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Elektrodenzuleitung für einen implantierbaren Herzschrittmacher 8
Patentansprüche
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenzuleitung
für einen implantierbaren Herzschrittmacher, bestehend aus mehreren parallelen,
elektrisch leitfähigen schraubenförmigen Wendeln.
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Derartige Elektrodenzuleitungen dienen zum Uebertragen von elektrischen
Signalen zwischen dem in den Körper des Patienten implantierten künstlichen Herzschrittmacher
und einer im Herzen verankerten Elektrode. Da Herzschrittmacher leicht zugänglich
in der Nähe der Körperoberfläche angeordnet werden müssen, die Erfassung von Herzsignalen
bzw. Abgabe von Stimulationsimpulsen aber direkt am Herzmuskel erfolgen muß, wird
durch die Elektrodenzuleitung die entsprechende Entfernung im Körper zu überbrückt.
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Bei endokardialer Befestigung der Elektrode wird die Zuführung durch
eine Vene hindurch in die Herzkammer eingeführt, in der die Elektrode fixiert ist.
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Infolge der durch die Herztätigkeit hervorgerufenen Bewegungen ist
die Elektrodenzuführung fortgesetzten Zug- und Biegebeanspruchungen ausgesetzt,
der sie für die gesamte vorgesehene Betriebszeit des Herzschrittmachers standhalten
muß. Da durch die Weiterentwicklung der bei Herzschrittmachern verwendeten Energiequellen
und einer vergrößeren Zuverlässigkeit der elektrischen Bauelemente eine Betriebszeit
des Schrittmachers in der Größenordnung von zehn Jahren beim derzeitigen Stand der
Technik nicht ungewöhnlich ist, werden auch an die Haltbarkeit der Elektrodenzuleitungen
entsprechende Anforderungen gestellt.
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Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist es bekannt, ElektrQ-denzuleitungen
mehrwend21ig auszuführen, um auf diese Weise auch bei Bruch einer Wendel die leitende
Verbindung über mindestens ein verbleibende intakte Wendel aufrechtzuerhalten (US-PS
3 416 533). Bei den bekannten mehrwen-
deligen Elektrodenzuführungen
werden zum Erzeugen von Redundanz zwei oder mehr Wendeln parallel gewickelt, so
daß die beiden verschachtelten Wendeln den selben Außendurchmesser aufweisen.
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Es hat sich gezeigt, daß eine derartige mehrwendelige Elektrodenzuleitung
mit parallel gewickelten Leitern statistisch nicht eine entsprechend vergrößerte
mehrfache Sicherheit gegen Bruch aufweist, wie es bei der durch die Verwendung eines
Mehrfachsystems erzielten Redundanz zu erwarten wäre. Es wurde vielmehr festgestellt,
daß nach dem Bruch einer Wendel schon nach unverhältnismäßig kurzer Zeit der Bruch
einer weiteren Wendel auftritt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenzuleitung
der genannten Gattung anzugeben, bei der die Lebensdauererhöhung unter Belastung
statistisch durch die Wahrscheinlichkeit bestimmt wird, daß bei den verwendeten
mehreren Wendeln unter den vorgesehenen Belastungsbedingungen unabhängig voneinander
ein Bruch eintritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im Kennzeichen des
Hauptpatentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei zwei oder mehr
schraubenförmig gewickelten Drähten nach Bruch eines dieser Drähte die Federkonstante
der Zuleitung außerhalb der Bruchstelle erhalten bleibt, d.h. die gebrochene Wendel
nimmt durch Kraftschluß weiterhin Kräfte auf und trägt damit die auftretenden Belastungen
mit. Diese an und für sich günstige Eigenschaft wird aber dadurch zunichte gemacht,
daß an der Bruchstelle der Wendel die Zugkraft nur noch von den intakten Wendeln
aufgenommen werden kann, die infolgedessen einer erhöhten Zugbelastung
ausgesetzt
sind, worauf sie mit einer entsprechend größeren Dehnung reagieren. Da die Dauerfestigkeit
der verwendeten metallischen Werkstoffe hinsichtlich der im Hinblick auf einen Dauerbruch
zulässigen Materialbeanspruchung in Abhängigkeit von der Lastwechselzahl aber den
durch die Wöhlerkurve charakterisierten Verlauf hat, führt die erhöhte Dehnung der
verbleibenden Wendel(n) bereits nach einer kleinen Zahl von weiteren Lastwechseln
zum Bruch.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Elektrodenzuleitung
zeichnet sich dadurch aus, daß die mehreren parallelen Wendeln hinsichtlich ihrer
Dehnung bei von außen aufgebrachten Zugkräften in Längsrichtung ein übereinstimmendes
Verhalten zeigen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Kräfte gleichmäßig
auf die einzelnen Wendeln verteilt werden, so daß die Wahrscheinlichkeit für den
Bruch einer der Wendeln ein Minimum ist.
