EP1722849A1 - Stimulationselektrode - Google Patents

Stimulationselektrode

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Publication number
EP1722849A1
EP1722849A1 EP05715665A EP05715665A EP1722849A1 EP 1722849 A1 EP1722849 A1 EP 1722849A1 EP 05715665 A EP05715665 A EP 05715665A EP 05715665 A EP05715665 A EP 05715665A EP 1722849 A1 EP1722849 A1 EP 1722849A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
individual electrodes
group
electrodes
stimulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP05715665A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Hosdorf
Dietmar LÜTKE NOTARP
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IMI Intelligent Medical Implants AG
Original Assignee
IMI Intelligent Medical Implants AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IMI Intelligent Medical Implants AG filed Critical IMI Intelligent Medical Implants AG
Publication of EP1722849A1 publication Critical patent/EP1722849A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02—Details
    • A61N1/04—Electrodes
    • A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • A61N1/0526—Head electrodes
    • A61N1/0543—Retinal electrodes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
    • A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
    • A61N1/36046—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of the eye

Definitions

  • the present invention relates to a stimulation electrode for use in neurostimulators which are used to generate visual perception through retinal or cortical electrical stimulation.
  • the light-sensitive tissue that covers the back of the eye and that contains the light-sensitive photoreceptor cells is called the retina.
  • the retina consists of two types of photoreceptors, the rod and the cone, as well as several layers of other non-light-sensitive nerve cells.
  • the rods and cones convert light into electrical impulses that are processed by other nerve cells.
  • the ganglion cells generate the output signal of the retina.
  • the optic nerve transmits the visual information to the brain, where it is converted into a sensory "seeing".
  • Various diseases such as macular degeneration or retinitis pigmentosa cause degeneration of the photoreceptor cells. Degeneration often affects other cells of the reti- well, but it is known that even after years of blindness, the ganglion cells are essentially intact.
  • One method involves the implantation of a photosensitive device to stimulate the neurons or ganglion cells.
  • a photosensitive device to stimulate the neurons or ganglion cells.
  • EP0460320A2 a visual prosthesis was proposed which has a tightly packed array of small solar cells, which in turn are coupled to a large number of electrodes which are intended to stimulate neurons on the surface of the retina in a pattern corresponding to the illumination.
  • the electrode array consists of a series of electrical contacts that are either the same or different sizes.
  • the electrodes are arranged in a regular grid and controlled individually. This is controlled by an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) that implements the corresponding number of signal sources. Since the technical possibilities of ASIC production currently only allow a very limited number of signal sources - between 200 and 1000 - which is very little compared to the number of ganglion cells (approx. 1,000,000), there is the challenge of having one with a small number of signal sources to generate perception as high as possible.
  • the known electrode arrangements are mechanically unsatisfactory on the one hand because their resilience to bending is low. On the other hand, the electrical adaptation to the contacted tissue is insufficient. Due to the size of the conductive surface of the electrodes, sufficient excitation of the nerve cells is achieved only in the peripheral areas. The inner areas of the surface are essentially unable to transmit the alternating currents required for stimulation.
  • the electrode arrangement for stimulating nerve or muscle tissue in humans or animals by means of alternating current has individual electrodes which are electrically connected to one another in groups, in particular connected in parallel, the ratio of the circumference or the edge length to the total surface can be reduced. This leads to a reduced AC impedance. This does not increase the electronic complexity of switching within a group.
  • the structure of the electrode arrangement is simplified if the individual electrodes of a group are arranged adjacent to one another on an electrical conductor.
  • the mechanical resilience is improved if a non-conductive carrier carries the individual electrodes and the conductor.
  • an electrode arrangement according to the invention can be created in that a continuous electrode base body is provided between the individual electrodes in order to produce non-conductive regions. hen whose surface is partially coated with oxides or with ceramics. Individual electrodes can also be formed by a section of a conductor track that is non-conductive. However, it can also be provided that individual electrodes are formed by arranging microelectrodes on a common conductor track.
  • a stimulation electrode is shown overall in FIG. 1, which overall has approximately the diameter of a conventional electrode, ie approximately 300 ⁇ m.
  • the stimulation electrode has a number of electrically conductive surface elements. ten or individual electrodes 1 - 5, which are connected to one another in groups via conductor tracks 2.
