DE2613072B2

DE2613072B2 - Implantierbare Elektrode

Info

Publication number: DE2613072B2
Application number: DE2613072A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 8901 Biberbach Böder; Konrad Dr. 8520 Erlangen Mund; Gerhard Dr. 8520 Erlangen Richter; Erhard Dr. 8521 Spardorf Weidlich
Original assignee: Siemens AG; Sigri Elektrograhit GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1981-07-16
Also published as: SE7702778L; DE2613072C3; JPS6143067B2; DE2613072A1; FR2345170A1; FR2345170B1; US4773433A; SE430468B; JPS52118988A; US4917760A; IT1074380B

Description

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Elektrode, insbesondere eine Reizelektrode, mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff. Elektroden aus Glaskohlenstoff sind aus der US-Patentschrift 37 22 005 bekannt.

Reizelektroden, beispielsweise für Herzschrittmacher, bestehen im allgemeinen aus einer isolierten Kabelzuleitung und einem Elektrodenkopf zur Übertragung der Stimulationsimpulse. Die elektrische Stimulation des Herzens bei Reizleitungsstörungen setzt die Erzeugung einer bestimmten elektrischen Feldstärke an einer erregbaren Zellmembran voraus. Nach der Auslösung des Reizes breitet sich dieser selbsttätig über den ganzen Herzmuskel aus und führt zu dessen Kontraktion.

Zur Reizauslösung dient ein elektronischer Schrittmacher, der aus einem implantierbaren Elektronikteil mit einer Energieversorgungseinheit und einem Reizstromkreis mit einer Stimulationselektrode (Reizelektrode) und einer indifferenten Elektrode besteht. Während des Reizimpulses wird innerhalb von 0,5 bis 2 ms ein kleiner Kondensator über den Reizstromkreis teilweise entladen. In den Pausen zwischen den Impulsen wird der Kondensator aus der Energieversorgungseinheit, d. h. einer Batterie, wieder aufgeladen. Während des Impulses besteht im reizbaren Gewebe in der Nähe der Reizelektrode die zur Auslösung des Reizes erforderliche Feldstärke.

Die bislang üblichen Reizelektroden aus Platin oder einer Legierung aus 40 Teilen Kobalt, 20 Teilen Chrom, 16 Teilen Eisen, 15 Teilen Nickel, 7 Teilen Molybdän und 2 Teilen Mangan bewirken eine Degenerierung des angrenzenden Gewebes. Sie umgeben sich nämlich mit einer nicht reizbaren Bindegewebsschicht von etwa 0,5 bis 1 mm Dicke. Diese Bindegewebsschicht bildet sich etwa in einem Zeitraum von 2 bis 4 Wochen aus. Während dieser Zeit steigt dabei die Reizschwelle ständig an, d. h. zur Auslösung des Reizprozesses wird ein zunehmend größerer Strom benötigt; damit steigt auch die erforderliche Spannung an. Das reizbare Gewebe rückt sozusagen von der Elektrode ab und es muß deshalb — zur Erzeugung der gleichen Feldstärke — eine höhere Energie aufgebracht werden. Wenn der Kopf der Reizelektrode beispielsweise aus einer Halbkugel mit einem Radius von 1 mm besteht und sich um diese Reizelektrode eine Bindegewebsschicht von etwa 1 mm Dicke bildet, so steigt der Reizschwellenstrom um das Vierfache. Da die Spannung etwa im gleichen Ausmaß wächst, wird dann die erforderliche Leistung etwa 16 mal größer. Dies bedeutet, daß die Anforderungen an die Kapazität und die Spannung der Energiequelle in erheblichem Maße vom Gewebcwachstum an der Reizelektrode abhängea

