DE3628652A1 - Elektrode fuer einen lebenden koerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine Elektrode für einen lebenden Körper, die zweckmäßigerweise bei einem Defibrillator, also einem medizinischen Gerät zur Therapie des Herzkammerflimmerns, einem Elektrocardiograph u. ä. verwendet wird.

Bislang wurde bei der Katheter-Inspektion des Herzens ein Katheter in ein Blutgefäß des Patienten eingesetzt und nach dem Einspritzen eines Kontrastmittels ein Röntgenbild aufgenommen. Dabei traten beim Patienten Aufregungszustände auf, die zu Herzkontraktionen führen, welche mehr als 15 bis 30 Sekunden anhielten. Wenn diese Herzkontraktionen lang genug anhalten, dann wird die Blutversorgung reduziert und dies kann zu einer Beschädigung von Gehirnzellen usw. führen. Man hat daher mit einem Defibrillator Hochspannungsstöße von 3000 bis 5000 Volt an das Herz gelegt, um das Herzflimmern zu unterdrücken.

Der bekannte Defibrillator hat die Form eines Kastens mit einem Handgriff als oberem Teil und der Elektroschock wird dadurch angelegt, daß man den Elektrodenteil, der sich auf der Unterseite des Kastens befindet, im Herzbereich des Patienten andrückt.

Bei der Verwendung des bekannten Defibrillators ist es jedoch notwendig, diesen immer wieder aufzusetzen, wenn Herzrhythmusstörungen einsetzen, was lästig ist, außerdem besteht ständig die Sorge, daß man ihn zu spät einsetzt.

Es gibt Fälle, in denen eine Elektrode vorübergehend auf den Körper angebracht wurde, beispielsweise wenn ein Elektrocardiogramm während des Röntgens gemacht wurde. Da die bekannte Elektrode jedoch aus Metall besteht und keine Röntgenstrahlen durchläßt, stellt sie beim Röntgen ein Hindernis dar.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Elektrode für einen der zuvor erwähnten Anwendungsfälle zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß die ganze Elektrode für Röntgenstrahlung transparent gemacht werden kann, wenn das Elektrodensubstrat aus porösem Material gestaltet wird, das im wesentlichen aus kornförmigem oder faserigem Kohlenstoff besteht oder aus flexiblem und porösem Material hergestellt ist, das im wesentlichen aus Kohlenfasern besteht.

Das poröse Elektrodensubstratmaterial ist gemäß Erfindung mit einer Elektrolytlösung imprägniert.

Das Material des Elektrodensubstrats ist porös und gegebenenfalls flexibel und besteht aus teilchenförmigem oder faserigem Kohlenstoff.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1A und 1B einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel; wobei
Fig. 1A die Elektrode mit einem Elektrodensubstrat aus porösem Material bestehend aus teilchenförmigem oder faserigem Kohlenstoff, und
Fig. 1B die Elektrode mit einem Elektrodensubstrat aus flexiblem und porösem Material bestehend aus faserigem Kohlenstoff darstellt;

Fig. 2A und 2B die Seitenansicht und Draufsicht auf einen Hauptteil des Elektrodensubstrats des in Gebrauch befindlichen Defibrillators;

Fig. 3A eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung der Verbindung der Elektrode und des Leiters nach einem Ausführungsbeispiel;

fig. 3B eine perspektivische auseinandergezogene Darstellung der Verbindung von Elektrode und Leiter nach einem anderen Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Elektrode; und

Fig. 5 eine Darstellung der Flexibilität der flexiblen Platte.

Die Fig. 2A und 2B zeigen einen Defibrillator mit einem Hochspannungsteil 1; zwei Elektroden 2 und Leitungen 3, welche die zuvor erwähnten Teile verbinden wobei jede der Elektroden 2 im Herzbereich des Patienten 4 von der Brustseite und von der Rückseite her befestigt ist.

Gemäß Fig. 1A und 1B ist jede Elektrode unmittelbar auf der Haut des Patienten 4 mit einem geeigneten Klebeband befestigt und ferner durch ein Band 5 festgehalten. Es ist notwendig, daß die Elektrode des Defibrillators fest angebracht wird, da sie sonst bei der Anwendung von Hochspannung durch Schock des Körpers abfallen kann.

