DE3010754A1

DE3010754A1 - Biomedizinische elektrode

Info

Publication number: DE3010754A1
Application number: DE19803010754
Authority: DE
Inventors: Franklin C Larimore
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1979-03-21
Filing date: 1980-03-20
Publication date: 1980-10-02
Also published as: FR2451747B1; JPH0175408U; IT1131006B; GB2045088B; AU538413B2; IT8020791A0; AU5662180A; CA1152570A; GB2045088A; FR2451747A1

Description

Biomedizinische Elektrode

Die vorliegende Erfindung betrifft vielfach als "biomedizinische Elektroden" bezeichnete Wegwerfelektroden zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Haut der menschlichen Anatomie und einem elektromedizinischen Gerät wie beispielsweise einem Elektromyograph hoher Impedanz, einem Elektrokardiographen,einem elektrischen Neurostimulator für die Schmerzbefreiung und dergleichen. Insbesondere betrifft sie sogenannte "trockene" Bioelektroden, die ohne unsaubere Kremes oder Gels zur Verbesserung der Leitfähigkeit zwischen der Haut und dem Elektrodenbelag eingesetzt werden können.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl biomedizinischer Wegwerfelektroden bekannt. Im allgemeinen handelt es sich dabei uir. eine Elektrodenplatte aus Metall, an die ein Zuleitungsdraht angeschlossen werden kann, der seinerseits an das elektromedizinische Gerät angeschlossen wird. Typischerweise wird eine Paste, eine Kreme oder ein Gel mit ionischem Material eingesetzt, um den elektrischen Strom zu leiten und die elektrische Verbindung zwischen der Haut des Patienten und der Elektrodenplatte zu verbessern. Die gesamte Anordnung wird üblicherweise mit einem Stück Klebeband auf der Haut festgelegt. Beispiele derartiger Elektroden sind in den US-PSn 3 587 565 und 3 805 769 beschrieben.

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Die leitfähigen Pasten, Kremes oder Gele, die für diese biomedizinischen Elektroden des Standes der Technik verwendet werden müssen, sind im Einsatz unangenehm, unsauber und können oft die Haut reizen, insbesondere, wenn man die Haut vor dem Aufbringen der Elektrode säubern und anschleifen muß. Da alle diese Elektroden Wasser als Hauptbestandteil zum Solvatieren der vorliegenden Ionen und als Medium enthalten, durch das die solvatierenden Ionen wandern, müssen sie sorgfältig und umständlich verpackt werden, damit das Wasser vor der Verwendung nicht entweicht. Weiterhin lassen sie auf der Haut nach dem Entfernen der Elektrode Rückstände zurück, die entfernt werden müssen. Ein weiterer Nachteil dieser Elektroden mit leitfähigen Pasten, Kremes oder Gelen ist, daß sie bei der Defibrillation ein Überpotential erzeugen können, sofern die Oberfläche der Elektrodenplatte nicht aus teurem Silber/ Silberchlorid besteht.

Um viele der Schwierigkeiten zu überwinden, die die sogenannten "nassen" Elektroden aufwerfen, hat man biomedizinische Elektroden mit einteilig angeformten Metallschnappverbindern vorgeschlagen, die ein "trockenes" Leitmaterial verwenden. Die US-PSn 4 008 821 und 3 911 906 offenbaren biomedizinische Elektroden mit Klebemitteln, die mit leitfähigen Teilchen durchtränkt sind. Diese Klebemittel dienen dem zweifachen Zweck, die Leitfähigkeit zur Haut zu verbessern und die Elektrode auf der Haut festzulegen. Obgleich bei ihnen die Unsauberkeit und die Verpackungsproblerne der Gele und Pasten vermieden sind, kann man mit diesen Elektroden im allgemeinen keinen zufriedenstellenden elektrischen Anschluß zur Haut herstellen, da der leitfähige Füllstoff einen hohen Rauschanteil bewirkt und die Haftung beeinträchtigt. Im allgemeinen verursachen, wie sich herausgestellt hat, nichthomogene leitfähige

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Ansätze in Bioelektroden verrauschte elektrische Signale. Vermutlich bilden die in einer Bindemittelmatrix dispergierten Metall- oder Salzteilchen diskontinuierliche elektrisch leitfähige Pfade, die zwischen den Teilchen regellose ungleichmäßige Felder erzeugen, die ihrerseits das Rauschen verursachen.