Es ist auch bereits bekannt, als Elektrodenmaterialien ·, für Reizelektroden spektralreinen Graphit und Kohlenstoff zu verwenden. Derartige Elektroden haben aber dennoch nicht Eingang in die Praxis gefunden. Auch an der Oberfläche dieser Elektroden bildet sich nämlich eine dünne Bindegewebskapsel aus und darüber hinaus

in halten diese Elektroden den mechanischen Beanspruchungen im Herzen nicht stand. Der Abrieb und die Bruchgefahr sind vielmehr so groß, daß sie für die Humanimplantation auf die Dauer nicht geeignet sind. Wie eingangs bereits ausgeführt, sind auch Elektro-■> den aus Glaskohlenstoff bekannt Bei diesen Elektroden, die zur Stimulierung einer Muskeltätigkeit oder zur Abführung von elektrischer Energie, welche durch die Muskeltätigkeit im Körper von Wirbeltieren entsteht, dienen, sind aber die durch Elektrodenpolarisation

>n bedingten Energieverluste relativ hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff derart auszugestalten, daß sie auch im Langzeitbetrieb möglichst wenig Energie verbrauchen, und zwar sowohl

r, wegen einer geringen Reizschwellenerhöhung als auch wegen geringer Polarisationsverluste, dabei gleichzeitig aber eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff eine Oberfläche

in mit mikroporöser Struktur aufweist.

Glaskohlenstoff, der auch als glasartiger Kohlenstoff bezeichnet wird, erhält man durch Carbonisieren dreidimensional vernetzter Kunstharze, wie Phenolformaldehyd- oder Furanharze. Die dabei entstehenden

ü glasartigen Kohlenstoffstrukturen sind mikrokristallin und weisen nur äußerst kleine Bereiche graphitähnlicher Schichten auf. Implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff sind mechanisch äußerst stabil. Glaskohlenstoff ist nämlich sehr hart und

■to zeigt keinen Abrieb. Außerdem ist seine Oberfläche glasartig glatt und dadurch besonders gut gewebeverträglich, so daß bei seiner Verwendung als Elektrodenmaterial im Gewebe kaum eine Abkapselung durch Bildung von Bindegewebe erfolgt.

Bei der implantierbaren Elektrode nach der Erfindung ist der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff oberflächlich aktiviert. Unter einer aktivierten Oberfläche wird dabei eine Oberfläche mit mikroporöser Struktur verstanden, d. h. eine Oberfläche mit Poren, deren Durchmesser kleiner als 0,002 μπι ist.

Die Aktivierung des Elektrodenkopfes aus Glaskohlenstoff erfolgt im allgemeinen durch Oxidationsmittel, wie oxidierende Säuren, beispielsweise Salpetersäure. Ein wirksames Aktivierungsverfahren stellt auch die elektrochemische Oxidation dar. Besonders vorteilhaft wird jedoch Glaskohlenstoff eingesetzt, der in oxidierender Atmosphäre getempert wurde, wobei die Aktivierung vorzugsweise durch Erhitzen an Luft auf Temperaturen über 400⁰C erfolgt. Dabei kommt es zu einem geringfügigen Abbrand an der Oberfläche, der sich auf die elektrischen Eigenschaften außerordentlich vorteilhaft auswirkt. Die Aktivierung kann auch durch Erhitzen in einer Sauerstoff-, Wasserdampf- oder Kohlendioxidatmosphäre erfolgen, wobei die Aktivierungsdauer — ebenso wie beim Erhitzen an der Luft — bevorzugt weniger als 1 Stunde bei einer Temperatur von 400 bis 800⁰C beträgt.

Eine Aktivierung der Elektrodenoberfläche, wobei

die glatte Oberfläche makroskopisch erhalten bleibt, kann auch bereits bei der Herstellung der Elektrode vorgenommen werden. Dazu wird ein Rohling aus Kunstharz, aus dem der Elektrodenkopf hergestellt wird, vor der Pyrolyse in eine konzentrierte Lösung von , Polyacrylnitril in Zinkchlorid gejaucht Auf diese Weise entsteht beim Carbonisieren auf dem Elektrodenkopf eine sehr dünne Schicht aus mikroporösem Kohlenstoff mit Poren mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 0,0005 μπι. κι