Gemäß den Fig. 1A, 1B, 3A und 3B besteht jedes Elektrodensubstrat 20 aus einem scheibenförmigen porösen kohlenstoffartigen Material von etwa 50 cm² Fläche und 0,1 bis 1 mm Dicke (nachfolgend wird ein derartiges Elektrodensubstrat als das poröse Elektrodensubstrat bezeichnet) oder aus einem scheibenartigen, flexiblen und porösen kohlenstoffartigen Material von etwa 50 cm² Fläche und etwa 0,1 bis 2 mm Dicke (das nachfolgend als flexibles Elektrodensubstrat bezeichnet wird). Die Fig. 1A und 1B zeigen ferner einen ringförmigen Schwamm 7 und eine Abdeckung 8 als Schutzmembran auf der Oberseite des Elektrodensubstrats 20.

Gemäß den Fig. 3A und 3B ist die Dicke (t) des Elektrodensubstrats 20 zweckmäßigerweise nicht mehr als 10 mm und vorteilhafterweise nicht mehr als 2 mm. Wenn die Dicke (t) mehr als 10 mm beträgt, ist dies unzweckmäßig, da ein derartiges Elektrodensubstrat dem Körper ein ungewohntes Gefühl verleiht.

Ferner beträgt der elektrische Widerstand des Elektrodensubstrats 20 zweckmäßigerweise nicht mehr als 1,0 Ohm, da im Falle eines Defibrillators ein großer Strom bei hoher Spannung angelegt wird. Wäre der Widerstand zu hoch, dann könnten Verbrennungen aufgrund der Wärmeentwicklung an der Elektrode auftreten.

Das poröse Elektrodensubstrat 20 weist ein bahnartiges poröses Material auf, das folgendermaßen hergestellt wird: (1) Herstellen eines ursprünglichen, bahnartigen Materials aus verhältnismäßig langen Kohlefasern von nicht weniger als 3 mm Länge nach einem Papierherstellungsverfahren, (2) Imprägnieren des derart hergestellten ursprünglichen Bahnmaterials mit einem wärmehärtenden Harz wie Phenolharz, Epoxidharz usw., wobei sich die Kohlefasern untereinander verbinden, und (3) Aufkohlen des derartig imprägnierten Materials durch Rösten bei reduziertem Druck oder in Inertgasatmophäre. In dem porösen Elektrodensubstrat 20 wurde außerdem eine Anzahl von Poren mit einem Durchmesser von etwa 80 bis 120 µm gebildet, die mit einer gelartigen Elektrolytlösung wie physiologischer Kochsalzlösung usw. imprägniert werden.

Das poröse Elektrodensubstrat 20 kann eine kohlenstoffhaltige Substratformplatte sein, die praktisch keine Flexibilität aufweist. Eine derartige Substratformplatte erhält man, indem man (1) Kohlenstoffasern von nicht mehr als 3 mm Länge oder teilchenförmigen Kohlenstoff von nicht mehr als 1 mm Teilchendurchmesser mit einem warmhärtenden Kunstharz wie Phenolharz, Epoxidharz usw. imprägniert und (2) die so erhaltene Mischung beispielsweise bei einer Temperatur von 140 bis 150°C unter einem Druck von 50 kg/cm² (bar) formt und anschließend (3) das derart geformte Material bei reduziertem Druck oder in einer Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von nicht weniger als 1500°C röstet und aufkohlt.

Die so erhaltene Substratformplatte enthält nahezu gleichmäßig die Poren von 20 bis 80 µm Durchmesser bei einer Porosität von 40 bis 90%. Wenn die Poren mit der Elektrolylösung, beispielsweise der Lösung von physiologischem Kochsalz usw. imprägniert werden, dann wird die Kontaktfläche zwischen den Poren und der Elektrolytlösung zweimal so groß wie bei dem erwähnten Beispiel von porösem Bahnmaterial.

Das flexible Elektrodensubstrat 20 ist aus einem flexiblem und porösem kohlenstoffhaltigen Material aufgebaut, das dadurch hergestellt wurde, daß (1) zuerst verhältnismäßig lange Kohlefasern von nicht weniger als 1 mm Länge einer Warmtemperaturbehandlung bei nicht weniger als 1500°C, vorzugsweise nicht weniger als 2000°C ausgesetzt werden, (2) Verarbeiten der so behandelten Kohlenstoffasern zu einem originalen papierbahnartigen Material nach einem Papierherstellungsverfahren, (3) Imprägnieren des derart erhaltenen papierbahnartigen Materials mit einem warmhärtenden Kunstharz wie Phenolharz, Epoxidharz o. ä. als Bindemittel, wodurch die Kohlefasern miteinander verbunden werden, und anschließend (4) Rösten und Aufkohlen des so imprägnierten Materials bei einem reduzierten Druck oder in Schutzgasatmosphäre. Bei dem derart erhaltenen flexiblen Elektrodensubstrat 20 ist eine Anzahl von Poren mit 20 bis 120 µm Durchmesser nahezu gleichmäßig bei einer Porosität von 40 bis 90% gebildet und die Poren sind mit einer gelartigen Elektrolytlösung wie physiologischer Kochsalzlösung gefüllt worden.