  • a first outer group 3 is provided, which comprises a total of fourteen individual electrodes 1 arranged in a ring. Group 3 forms an outer electrode ring of the stimulation electrode.
  • a second group 4 forms a middle ring of the stimulation electrode.
  • Group 4 consists of six individual electrodes 1 which are electrically connected to one another.
  • Group 4 is arranged concentrically within the single electrode ring of group 3.
  • a single electrode 5 is provided in the center of the electrode arrangement in FIG. 1 and is arranged in the geometric center of the electrode groups 3 and 4.
  • Group 3 is connected to external electronics via a connecting line 6.
  • Group 4 is connected via the same connection line 7 and the individual electrode 5 via a connection line 8.
  • FIG. 2 shows another configuration of a stimulation electrode.
  • the number of individual electrodes is the same as in FIG. 1.
  • the electrodes are combined approximately linearly in a first electrode group 11, a second electrode group 12, a third electrode group 13, a fourth electrode group 14 and a fifth electrode group 15.
  • the groups 11, 12, 14 and 15 each have four individual electrodes which are electrically contacted with one another.
  • the electrode group 13, which runs through the center of the electrode arrangement, has five individual electrodes.
  • Each group has its own connection cable for contacting external electronics. This is line 16 in group 11, line 17 in group 12, line 18 in group 13, line 19 in group 14 and line 20 in group 15.
  • FIG. 3 shows an electrode array of a total of seven stimulation electrodes 22, 33, 34, 35, 36, 37 and 38 on one Carrier 21 illustrates.
  • the carrier 21 is, for example, a polyid foil which is used to implant the electrode array in an eye.
  • a total of seven stimulation electrodes are arranged on the section shown, which are each formed by 21 individual electrodes.
  • the grouping of the individual electrodes within the stimulation electrode is selected differently than in FIGS. 1 and 2.
  • the example of an electrode 22 shows that six individual electrodes 23 and 24 each form an outer partial circle of the electrode 22.
  • the individual electrodes 23 and 24 are grouped as described in FIG. 2. They are electrically connected to one another in a linear fashion and contacted to the outside with a connecting line 25 or 26.
  • Two individual electrodes 27 and 28 each form a group close to the center, while five individual electrodes 29 run in a straight line through the center of the stimulation electrode 22.
  • contact is made to the outside by a connecting line 30, in the electrode group 28 by a connecting line 31 and in the electrode group 29 by a connecting line 32.
  • Six further stimulation electrodes 33 to 38 are arranged on the carrier 21. Together they form an electrode array.
  • An electrode array as shown in FIG. 3 can also have different stimulation electrodes on the same carrier 21, depending on the placement at the implantation site.
  • the electrodes according to FIG. 1 can be arranged in the center of the electrode array, while the electrodes according to FIG. 2 are used in the edge region of the electrode array.
  • the orientation of an array according to FIG. 2 after horizontal or vertical alignment (measured on the electrode group 13) can also be chosen as desired.
  • FIG. 4 shows a cross section at 4a through an electrode according to the invention according to FIG. 1 or FIG. light and is compared to Figure 4b, in which a stimulation electrode according to the prior art is shown.
  • the electrical field is illustrated as field distribution 40 in FIG. 4a.
  • the electrode group 3 from FIG. 1 is shown here schematically in a cross section from the side.
  • the individual electrodes are arranged on the conductor track 2 and embedded in the carrier 21. On their free upper side they are connected to an electrolyte that is contained in the contacted tissue.
  • the field distribution 40 is created in the electrolyte by impressing an electric current.
  • the individual electrodes 3 have a width in the illustration in FIG. 4a of approximately 30 ⁇ m, so that the electric current, which is adapted to physiological requirements, has a substantially non-overlapping field distribution 40 to achieve.
  • FIG. 4b shows the field distribution over a conventional microelectrode 3 'with a diameter of approximately 150 ⁇ m. It can be seen that the current density distribution achieved in the prior art generates an electrical current, in particular at the edge of the microelectrode, while the current density is very low in the center of the electrode. This current density distribution is disadvantageous when contacting biological tissue in the eye because it addresses the individual nerve cells too unspecifically.
  • microelectrodes 3 and correspondingly for all other microelectrodes shown in FIGS. 1, 2 and 3.
  • FIG. 5 shows the dependence of the specific conductivity on the electrode size.
