befindliche Epoxidharz bilden eine zweite Abdekkung über der positiven Elektrode 301.

Es versteht sich, daß das oben erwähnte Entlüften bzw. Nachaußentreten der Batterieelektrolyten einen hohen Druck erzeugt. Es wird angenommen, daß die

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hierbei in. diesen Taschen unmittelbar außerhalb "der Elektroden auftretenden

Drucke in einer Größenordnung von einigen Hundert kg/cm liegen (genauer ge-

sagt in einer Größenordnung von einigen Hundert von 70,3 kg/cm , d. h. in der Größenordnung von einigen Tausend psi). Falls der Druck auch für die erfindungsgemäße verbesserte Verbindung oder Verklebung zu groß wird, entsteht zumindest ein größerer Weg aufgrund der größeren Durchführungshülsen, der zu einem größeren Widerstandswert und zu einem kleineren Lecken führt, falls die leitende Flüssigkeit eine Verbindung zwischen den Elektroden herstellt. Die Erfindung löst somit das Problem eines Schrittmacher-Ausfalls, der auf ein rasches Versagen von einer der Zellen zurückzuführen ist, wenn ein großer Strompfad für einen Kriechstrom gebildet wird. Es wird angenommen, daß 20 bis 30 % der ausfallenden Schrittmacher aufgrund dieses ümstands versagen.

Im folgenden wird auf die Fig. 4 eingegangen. Fig. 4 zeigt eine Schaltung von einem Herzschrittmacher, dessen Stromversorgung von Batterien 403 gebildet ist. Die Strichlierung zwischen den einzelnen Zellen der Batterien 403 soll anzeigen, daß eine größere oder kleinere Anzahl von Batterien verwendet werden kann, wie im dargestellten Falle. Die Begrenzungslinie 402 soll die Außenfläche der vorstehend beschriebenen Epoxidumkapselung andeuten. Die Verbindung bzw. Verklebung zwischen diesem Epoxidharz und der Durchführungshülse 3O2 (die in Fig. 4 nicht dargestellt ist) liefert die verbesserte Abdichtung und ermöglicht somit eine größere Lebensdauer der Batterie.

Das Herz eines Patienten, das mit dem Bezugszeichen 405 angedeutet ist, be-findet sich außerhalb der Epoxidumhüllung. Dieses bzw. die dort angebrachte Erregerelektrode des Schrittmachers ist elektrisch mit der Schrittmacherschaltung 404 über Anschlußleitungen 406 und 407 verbunden. Eine Begrenzungslinie 401 soll die Hautoberfläche des Patienten andeuten, in deren Inneres das von der Epoxidumkapselung eingeschlossene Schrittmachersystem implantiert ist. Selbstverständlich kann nahezu jede Schrittmacherschaltung, die in der oben beschriebenen Weise verwendet werden kann, durch die erfindungsgemäß verbesserten Batterien versorgt werden. Bezüglich weiterer Einzelheiten von der-

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artigen Schrittmachern und Schrittmacherschaltungen wird auf die US-PS 3 528 428 sowie die US-PS 3 595 242 verwiesen, in denen die entsprechenden Einzelheiten dargestellt sind, die zur Vermeidung von Wiederholungen in der vorliegenden Anmeldung nicht nochmals ausführlich beschrieben wurden. Diese Patente beschreiben Herzschrittmacher, die sich zu einer Verwendung mit den erfindungsgemäß verbesserten Batterieelementen eignen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Eine negative Elektrode 503 ist von einer positiven Elektrode 501 durch eine kamnelierte bzw. geriefte bzw. geriffelte Durchführungshülse 502 getrennt. Diese geriffelte Durchführungshülse liefert einen noch größeren Oberflächenkontaktbereich zwischen der Durchführungshülse und dem Epoxidharz, als dies bei der in Fig. dargestellten zylindrischen Durchführungshülse der Fall ist, wenn sich die Durchführungshülse in beiden Fällen um den gleichen Betrag über die Oberfläche der Batterie hinaus erstreckt.

; Eine Verwirklichung der Erfindung ist noch in weiteren spezifischen Ausfüh- ; rungsformen möglich, ohne daß hierbei von der Grundidee abgewichen wird. So können auch beispielsweise externe tragbare Schrittmacher mit den erfindungsgemäßen Batterien versehen sein. Die beschriebenen Ausführungsformen sind daher als erläuternd und nicht als beschränkend zu verstehen.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Batterie für einen Herzschrittmacher eines Patienten, der mit dem Herz zu verbindende Anschlüsse enthält, sowie einen Impulsgenerator, der entsprechende Stimulationsimpulse an diesen Anschlüssen in vorbestimmten zeitlichen Abständen erzeugt und von einer Batterie versorgt wird, wobei die Batterie und der Impulsgenerator von einer Isolierung eingekapselt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie eine herausgeführte isolierte Durchführungshülse (3O2; 502) enthält, die zwischen einer positiven und einer negativen Elektrode (3O1, 501; 302, 502) der Batterie angebracht ist und für eine Isolierung der positiven und der negativen Elektroden voneinander dient, wobei die Durchführungshülse (302; 502) so ausgebildet ist, daß sie einen wesentlichen Oberflächenkontaktbereich zwischen der Durchführungshülse, und einer

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Isolierung (304) liefert, um eine Verbindung bzw.- Verklebung mit dieser Isolierung herzustellen, so daß flüssigkeitsdichte- Abdeckungen über den positiven und über den negativen Elektroden entstehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierung aus Epoxidharz besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Durchführungshülse (302; 502) aus Neopren besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie ein Quecksilber(II)-oxid-Zink-Element enthält.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und die Durchführungshülse in dem Bereich, in dem eine Berührung mit der Isolation besteht, zueinander konzentrische Zylinder sind (Fig. 2, 3).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 mit 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführungshülse (502) in dem Bereich, in dem .sie in Berührung mit der Isolierung tritt, eine geriffelte bzw. geriefte bzw. kannelierte Oberfläche aufweist,· (Fig. 5) .

7. Batterie, insbesondere für einen Herzschrittmacher, der diese von einem Epoxidharz eingekapselt enthält, wobei die Batterie aus einem chemischen. j Quecksilber(II)-oxid-Zink-Element besteht, sowie mit positiven und negativen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine verlängerte Neoprendurchführungshülse (302; 502) enthält, die zwischen den Elektroden (301, 303; 501, 503) angeordnet ist und sich eine wesentliche Strecke von den Elektroden hinweg erstreckt, um die Elektroden voneinander zu isolieren und um einen I
wesentlichen Oberflächenkontaktbereich zwischen der Durchführungshülse (3O2; 5o2) und des Epoxidharz (3o4) zu schaffen, so daß eine Verbindung bzw. Verklebung mit dem Epoxidharz entsteht, wodurch im wesentlichen gegen ein Auslaufen bzw. Lecken dichte Oberzüge über jeder der positiven und der negativen Elektroden gebildet werden. 509827/0919-