Bevor das papierbahnartige Material zur Herstellung des flexiblen Elektrodensubstrats aus den Kohlefasern gefertigt wird, ist es notwendig, zuvor die Kohlefasern einer Hochtemperaturbehandlung zur Inaktivierung ihrer Oberfläche auszusetzen. Hierfür sind folgende Gründe maßgebend:

In dem flexiblen Elektrodensubstrat 20 werden eine Anzahl von sich gegenseitig schneidenden Kohlefasern nach dem Rösten an jeder Überkreuzungsstelle durch Kohleklumpen festgehalten, die von dem Bindemittel erzeugt werden. In solchem Fall muß die Oberfläche der Kohlefasern inaktiv gemacht werden, damit die Kohlefasern und die Kohleklumpen, die aus dem Bindemittel abgeleitet werden, frei hin- und hergleiten können und damit dem Elektrodensubstrat eine moderate Flexibilität verleihen.

Wenn die Kohlefasern durch ein Bindemittel gebunden werden, wird das Bindemittel von den Kohlefasern durch Waschen mit einem Lösungsmittel wie Aceton usw. entfernt und die so gewaschenen Kohlefasern werden einer Wärmebehandlung bei hoher Temperatur zur Inaktivierung der Oberfläche der Kohlefasern unterworfen.

Die Flexibilität des flexiblen Elektrodensubstrats 20 ist zweckmäßigerweise derart, daß gemäß Fig. 5 das flexible und poröse Kohlenstoffmaterial 6, welches das Elektrodensubstrat bildet, einen Verhältniswert D/d von nicht mehr als 200 hat, worin D der Durchmesser der Krümmung unmittelbar vor dem Brechen des Materials 6 ist, wenn dieses bis zum Brechen gebogen wird (kleinster Krümmungsdurchmesser) und d die Dicke des Materials 6 bedeutet. Wenn das Verhältnis von D/d über 200 ist, dann ist die erforderliche Flexibilität nicht vorhanden und die Anpaßbarkeit und das enge Anhaften an den Körper sind reduziert, wodurch sich die Elektrode bei Hochspannungsstößen vom Körper abheben kann.

Um die Affinität des Elektrodensubstrats für den Körper zu verbessern und gleichzeitig das Haften des Elektrodensubstrats am Körper günstiger zu gestalten und außerdem die Puffereigenschaften für den Hochspannungsschock zu verbessern, wird ein Puffermaterial 21 wie ein Schwamm verwendet, der mit physiologischer Kochsalzlösung usw. imprägniert ist. Er wird üblicherweise zwischen dem porösen Elektrodensubstrat 20 und dem Körper gemäß Fig. 1A vorgesehen und liegt zweckmäßigerweise zwischen dem flexiblen Elektrodensubstrat 20 und dem Körper gemäß Fig. 1B.

Die Leitung 3 des Defibrillators ist zweckmäßigerweise eine flexible Graphitbahn, die in der Nähe der Elektrode 2 anschließt. Eine flexible Graphitbahn läßt sich durch Hochdruckformung von expandierten Graphitteilchen erzielen, die dann erhalten werden, wenn man Graphitteilchen mit 98% konzentrierter Schwefelsäure behandelt. Ein Beispiel dafür ist Grafoil.

Fig. 3A zeigt ein Beispiel für eine Leitung 3 aus Grafoil.

Da Grafoil zu jeder beliebigen Form durch Stanzen verarbeitet werden kann, ist es für die Massenproduktion hervorragend geeignet, und gleichzeitig können der Kontaktwiderstand zwischen der Leitung 3 und dem Elektrodensubstrat 20 auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert werden.