  • the deformation of the field distribution which is shown in FIGS. 4a and 4b, leads to an improvement in the electrical properties of the stimulation electrode.
  • the improved electrical properties are based an increase in the specific conductivity for electrodes with a diameter of less than about 30 ⁇ m.
  • FIG. 6a shows a cross section corresponding to FIG. 4a through an electrode arrangement, in which the individual electrodes 3 are in turn arranged on the conductor track 2 and embedded in the carrier 21.
  • FIG. 6b shows an electrode 3 ⁇ according to the prior art, which has a larger diameter, but is also embedded in a carrier 21 ⁇ and is arranged on a conductor track 2 ⁇ .
  • a mechanical stress field is illustrated at 42, which is referred to as a so-called Von Mises stress.
  • This mechanical stress is a comparative stress that takes tensile stresses as well as tensile and compressive stresses as well as bending stresses into account. It illustrates the mechanical load on the conductor track 2 when the microelectrodes 3 are subjected to an external force and when the carrier 21 is bent.
  • Figure 6b shows an electrode 3 ⁇ according to the prior art.
  • the von Mises voltage 42 ⁇ is illustrated in the region of an edge, which acts on the conductor track 2 ⁇ .
  • the comparison of FIGS. 6a and 6b shows that, with the same mechanical load, the von Mises stresses in the conductor track 2 in the electrode arrangement according to the invention are substantially lower than the voltage 42 ⁇ which is introduced into the conductor track 2 in the prior art.
  • FIG. 7 illustrates a simple embodiment of the present invention in a top view.
  • a carrier 50 here carries a group of individual electrodes 51 which are distributed approximately uniformly over the surface of the carrier 50. Electrically non-conductive material 52 is arranged on the surface of the electrode between the individual electrodes 51. An electrical connection line 53 is provided to the To connect individual electrodes 51 to external electronics in a manner known per se.
  • the structure of the stimulation electrode shown in FIG. 7 can, as shown in FIG. 6a, be such that an electrical conductor carries the individual electrodes 51 and makes electrical contact.
  • a non-conductive support is arranged below the electrical conductor.
  • the likewise electrically non-conductive layer 52 is applied above the electrical conductor, so that the individual electrodes 51 protrude beyond it and can make electrical contact with a tissue.
  • the non-conductive layer 52 can also be produced in that an electrically conductive layer that is continuous is superficially covered with an insulating layer, the individual electrodes 51 remaining as areas excluded from the insulating layer. It is then not necessary for the individual electrodes 51 to protrude beyond the surface of the insulating layer 52, as in FIG. 6a.
  • the electrical wiring effort in this exemplary embodiment is therefore not greater than in the case of conventional stimulation electrodes which have approximately the diameter of the carrier 50 in FIG. 7 (for example 200 to 300 ⁇ m). All individual electrodes 51 are acted upon by the same electrical signal.
  • the mere fact that the individual electrodes 51 with a diameter of 5 to 40 ⁇ m, in particular 20 to 30 ⁇ m, have a lower surface to circumference ratio is the AC impedance of the individual electrodes 51 for contacting tissue, more precisely for contacting that contained in the tissue Electrolytes, particularly cheap.
  • the effect described can be achieved according to the invention by means of a partial covering of the electrically conductive surface, which also reduces the size of the electrically conductive areas and thus adjusts the AC impedance to the tissue.
  • the division can also be achieved by interconnecting several microelectrodes or by segmenting a large electrode.
  • the active electrical area is reduced in the present invention.
  • the active electrode area is reduced by dividing the electrode into conductive surface elements and non-conductive areas.
  • the conductive areas are so small that the relative conductivity increases disproportionately due to the beginning of the spherical expansion of the diffusion field (approximately less than 30 ⁇ m according to FIG. 5).

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren, bei der eine höhere Auflösung der Anregung dadurch erzielbar ist, dass Einzelelektroden gruppenweise elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Sti ulationsβle trodβ
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stimulationselektrode zum Einsatz in Neurostimulatoren, die zur Erzeugung von Sehwahrnehmung durch retinale oder kortikale elektrische Stimulation verwendet werden.