Durch die Aktivierung des Glaskohlenstoffes können die Polarisations Verluste, die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Gewebe auftreten und die nicht zur Erhöhung der Feldstärke im angrenzenden reizbaren Gewebe beitragen, sehr niedrig gehalten werden, ι·> Auf diese Weise ist bei der vorgeschlagenen implantierbaren Elektrode sowohl eine geringe Abkapselung durch Bindegewebsbildung als auch ein geringer Energieverbrauch und damit verbunden ein gutes Dauerbetriebsverhalten gewährleistet, weil sich die Stromdichte der Reizschwelle während der Dauer der Implantation nicht erhöht

Infolge der glatten glasartigen Oberfläche des Glaskohlenstoffes könnte bei der vorgeschlagenen implantierbaren Elektrode möglicherweise die Gefahr 2^r> bestehen, daß die Haftung am Körpergewebe zu gering ist. Da die Oberfläche kaum Angriffspunkte für ein Festwachsen bietet, könnte die Elektrode nämlich zur Dislokation neigen, so daß eine sichere Dauerreizung nicht gewährleistet wäre. Zur sicheren Fixierung der jo Elektrode kann daher an der Kabelzuleitung in unmittelbarer Nähe des Elektrodenkopfes eine geeignete Halterung vorgesehen werden. Zur guten Fixierung der implantierbaren Elektrode kann aber auch der Elektrodenkopf selbst entsprechend ausgebildet wer- j-> den. Dazu wird der Glaskohlenstoff mit Schlitzen oder Löchern im Bereich etwa zwischen 50 und 500 μίτι, versehen, in die das Gewebe einwachsen kann. Da eine derartige Struktur nur schwer in den fertigen Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff eingearbeitet werden kann, wird sie zweckmäßigerweise bereits vor dessen Herstellung im Rohling vorgesehen. Dazu können in den Rohling Formkörper oder Fasern eingelagert werden, die bei der Pyrolyse abgebaut oder verdampft werden, wobei eine entsprechende Loch- bzw. Schlitzstruktur verbleibt. Zur Einlagerung kann beispielsweise Zink oder Polyäthylen verwendet werden. Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Zur Feststellung der Eignung der vorgeschlagenen implantierbaren Elektrode als Reizelektrode wurden verschiedene Elektroden im Oberschenkel von Katzen implantiert.

Eine Elektrode mit einem halbkugelförmigen Elektrodenkopf (Oberfläche: 0,08 cm²) aus nicht vorbehandeltem Glaskohlenstoff zeigt zu Beginn eine Reizschwellenspannung von 0,46 V bei einem Strom von 0,17 mA. Während einer Implantationsdauer von 30 Tagen bleiben diese Werte im Rahmen der Meßgenauigkeit konstant. Die Reizspannumr teilt sich dabei auf in einen ohmschen Verlust am körperwiderstand (800 bis 1000 Ω) und in einen Polarisationsverlust, der überwiegend an der Reizelektrode auftritt. Die Polarisationsverluste betragen dabei etwa die Hälfte bis zwei Drittel der gesamten Verluste. Bei einer Spannung von 5 V, wie sie bei herkömmlichen Herzschrittmachern erforderlich ist, würde es demnach an der Reizelektrode zu einer Gasentwicklung kommen, da die Polarisation ca. 2 bis 3 V beträgt und somit über der Zersetzungsspannung des Wassers liegen würde. Es würden sich deshalb Schwierigkeiten bei einer sicheren Fixierung der Reizeleklrode im Körper ergeben. Aufgrund der Tatsache, daß sich bei der vorgeschlagenen implantierbaren Elektrode aber allenfalls ein geringer Reizschwellenanstieg ergibt, wird bei ihrer Verwendung für einer, Herzschrittmacher nur noch eine Spannung von etwa 1 bis 2 V benötigt Die Zersetzungspannung von Wasser wird dabei also nicht mehr erreicht

Eine Reizelektrode mit einem Elektrodenkopf aus oberflächlich aktiviertem Glaskohlenstoff wurde in der Weise hergestellt, daß der Elektrodenkopf zunächst mit Schmirgelpapier bearbeitet und anschließend bei ca. 500°C in einem Quarzrohr unter Luftzutritt etwa eine halbe Stunde lang in einem Sinterschlitten geglüht wurde. Zur Kontaktierung diente, ebenso wie bei der Reizelektrode mit einem Eiektrodenkopf aus nicht vorbehandeltem Glaskohlenstoff, ein Silberdraht, der mit der Elektrode verklebt wurde. Die Elektrode weist ebenfalls einen halbkugelförmigen Elektrodenkopf mit einer Oberfläche von 0,08 cm² auf.