Ein weiterer Nachteil der meisten Wegwerfelektroden des Standes der Technik sind ihre verhältnismäßig hohen Kosten, die zum größten Teil durch den Metall-Schnappverbinder verursacht werden. Da der Verbinder permanent an der Elektrode befestigt ist, muß er nach einer Verwendung zusammen mit der Elektrode weggeworfen werden.

Die biomedizinische Elektrode nach der vorliegenden Erfindung bietet mehrere Vorteile gegenüber den oben beschriebenen Elektroden. Die vorliegende Elektrode eliminiert infolge ihres trockenen Leitmaterials die unsauberen Gele, Kremes oder Pasten. Weiterhin kann man die biomedizinische Elektrode nach der vorliegenden Erfindung mit geringerem Kostenaufwand herstellen, da bei ihr der starre Schnappverbinder entfällt, der integraler Bestandteil der Elektroden nach dem Stand der Technik war, und stattdessen ein flexibler wiederverwendbarer Verbinder vorgesehen ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine biomedizinische Elektrode mit einem an den Körper anpassungsfähigen und elektrisch leitfähigen streckbaren Zwischenelement mit einer klebfähigen Oberseite und einer unteren Körperkontaktfläche, mit der sie auf die Kaut aufgeklebt werden kann. Um die Elektrode an ein elektromedizinisches Gerät anzuschließen, ist ein an den Körper anpassungsfähiger, elektrisch leitfähiger einteiliger Verbinder mit einem im wesentlichen flachen Teil zur Impulsvertei-

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lung bzw. -aufnahme vorgesehen, dessen Unterseite lösbar auf der Oberseite des Zwischenelernents haften kann. Ein Stützelement ist auf die Oberseite des Zwischenelements vorzugsweise aufgeklebt, um die mechanische Festigkeit der Elektrode zu verbessern. Das Stützelement kann lösbar über einen größeren Teil des Verbinders verlaufen, um diesen auf dem Zwischenelement festzulegen, in welchem Fall ein seitlicher Zugang zur Verbindung mit dem elektromedizinischen Gerät vorliegt, oder das Stützelement kann mit einem Loch ausgeführt sein, durch das hindurch die gesamte Oberfläche des Verbinders offenliegt.

Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden:

Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung der biomedizinischen Elektrode nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt durch die Elektrode der Fig. 1 auf der Ebene 2-2;

Fig. 3 ist eine Perspektivdarstellung des Zwischenelements und des auf ihm aufgebrachten Stützelements der biomedizinischen Elektrode nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung der biomedizinischen Elektrode der Fig. 3 auf der Ebene 4-4;

Fig. 5 ist eine Perspektivdarstellung einer alternativen Ausführungsform der Elektrode nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Teilseitendarstellung der Elektrode der Fig. 5;

Fig. 7 ist eine Stirnansicht der Elektrode der Fig. 6; Fig. 8 ist eine Seitenansicht einer zweiten Alternativ-

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ausführung der Elektrode nach der vorliegenden Erfindung.

In der Zeichnung, in deren Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, zeigt insbesondere die Fig. 1 eine biomedizinische Elektrode 10 aus einem einteiligen elektrisch leitfähigen wiederverwendbaren Verbinder 16 und einem körperanpassungsfähigen, elektrisch leitfähigen Zwischenelement 11 mit einer Oberseite und einer unteren Körperauflagefläche, die haftend auf die Haut aufgebracht werden kann.

Das Zwischenelement 11 hat vorzugsweise eine Dehnbarkeit entsprechend der der Haut. "Dehnbarkeit" soll hier die Fähigkeit bezeichnen, sich unter einer Kraft in beliebiger Richtung auf eine der menschlichen Haut entsprechende Weise zu dehnen. Die Haut ist sehr dehnbar und dehnt sich bei normalen Aktivitäten um 20 bis 30 %, falls erforderlich auch bis zu 50%. Die Haut ist auch elastisch, so daß sie nach dem Wegfall der Spannkraft in den ungedehnten Zustand zurückkehrt. Das bevorzugte Zwischenelement 11 besteht aus einem Träger 12, der mit einem elektrisch leitfähigen Kleber 13 beschichtet ist. Der Trägerteil 12 kann auch aus einer Matte aus aneinanderheftenden getrennten Fasern bestehen, beispielsweise einer nichtgewebten Bahn, die sich an den Körper anpassen und dehnen kann. Die Fasern können aus Polyester, Nylon oder einem Cellulosederivat bestehen - beispielsweise Kunstseide (Rayon), Papier usw. Der Trägerteil 12 kann auch gewebt sein, wenn die Webart die erforderliche Dehnbarkeit und Tränkung mit dem Kleber zuläßt. Die Fähigkeit der gewebten oder nichtgewebten Struktur, sich mit einem leitfähigen Kleber tränken zu lassen, erlaubt dem Kleber 13, den elektrischen Impuls gleichmäßig über das Zwischenelement 11 verteilt zu leiten. Es hat sich unerwarteterweise herausgestellt, daß für bestimmte Elektrodenarten (bei-