Das lichtsensitive Gewebe, das den Augenhintergrund bedeckt und das die lichtempfindlichen Fotorezeptorzellen enthält wird Retina genannt. Die Retina besteht aus zwei Arten von Fotorezeptoren, den Stäbchen und den Zapfen, sowie aus mehreren Schichten aus anderen nicht lichtempfindlichen Nervenzellen. Die Stäbchen und Zapfen konvertieren Licht in elektrische Impulse, die von anderen Nervenzellen verarbeitet werden. Die Ganglienzellen erzeugen das Ausgangssignal der Retina. Der Sehnerv überträgt die visuelle Information an das Gehirn, wo sie in eine Sinneswahrnehmung "Sehen" umgewandelt wird.
Verschiedene Krankheiten wie Makuladegeneration oder Retinitis Pigmentosa bewirken eine Degeneration der Fotorezeptorzellen. Die Degeneration betrifft häufig auch andere Zellen der Reti- na, aber es ist bekannt, dass auch nach langjähriger Blindheit die Ganglienzellen im wesentlichen intakt sind.
Zahlreiche Versuche wurden in den vergangenen Jahren durchgeführt, um Vorrichtungen zu entwickeln, die die Linderung oder Heilung der retinal verursachten Blindheit unterstützen können. Verschiedene Verfahren zur Wiederherstellung des Sehvermögens wurden vorgeschlagen.
Ein Verfahren umfasst die Implantation einer fotosensitiven Vorrichtung um die Neuronen oder Ganglienzellen zu stimulieren. So wurde beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung EP0460320A2 eine Sehprothese vorgeschlagen, die ein eng gepacktes Array von kleinen Solarzellen aufweist, die wiederum mit einer Vielzahl von Elektroden gekoppelt sind, welche Neuronen an der Oberfläche der Retina in einem der Beleuchtung entsprechenden Muster stimulieren sollen.
Eine andere Herangehensweise zeigt das US-Patent US 5,935,155, bei dem die empfangene elektromagnetische Energie einer kleinen Induktionsspule in elektrische Stimulationspulse umgesetzt wird. Ein kompaktes Array von Elektroden, das in Kontakt mit den Ganglienzellen steht, induziert die Sehempfindung durch ein Stimulationsmuster.
Das Elektrodenarray besteht aus einer Reihe von elektrischen Kontakten die wahlweise gleiche oder unterschiedliche Größe aufweisen. Die Elektroden werden in einem regelmässigen Raster angeordnet und einzeln angesteuert. Diese Ansteuerung erfolgt durch einen ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) , der entsprechende Zahl von Signalquellen implementiert. Da die technischen Möglichkeiten der ASIC Herstellung derzeit nur eine sehr begrenzte Anzahl von Signalquellen - zwischen 200 und 1000 - ermöglichen, was im Vergleich zur Anzahl von Ganglienzellen (ca. 1000000) sehr wenig ist, besteht die Herausforderung, mit einer geringen Anzahl an Signalquellen eine möglichst hoch auflösende Wahrnehmung zu erzeugen. Die bekannten Elektrodenanordnungen sind einerseits mechanisch nicht zufriedenstellend, weil ihre Belastbarkeit auf Biegung gering ist. Andererseits ist die elektrische Anpassung an das kontaktierte Gewebe unzureichend. Aufgrund der Größe der leitenden Oberfläche der Elektroden wird nur in den Randbereichen eine ausreichende Anregung der Nervenzellen erzielt. Die inneren Bereiche der Oberfläche sind im wesentlichen nicht in der Lage, die für eine Stimulation erforderlichen Wechselströme zu übertragen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stimulationselektrode zu schaffen, die verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weil die Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren mittels Wechselstrom Einzelelektroden aufweist, die gruppenweise elektrisch miteinander verbunden sind, insbesondere parallelgeschaltet sind, kann das Verhältnis des Umfangs bzw. der Kantenlänge zu der Gesamtoberfläche verringert werden. Die führt zu einer verringerten Wechselstromimpedanz. Der elektronische Aufwand der Be- schaltung innerhalb einer Gruppe wird hierdurch nicht vergrößert.
Der Aufbau der Elektrodenanordnung wird vereinfacht, wenn die Einzelelektroden einer Gruppe einander benachbart auf einem elektrischen Leiter angeordnet sind.
Die mechanische Belastbarkeit wird verbessert, wenn ein nicht leitender Träger die Einzelelektroden und den Leiter trägt.