Unmittelbar nach der Implantation zeigt diese Reizelektrode einen Reizstrom von 0,15 mA. Nach vier Wochen beträgt der Reizstrom 0,16 mA. Die Reizspannung betrug jeweils 0,11 V. Die Reizschwelle ist demnach während der Dauer der Implantation unverändert geblieben.

Im Vergleich dazu zeigte eine käufliche Platin-Iridium-Reizelektrode anfangs zwar auch einen Reizschwellenstrom von 0,15 mA, nach 30 Tagen war dieser Wert aber bereits auf 0,42 mA angestiegen. Gleichzeitig erhöhte sich die Reizschwellenspannung von einem Anfangswert von 0,165 V auf 0,45 V. Während der Dauer der Implantation hatte sich eine Bindegewebsschicht von 0,6 mm Dicke gebildet.

Der Anstieg der Reizschwelle ist dabei jedoch nicht allein auf das Bindegewebswachstum zurückzuführen, wie anhand des folgenden Vergleichsversuches festgestellt wurde. Bei einer porösen Platin-Reizelektrode, die durch Sintern von Platinschwarzpulver bei 1450⁰C erhalten wurde, stieg nämlich die Reizschwelle innerhalb von 33 Tagen von 0,20 mA auf 0,39 mA, während die sich in diesem Zeitraum bildende Bindegewebsschicht lediglich eine Dicke von 0,2 mm aufwies. Aufgrund des Reizschwellenanstiegs hätte die Bindegewebsschicht aber eine Dicke von 0,5 bis 0,6 mm aufweisen müssen. Der Grund für diese Tatsache dürfte darin liegen, daß die Muskelzellen in der Nähe der Elektrode schon dann geschädigt werden, wobei sich diese Schädigung in einer erhöhten Reizschwelle äußert, ehe sie völlig zu Bindegewebe degeneriert sind. Eine entsprechende Schädigung tritt bei Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff offensichtlich aber nicht ein, wie sich aus der unveränderten Reizschwelle ergibt

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, daß implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus oberflächlich aktiviertem Glaskohlenstoff eine geringe Polarisation zeigen und sich deshalb in besonders hohem Maße zur Verwendung als Reizelektroden für Herzschrittmacher eignen. Da für den Reizvorgang infolge des geringen Reizschwellenanstiegs nämlich wenig Energie verbraucht wird, ist die Lebensdauer der Stromquelle hoch und sie kann auch klein ausgebildet werden. Die Elektroden umgeben sich ferner lediglich mit einer sehr dünnen Bindegewebshaut, so daß sich der Elektrodenkopf weiter verkleinern läßt, ohne daß es zu

einer stärkeren Polarisation kommt. Auf diese Weise wird der Energiebedarf weiter vermindert.

Neben der Verwendung als Reizelektrode für Herzschrittmacher kann die erfindun^sgemäße implantierbare Elektrode auch als Reizelektrode zur Muskel- und Nervenreizung verwendet werden. Darüber hinaus kann diese Elektrode beispielsweise aber auch zur Sauerstoffmessung im Körper dienen.

Claims

Patentansprüche:

1. Implantierbare Elektrode, insbesondere Reizelektrode, mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff eine Oberfläche mit mikroporöser Struktur aufweist

2. Implantierbare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Elektrodenkopfes aus in oxidierender Atmosphäre getempertem Glaskohlenstoff besteht.

3. Implantierbare Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Elektrodenkopfes aus in Luft auf eine Temperatur oberhalb 400⁰C erhitztem Glaskohlenstoff besteht