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spielsweise Empfangselektroden) der Trägerteil 12 aus einer Folie wie beispielsweise aus Cellophan hergestellt werden kann. Das bevorzugte Material für den Trägerteil 12 ist das Papierfasertuch ("tissue") "Crystex" der Fa. Crystal Paper Co., Middletown, Ohio, V. St. A.. Der Trägerteil· 12 vermittelt dem Aufbau eine gewisse mechanische Festigkeit und kann entfallen, wenn die leitfähige Kleberschicht B fest und dehnbar genug ist, um im Einsatz die Integrität des Aufbaus aufrechtzuerhalten.

Eine Gruppe von Klebern, die, wie sich ergeben hat, diese Eigenschaften aufweisen, sind die weichgemachten Naturgummis wie beispielsweise Karaya-, Carageneen- und Guargummi.

Der Kleber 13 sollte nicht nur elektrisch leitfähig sein, sondern auch klebrig genug sein, um lösbar an sowohl der Haut als auch dem wiederverwendbaren Verbinder 16 zu haften.

Der bevorzugte Kleber 13 besteht aus einem 75:25%igen Butylacrylat-Acrylsäure-Mischpolymerisat, das zu 95 Mol-% mit Methyldiäthanolamin neutralisiert ist, dem 20 Teile/ΊΟΟ Teile Mischpolymerisat und 30 Teile/100 Teile Mischpolymerisat aus einem wasserlöslichen Weichmacher bzw. einem wasserlöslichen Klebrigmacher hinzugegeben werden, wie in der US-PS 3 065 beschrieben. Die resultierende Kleberzusammensetzung wird vorzugsweise beidseitig auf das Trägergewebe zu 9,2ug/cm² (Trokkengewicht) aufgetragen, um das Zwischenelement 11 auszubilden .

Für die Zwischenelemente nach der vorliegenden Erfindung lassen sich jedoch auch andere Polyir.erisatkleber wie beispielsweise die der US-PS 4 125 110, 4 066 078, 4 067 342, 3 911 906, 4 054 714 und 3 994 302 einsetzen.

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Wahlweise läßt sich auf die Oberseite des Zwischenelements ein Stützelement 14 aufbringen, das in den Ausführungsformen der Fig. 1-4 ein Loch 15 enthält, durch das hindurch die Oberseite des Zwischenelements 11 zugänglich ist. Das Stützelement 14 erhält die Integrität des Zwischenelements 11, indem es dessen gesamte Oberfläche mit Ausnahme des Lochs bedeckt, wenn die biomedizinische Elektrode 10 auf den Träger aufgebracht worden ist. Das Stützelement 14 muß dehnbar genug sein, um sich dem Zwischenelement 11 anpassen zu können, nachdem die Elektrode 10 auf den Träger aufgetragen worden ist. Das bevorzugte Material für das Stützelement 14 ist ein Vinylschaumband, das unter der Bezeichnung "Microfoam Tape" von der Fa. 3M Company, St.Paul, Minnesota 55101, V. St. A. vertrieben wird. Andere geeignete Materialien sind ein komprimierter Polyurethanschaum der Handelsbezeichnung "Scott Feit" der Scott Foam Division der Fa. Scott Paper Company, Eddystone, Pennsylvania, oder ein geschlossenzelliger Polyäthylenschaum, der unter der Bezeichnung "Volara" von der Fa. Voltex Corporation, Lawrence, Massachusetts, angeboten wird.

Das Stützelement 14 kann entfallen, so daß man eine biomedizinische Elektrode aus dem Zwischenelement 11 sowie einem an den Körper anpassungsfähigen wiederverwendbaren Verbinder 16 (unten erläutert) erhält. Bei diesem Alternativaufbau bedeckt der Verbinder 16 vorzugsweise die gesamte Oberseite des Zwischenelements 11 wegen der erhöhten Wahrscheinlichkeit, daß Fremdkörper und -stoffe an der Oberseite des Zwischenelements 11 haften bleiben.