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Dabei ist es weiterhin günstig, die einzelnen Wendeln so auszubilden,
daß das Verhältnis des Quadrates des Wicklungsdurchmessers zum Windungsdurchmesser
für alle Wendeln im wesentlichen konstant ist. Dieser Wert sollte zudem möglichst
groß sein. Dasselbe gilt für die Anzahl der Windungen pro Länge. Die Federkonstante
sollte dagegen möglichst klein gewählt werden, so daß sich eine in ihrem elastischen
Verhalten insgesamt weiche Elektrode ergibt.
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Um die Eigenschaften der Elektrodenzuleitung hinsichtlich der Unabhängigkeit
der Wendeln voneinander zu erhöhen, können die inneren Wendeln jeweils zusätzlich
durch einen Kunststoffschlauch ummantelt sein, wie er für die äußere Wendel aus
Isolationsgründen ohnehin erforderlich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrodenzuleitung
ist in der einzigen Figur im Schnitt dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
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Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Elektrodenzuleitung gibt einen Längenausschnitt derselben wieder. Es umfaßt eine
innere Wendel 1 und eine äußere Wendel 2, die an den - nicht dargestellten - Leitungsenden
fest miteinander verbunden sind. Diese Verbindung bezieht sich sowohl auf den Kraftverlauf
als auch auf die elektrische Kontaktierung. Die innere Wendel 1 weist den Windungsdurchmesser
D1 und den Drahtdurchmesser dl auf. Der Windungsdurchmesser der äußeren Wendel beträgt
D2 und ihr Drahtdurchmesser d2.
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Als Werkstoff für den Wendeldraht kommt beispielsweise die Legierung
Elgiloy oder Protasul bzw. Platin-Iridium in Frage. Das Äußere der Wendel ist zur
Isolation gegenüber der Körperflüssigkeit mit einem Ueberzug 3 versehen, der im
dargestellten Ausführungsbeispiel aus Silikonkautschuk besteht.
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Die Durchmesser der beiden Wendeln sind gemäß der Erfindung so gewählt,
daß die innere Wendel innerhalb der äußeren derart frei beweglich ist, daß sich
beide Wendeln in ihrem Dehnungsverhalten an die von außen auf ihre Enden wirkenden
Kräfte anpassen können, ohne daß infolge Kraftschlusses zwischen den beiden Wendeln
wesentliche, die Langzeitfestigkeit der Wendeln beeinflussenden Kräfte übertragen
werden. Derartige die Dauerfestigkeit beeinflussende Kräfte sind solche, die örtliche
Dehnungen hervorrufen, welche in der Wöhlerkurve die Zahl der von der Wendel ertragenen
Lastwechsel auf einen niedrigeren, endlichen Wert begrenzen, der die wahrscheinliche
Lebensdauer der Elektrode unzulässig einschränken würde.