Ausgehend von einem bekannten Elektrodendesign kann eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung dadurch gescahffen werden, dass zur Erzeugung nicht leitender Bereiche zwischen den Einzelelektroden ein durchgehender Elektrodengrundkörper vorgese- hen ist, dessen Oberfläche bereichsweise mit Oxiden oder mit Keramiken beschichtet ist. Einzelelektroden können auch durch eine abschnittsweise nichtleitende Abdeckung einer Leiterbahn gebildet werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass Einzelelektroden durch Anordnung von Mikroelektroden auf einer gemeinsamen Leiterbahn gebildet werden.
Besondere Anregungsmuster werden ermöglicht, wenn die Gruppen von Einzelelektroden im Betrieb zu geometrischen Grundformen (Linie, Kreis) zusammengeschaltet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: eine erfindungsgemäße Ausführung der Stimulationselektrode mit runden Segmenten;
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Ausführung der Stimulationselektrode mit geraden Segmenten;
Fig. 3: ein Elektroden-Array mit Elektroden entsprechend Fig. 2;
Fig. 4: die Feldverteilungen einer bekannten großen Elektrode und einer Gruppe aus Mikroelektroden im Vergleich;
Fig. 5: die Abhängigkeit der Leitfähigkeit vom Durchmesser einer Mikroelektrode;
Fig. 6: die Verteilung der Von-Mises-Spannung in der flexiblen Trägerfolie bei einer bekannten großen Elektrode und einer Gruppe aus Mikroelektroden im Vergleich; sowie
Fig. 7: eine besonders einfache Form einer verbesserten Stimulationselektrode in einer Draufsicht.
In der Figur 1 ist insgesamt eine Stimulationselektrode dargestellt, die insgesamt etwa den Durchmesser einer herkömmlichen Elektrode aufweist, also etwa 300μm. Die Stimulationselektrode ist weist eine Anzahl von elektrisch leitenden Flächenelemen- ten oder Einzelelektroden 1 - 5 auf, die über Leiterbahnen 2 gruppenweise miteinander verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine erste äußere Gruppe 3 vorgesehen, die insgesamt vierzehn ringförmig angeordnete Einzelelektroden 1 umfasst. Die Gruppe 3 bildet einen äußeren Elektrodenring der Stimulationselektrode .
Eine zweite Gruppe 4 bildet einen mittleren Ring der Stimulationselektrode. Die Gruppe 4 besteht aus sechs Einzelelektroden 1, die elektrisch untereinander verbunden sind. Die Gruppe 4 ist konzentrisch innerhalb des Einzelelektrodenrings der Gruppe 3 angeordnet. Im Mittelpunkt der Elektrodenanordnung in Figur 1 ist eine Einzelelektrode 5 vorgesehen, die im geometrischen Mittelpunkt der Elektrodengruppen 3 und 4 angeordnet ist. Die Gruppe 3 ist über eine Anschlussleitung 6 mit einer externen Elektronik verbunden. Die Gruppe 4 ist über eine e- bensolche Anschlussleitung 7 und die einzelne Elektrode 5 über eine Anschlussleitung 8 angeschlossen.
Die Figur 2 zeigt eine andere Konfiguration einer Stimulationselektrode. Die Anzahl der Einzelelektroden ist die gleiche wie in der Figur 1. Hier sind die Elektroden jedoch etwa li- nienförmig in einer ersten Elektrodengruppe 11, einer zweiten Elektrodengruppe 12, einer dritten Elektrodengruppe 13, einer vierten Elektrodengruppe 14 und einer fünften Elektrodengruppe 15 zusammengefasst . Die Gruppen 11, 12, 14 und 15 weisen jeweils vier Einzelelektroden auf, die elektrisch untereinander kontaktiert sind. Die Elektrodengruppe 13, die durch das Zentrum der Elektrodenanordnung verläuft, weist fünf Einzelelektroden auf. Jede Gruppe verfügt über eine eigene Anschlussleitung zur Kontaktierung mit einer externen Elektronik. Dies ist bei der Gruppe 11 die Leitung 16, bei der Gruppe 12 die Leitung 17, bei der Gruppe 13 die Leitung 18, bei der Gruppe 14 die Leitung 19 und bei der 15 die Leitung 20.