Für die vorliegende Erfindung verbindet ein wiederverwendbarer, elektrisch leitfähiger einteiliger Verbinder 16, der sich an den Körper anpassen kann, das Zwischenelement 11 mit dem elektromedizinischen Gerät. Der wiederverwendbare Verbinder

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16 besteht aus einem im wesentlichen flachen, elektrische Impulse verteilenden bzw. aufnehmenden Teil mit einer flachen Unterseite, die in das Loch 15 des Stützelements 14 in elektrischem Kontakt mit dem Zwischenelement 11 paßt. Der Verbinder 16 ist auch mit einer Oberseite mit einem Adapter 18 zum Anschluß an die Verbinderzuleitung des elektromedizinischen Geräts (nicht gezeigt) versehen. Der Verbinder ist vorzugsweise aus einem mit Kohlenstoff imprägnierten Silikongummi (SE 7600 der Fa. General Electric Company, Waterford, New York, V. St.A.) hergestellt; andere geeignete, mit Kohlenstoff imprägnierte Polymerisatmaterialien sind u.a. weichgemachtes Polyvinylchlorid, Epichlorhydringummi, Polyurethan-Gießmasse, Polytetrafluoäthylen sowie ein Polymerisat aus ivthylen-Propylen-Dien (beispielsweise EPDM-Gummi).

Wie die Fig. 4 zeigt, kann wahlweise eine Abdeckfolie 17 auf die Unterseite des Zwischenelements 11 aufgebracht sein, um dessen Klebeeigenschaften bis zum Einsatz aufrechtzuerhalten. Derartige Abdeckfolien sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Zum Einsatz der biomedizinischen Elektrodenanordnung nach der vorliegenden Erfindung wird die Abdeckfolie 17 entfernt und die Elektrode auf die gewünschte Oberfläche der Haut aufgebracht. Bevor man die Elektrode auf die Haut aufbringt, kann man die Haut oder die Unterseite des Zwischenelements 11 mit Wasser benetzen, um die Haftung und Leitfähigkeit des Klebers zu optimieren. Der Verbinder, den man zuvor an die Zuleitung des elektromedizinischen Geräts angeschlossen hat, wird dann lösbar auf die Oberseite des Zwischenelements 11 durch das Loch 15 hindurch aufgebracht. Wenn die Überwachung bzw. Stimulation beendet ist, wird der Verbinder abgenommen und aufbewahrt, während der wegwerfbare Teil aus dem Zwischenelement 11 und deir. daran angebrachten Stützelement 14 weggeworfen werden kann.

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Die Fig. 5-9 zeigen alternative Ausführungsformen 20 und 30, die voll im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Die alternativen Ausführungsformen 20, 30 bestehen ebenfalls aus einer wahlweisen Abdeckfolie 17, einem Zwischenelement 11 und einem wahlweisen Stützelement 14A. Die Verbinder 21, 31 der Ausführungsformen 20 bzw. 30 ist ebenfalls einteilig ausgeführt und hat Mittel zum Anschluß an ein elektromedizinisches Gerät 18 sowie einen flachen Teil zum Verteilen bzw. Empfangen elektrischer Impulse, der den elektrischen Kontakt zum Zwischenelement 11 herstellt.

Die Verbinder 21, 31 unterscheiden sich vom Verbinder 16 der Elektrode 10 dahingehend, daß sie länglich, nicht rund sind. Es hat sich erwiesen, daß in bestimmten Einsatzsituationen infolge einer Bewegung des Patienten der Verbinder 16 der Ausführung 10 sich unter Umständen vom Zwischenelement 11 lösen kann. Indem man einen Teil des Stützelements 14A über die Oberseite des Verbinders 21, 31 führt, läßt dieses Problem sich im wesentlichen beseitigen.

Um das Aufbringen des Verbinders 21, 31 zu erleichtern, kann man eine zusätzliche, beidseitig beschichtete Abdeckfolie (nicht gezeigt) zwischen einen Teil des Stützelements 14 und das Zwischenelement 11 einbringen. Diese doppelseitig beschichtete Abdeckfolie kann dann entfernt und der Verbinder 21 bzw. 31 auf das Zwischenelement 11 aufgebracht werden, wie in Fig. bzw. 8 gezeigt. Das Stützelement 14A wird so angeordnet, daß es lösbar an mindestens einem Teil der Oberseite des Verbinders 21 bzw. 31 und des Zwischenelements 11 haftet, um eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Verbinder 21 bzw. und den Zwischenelement 11 zu gewährleisten. Dabei kann die Elektrode 20 auch so angeliefert werden, wie sie die Fig. 5 zeigt, und man kann den Verbinder, falls erwünscht, zur späteren Wiederverwendung nach dem erstmaligen Einsatz abnehmen.