Das Haften des Elektrodensubstrats 20 an der Leitung 3 läßt sich durch einen elektrisch leitfähigen Kleber erreichen, der durch Zumischung von Mikroteilchen aus Kohlenstoff, beispielsweise Ruß, zu einem warmhärtenden Kunstharz erhalten wird. Als warmhärtendes Kunstharz wurde für den erfindungsgemäßen Zweck bereits Phenolharz und Epoxidharz verwendet. Die Menge von beigemischten Kohlenstoffteilchen beträgt zweckmäßigerweise 30 bis 90 Gew.% der Mischung. Wenn die Menge von beigemischten Kohlenstoff- Mikroteilchen unter 30 Gew.% liegt, dann läßt sich die erforderliche elektrische Leitfähigkeit nicht erzielen und wenn andererseits die Menge von beigemischten Kohlenstoffteilchen mehr als 90 Gew.% ausmacht, dann wird die Haftfähigkeit zu gering. Als elektrisch leitender Klebstoff wird eine Mischung verwendet, die dadurch erhalten wird, daß man Kohlenstoff-Mikroteilchen wie Ruß einem kautschukartigen Kunstharz beimischt. Das kautschukartige Harz ist entweder ein natürlicher Rohkautschuk oder ein synthetischer Rohkautschuk. Ferner beträgt die Menge von beigemischten Kohlenstoffteilchen zweckmäßigerweise 30 bis 90 Gew.% der Mischung, und zwar aus den gleichen Gründen, wie dies oben erwähnt wurde. Nach dem zuvor erwähnten Verfahren ist es möglich, den Verbindungsteil flexibel zu machen, obwohl die Klebefestigkeit verhältnismäßig klein ist.

Ferner kann als weiteres Verfahren zum Verbinden des Elektrodensubstrats 20 mit der Leitung 3 das folgende Verfahren dienen: Zuerst werden das Elektrodensubstrat 20 und die Leitung 3 miteinander verbunden, indem man einen Klebstoff, der durch Beimischung von Kohlenstoff- Mikroteilchen wie Ruß zu einem warmhärtenden Harz erhalten wird, und dann wird der derart verbundene Teil calciniert und carbonisiert, und zwar bei reduziertem Druck oder in Schutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von nicht weniger als 1000°C. Nach dem zuvor erwähnten Verfahren kann der elektrische Widerstand des verbundenen Teils auf den vernachlässigbaren Wert reduziert werden. Als warmhärtendes Harz zur Verwendung bei dem oben genannten Verfahren kann Phenolharz, Epoxidharz usw. dienen. Die Menge von Kohlenstoff-Mikroteilchen, die beigemischt wird, beträgt zweckmäßigerweise nicht mehr als 90 Gew.% der Mischung. Wenn der Anteil der beigemischten Kohlenstoff-Mikroteilchen zu groß ist, dann besteht die Gefahr einer Verminderung der Klebefestigkeit.

Die Elektrode 2 ist einschließlich der Leitung 3 für Röntgenstrahlen durchlässig. Daher kann sie beim Röntgen auf dem Körper verbleiben.

Für die Leitung 3 können Kohlefasern verwendet werden und in diesem Fall ist die Verbindung der Leitung mit dem Elektrodensubstrat verhältnismäßig schwierig aufgrund des erhöhten elektrischen Widerstands und der großen Masse der Leitung. Besteht die Leitung 3 jedoch aus Grafoil, dann werden all diese Schwierigkeiten vermieden.

Fig. 3B zeigt ein Beispiel, bei dem die Klebe- oder Calcinierungsverbindung der Leitung 3 mit der Elektrode 20 über die gesamte Oberfläche des Elektrodensubstrats 20 reicht, welche der Körperauflagefläche gegenüber liegt. Fig. 3B ist nämlich ein Beispiel, bei dem die Form der Verbindungsfläche der Leitung 3 gleich wie die Form des Elektrodensubstrats 20 ist. In diesem Fall ist der Verbindungsbereich groß, so daß die Klebefestigkeit groß und der Kontaktwiderstand klein ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Elektrode aus einer Anzahl von Elektrodensubstratblöcken 22 gebildet ist, die an einer flexiblen Graphitbahn 30 haften. Durch Unterteilen des Elektrodensubstrats in eine Anzahl von Blöcken ist die dem Körper zugewandte Seite der Elektrode biegsam. Ferner kann der Block 22 aus porösem Elektrodensubstrat aus dem gleichen Material wie die oben erwähnte Elektrode hergestellt werden. Außerdem kann die flexible Graphitbahn 30 als Leitung wirken.

Obgleich die Erfindung anhand eines Defibrillators erläutert wurde, kann sie auch für einen Elektrocardiographen verwendet werden. Die erfindungsgemäße Elektrode läßt sich auch während des Röntgens zur Messung eines Elektroencephalogramms o. ä. einsetzen.