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Damit ist gewährleistet, daß, wenn eine der Wendeln bricht, die von
den Enden her ausgeübte Kraft nur von der (oder den) verbleibenden Wendel(n) übernommen
wird, welche
auf die von außen wirkende Kraft durch eine Dehnung
reagieren, die sich über ihre gesamte Länge erstreckt und soweit erfolgt, bis zu
den äußeren Kräften ein Gleichgewichtszustand hergestellt ist. Da die Federkonstante
durch den Bruch einer Wendel herabgesetzt ist, ist die Dehnung bei gleicher aufgebrachter
Kraft im Vergleich zur intakten Zuleitung vergrößert, kann aber - bei entsprechender
Dimensionierung, wieder unter Berücksichtigung der Wöhler-Kurve - so begrenzt werden,
daß auch in diesem geschädigten Zustand noch eine ausreichend große Zahl von Lastwechseln
ertragen wird. Diese Unabhängigkeit der Wendeln ist auch bei Biegebeanspruchungen
gegeben, da die Biegeradien, welche noch keine die Wendeln einzeln direkt schädigende
Knickung darstellen, die Kräfte im wesentlichen in Längsrichtung auftreten und somit
auch der erforderliche Längenausgleich der Wendeln untereinander stattfinden kann.
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Um im ungeschädigten Zustand der Wendeln einen Bruch möglichst auszuschließen,
sind die Federkonstanten der Wendeln übereinstimmend gewählt, so daß sie die in
Längsrichtung wirkenden Kräfte zu gleichen Teilen aufnehmen. Bei bevorzugterweise
gleichem Werkstoff für alle Wendeln wird das Verhältnis des Quadrates des Windungsdurchmessers
D zum Drahtdurchmesser d konstant gewählt. Dabei wird angestrebt, die Anzahl der
Windungen pro Länge auch für die äußeren Wendeln dem für die inneren Wendeln gewählten
Wert anzunähern.
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Dadurch, daß zwischen der inneren und der äußeren Wendel beim dargestellten
Ausführungsbeispiel ein zusätzlicher Freiraum besteht, ist eine weitere Sicherheit
gegeben, die Unabhängigkeit der Bewegung der Wendeln auch bei Längskrümmungen der
Zuleitung zu gewährleisten. Ein die innere Wendel umgebender elastischer Mantel
4 aus Silikonkaut-
schuk verringert die Reibung zwischen äußerer
und innerer Wendel in Längsrichtung, so daß die innere und äußere Wendel 1 bzw.
2 nicht nach Art eines Gewindes ineinandergreifen, sondern Ausgleichsbewegungen
in Längsrichtung bei kleinen Reibungskräften nahezu ungehindert ausführen können.
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Die Wendeln sind im übrigen so bemessen, daß das Verhältnis D2 zu
d, also das Quadrat des Windungsdurchmessers zum Drahtdurchmesser, groß ist. Das
selbe gilt für die Anzahl der Windungen pro Länge der Zuleitung. Damit ergeben sich
insgesamt weiche Wendeln, bei denen die unter Belastung auftretenden Dehnungen ein
Minimum sind, so daß die Dauerfestigkeit für die einzelnen Wendeln allein bereits
schon einen großen Wert annimmt. Der Schubmodul des Werkstoffs ist klein gewählt,
so daß auch diese Bemessung zu einem weichen Charakter der Elektrode beiträgt.
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Um die Redundanz - und damit die Betriebssicherheit - der Elektrodenzuleitung
weiter zu erhöhen, können im - Gegensatz zum dargestellten Ausführungsbeispiel -
auch mehr als zwei parallele Wendeln vorgesehen werden, wobei es nicht erforderlich
ist, daß alle Wendeln im wesentlichen zueinander koaxial verlaufen, sondern es kann
auch eine Wendel jeweils mehrere nebeneinander angeordnete umschließen.
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Zeichnung:
L e e r s e i t e