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Claims

MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY

3M Center, Saint Paul, Minnesota 55101, V. St. A.

Patentansprüche

/%-. Trockene bioir.edizinische Elektrode zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Epidermis der Haut eines Säugetiers und einem externen elektromedizinischen Gerät, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitfähiges Zwischenelement (11), das sich an den Körper anpassen kann und eine haftfähige Oberseite und eine auf der Haut haftfähige untere Körperkontaktfläche aufweist, die durch ein auf die Oberseite des Zwischenelements (11) aufgebrachtes Stützelement (14), das ein Loch (15) enthält, durch das das Zwischenelement (11) zur Herstellung des elektrischen Kontakts zugänglich ist, und durch mindestens einen elektrisch leitfähigen und einteiligen Verbinder (16), der sich dem Körper anpassen kann und einen im wesentlichen flachen Teil zur Aufnahme bzw. Verteilung elektrischer Impulse aufweist, dessen flache Unterseite in das Loch

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(15) des Stützelements (14) in elektrischem Kontakt mit dem Zwischenelement (11) paßt und dessen Oberseite eine Einrichtung zum Anschluß eines elektromedizinischen Geräts aufweist, wobei der Verbinder (16) lösbar auf der Oberseite des Zwischenelements (11) haftet.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement (11) aus weichgemachtem Naturgummi besteht.
3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement (11) einen Trägerteil (12) mit einem elektrisch leitfähigen Kleber (13) auf der Oberseite und der den Körper berührenden Unterseite aufweist.
4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil (12) aus einem nichtgewebten Bahnmaterial besteht.
5. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil (12) aus einer Cellophanfolie besteht.
6. Trockene biomedizinische Elektrode zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Epidermis der Haut eines Säugetiers und einem externen elektromedizinischen Gerät, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitfähiges Zwischenelement (11), das sich an den Körper anpassen kann und eine haftfähige Oberseite und eine auf der Haut haftfähige untere Körperkontaktfläche aufweist, und durch mindestens einen elektrisch leitfähigen einteiligen Verbinder (16), der sich an den Körper anpassen kann und einen im wesentlichen flachen, elektrische Impulse verteilenden bzw. aufnehmenden Teil mit einer flachen Unterseite, die in elektrischen Kontakt mit

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dem Zwischenelement (11) gebracht werden kann, sowie eine Oberseite mit einer Einrichtung aufweist, an der eine Verbindung zu dem elektromedizinischen Gerät hergestellt werden kann, wobei der Verbinder lösbar an der Oberseite des Zwischenelements (11) haftend anbringbar ist.
7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Verbinder (16) aus einem mit Kohlenstoff imprägnierten Polymerisatmaterial aus der aus Silicongummi, weichgemachtem Polyvinylchlorid, Epichlorhydringummi, Polytetrafluoräthylen oder einem Polymerisat von Äthylen-Propylen-Dien bestehenden Gruppe gewählt ist.
8. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement (11) einen Trägerteil aufweist, der auf der Oberseite und der den Körper berührenden Unterseite mit einem elektrisch leitfähigen Kleber (13) beschichtet ist.
9. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stützelement (14) lösbar haftend mit dem Verbinder (16) und mindestens einem Teil der Oberseite des Zwischenelements

(11) verbunden ist.
10. Elektrode zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Epidermis der Haut eines Säugetiers und einem externen elektromedizinischen Gerät, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitfähiges Zwischenelement (11) mit haftfähiger Oberseite und einer auf die Haut haftend aufbringbaren unteren Körperkontaktseite, durch einen elektrisch leitfähigen einteiligen Verbinder (21 oder 31), der sich an den Körper anpassen kann und einen im wesentlichen flaachen, elektrische Impulse verteilenden bzw. aufnehmenden Teil mit einer flachen Unterseite, die in elektrischen Kon-

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takt mit dem Zwischenelement gebracht werden kann, und einer Oberseite aufweist, auf der eine Einrichtung zum Anschluß des elektromedizinischen Geräts vorgesehen ist, wobei der Verbinder lösbar haftend auf der Oberseite des Zwischenelements (11) aufgebracht ist, und durch ein auf dem Verbinder (21 oder 31) und auf mindestens einem Teil der Oberseite des Zwischenelements lösbar haftend aufbringbares Stützelement (14A), so daß der Verbinder (21 oder 31) in elektrischem Kontakt mit dem Zwischenelement (11) gehalten wird.

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