Claims (17)

1. Elektrode für einen lebenden Körper, mit einem Elektrodensubstrat, gekennzeichnet durch ein poröses Material aus teilchenförmigem oder faserigem Kohlenstoff, das für Röntgenstrahlen im wesentlichen durchlässig ist, wobei die Poren des Elektrodensubstrats mit einer Elektrolytlösung imprägniert sind.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material aus faserigem Kohlenstoff flexibel ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat mit einer Leitung versehen ist, die eine flexible Graphitbahn aufweist.

4. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung an dem Elektrodensubstrat durch einen elektrisch leitfähigen Kleber angeschlossen ist, der durch Beimischung von Kohlenstoff- Mikroteilchen zu einem warmhärtenden Harz oder einem kautschukartigen Harz hergestellt ist.

5. Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anbringen des Leiters an dem Elektrodensubstrat durch einen elektrisch leitfähigen Kleber, der durch Beimischung von Kohlenstoff-Mikroteilchen zu einem warmhärtenden Kunstharz gebildet ist, der sogebildete gebundene Teil calciniert und bei reduziertem Druck oder einer Schutzgasatmosphäre verbunden wird.

6. Elektrode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die calcinierte und gebundene Fläche zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Leiter mit der Gesamtoberfläche des Elektrodensubstrats verbunden ist.

7. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat aus einer Anzahl von Blöcken hergestellt ist und daß die Blöcke jeweils durch eine flexible Graphitbahn miteinander verbunden sind.

8. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwammartiges, poröses Puffermaterial, das mit einer Elektrolytlösung imprägniert ist, auf einer Fläche des Elektrodensubstrats vorgesehen ist.

9. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat mit einem porösen und bahnartigen Material erhalten ist durch: (1) Herstellung eines ursprünglich papierartigen Materials aus faserigem Kohlenstoff von nicht weniger als 3 mm Länge in einem Papierherstellungsverfahren, (2) gegenseitiges Binden der Kohlenstoffasern durch Imprägnieren des derart hergestellten ursprünglich papierartigen Materials mit einem warmhärtenden Harz und (3) Calcinieren des imprägnierten Materials unter einem reduzierten Druck oder einer Inertgasatmosphäre.

10. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat eine poröse Substratformplatte aufweist, die erhalten ist durch: (1) thermisches Formen einer Mischung von Kohlenstoffasern von nicht mehr als 3 mm Länge von teilchenförmigem Kohlenstoff von nicht mehr als 1 mm Durchmesser und Teilchen eines warmhärtenden Harzes, und (2) Calcinieren des so geformten Material unter einem reduzierten Druck oder in einer Inertgasatmosphäre.

11. Elektrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat Poren von 20 bis 80 µm Durchmesser bei einer Porosität von 40 bis 90% annähernd gleichmäßig enthält und daß die Poren mit der Elektrolytlösung imprägniert sind.

12. Elektrode nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das warmhärtende Harz ein Phenolharz oder ein Epoxidharz ist.

13. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat aus einem flexiblen und porösen Kohlenstoffmaterial gebildet und erhalten ist durch: (1) Herstellen eines ursprünglich papierartigen Materials aus Kohlenstoffasern von nicht weniger als 1 mm Länge, deren Oberfläche durch vorläufige Behandlung bei einer hohen Temperatur inaktiviert ist, und zwar nach einem Papierherstellungsverfahren, (2) Imprägnieren des so erhaltenen, ursprünglich papierartigen Materials mit einem warmhärtenden Harz, wodurch die Kohlenstoffasern untereinander verbunden werden, und durch (3) anschließendes Calcinieren des derart imprägnierten Material unter einem reduzierten Druck oder in einer Schutzgasatmosphäre.

14. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern vorübergehend einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 1500°C unterworfen sind.

15. Elektrode nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenstoffasern durch ein Bündelungsmittel gebündelt sind, wobei das Bündelungsmittel durch ein Lösungsmittel ausgewaschen ist, um das Bündelungsmittel vorübergehend aus den Kohlenstoffasern zu entfernen, und daß die derart gewaschenen Kohlenstoffasern der Wärmebehandlung unterworfen sind.

16. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das warmhärtende Harz Phenolharz oder Epoxidharz ist.

17. Elektrode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensubstrat Poren von 20 bis 120 µm bei einer Porosität von 40 bis 90% nahezu gleichmäßig enthält und daß die Poren mit der Elektrolytlösung imprägniert sind.