In der Figur 3 ist ein Elektrodenarray von insgesamt sieben Stimulationselektroden 22, 33, 34, 35, 36, 37 und 38 auf einem Träger 21 veranschaulicht. Der Träger 21 ist beispielsweise eine Polyi idfolie, die zum Implantieren des Elektrodenarrays in einem Auge dient. Auf dem gezeigten Ausschnitt sind insgesamt sieben Stimulationselektroden angeordnet, die von jeweils 21 Einzelelektroden gebildet werden. Die Gruppierung der Einzelelektroden innerhalb der Stimulationselektrode ist anders gewählt als in den Figuren 1 und 2. Am Beispiel einer Elektrode 22 ist veranschaulicht, dass je sechs Einzelelektroden 23 bzw. 24 einen äußeren Teilkreis der Elektrode 22 bilden. Die Einzelelektroden 23 und 24 sind gruppiert wie in Figur 2 beschrieben. Sie sind linienförmig untereinander elektrisch verbunden und mit je einer Anschlussleitung 25 bzw. 26 nach außen kontaktiert. Zwei Einzelelektroden 27 bzw. 28 bilden je eine zentrumsnahe Gruppe, während fünf Einzelelektroden 29 geradlinig aufgereiht durch das Zentrum der Stimulationselektrode 22 gehen. Die Kontaktierung nach außen erfolgt bei der Elektrodengruppe 27 durch eine Anschlussleitung 30, bei der Elektrodengruppe 28 durch eine Anschlussleitung 31 und bei der Elektrodengruppe 29 durch eine Anschlussleitung 32.
Auf dem Träger 21 sind noch sechs weitere Stimulationselektroden 33 bis 38 angeordnet. Diese bilden zusammen ein Elektro- denarray .
Ein Elektrodenarray wie in Figur 3 gezeigt kann auf dem gleichen Träger 21 auch je nach Platzierung am Implantationsort unterschiedliche Stimulationselektroden aufweisen. So können beispielsweise die Elektroden gemäß Figur 1 im Zentrum des E- lektrodenarrays angeordnet werden, während die Elektroden gemäß Figur 2 im Randbereich des Elektrodenarrays eingesetzt werden. Auch die Orientierung eines Arrays gemäß Figur 2 nach horizontaler oder vertikaler Ausrichtung (gemessen an der E- lektrodengruppe 13) kann beliebig gewählt werden.
In der Figur 4 ist bei 4a ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode gemäß Figur 1 oder Figur 2 veranschau- licht und wird der Figur 4b gegenübergestellt, in der eine Stimulationselektrode nach dem Stand der Technik gezeigt wird.
In Figur 4a ist das elektrische Feld als Feldverteilung 40 veranschaulicht. Die Elektrodengruppe 3 aus Figur 1 ist hier in einem Querschnitt von der Seite schematisch dargestellt. Die Einzelelektroden sind auf der Leiterbahn 2 angeordnet und in dem Träger 21 eingebettet. An ihrer freien Oberseite stehen sie mit einem Elektrolyt in Verbindung, der in dem kontaktierten Gewebe enthalten ist. Durch Einprägung eines elektrischen Stroms entsteht in dem Elektrolyt die Feldverteilung 40. Die Einzelelektroden 3 haben wie oben erwähnt eine Breite in der Darstellung der Figur 4a von etwa 30μm, so dass mit dem für physiologische Erfordernisse angepassten elektrischen Strom eine im wesentlichen nicht überlappende Feldverteilung 40 zu erzielen ist.
Demgegenüber zeigt die Figur 4b die Feldverteilung über einer herkömmlichen Mikroelektrode 3' von etwa 150 μm Durchmesser. Es ist ersichtlich, dass die im Stand der Technik erzielte Stromdichteverteilung insbesondere am Rand der Mikroelektrode einen elektrischen Strom erzeugt, während im Zentrum der E- lektrode die Stromdichte sehr gering ist. Diese Stromdichteverteilung ist bei der Kontaktierung von biologischem Gewebe im Auge nachteilig, weil sie die einzelnen Nervenzellen zu unspezifisch anspricht.
Die erzielbare Feldverteilung wird also durch den Einsatz von Mikroelektroden 3 (und entsprechend für alle anderen Mikroelektroden, die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt sind) homogener.
Die Figur 5 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von der Elektrodengröße. Die Verformung der Feldverteilung, die in den Figuren 4a und 4b dargestellt ist, führt zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Stimulationselektrode. Die verbesserten elektrischen Eigenschaften beruhen auf einer Erhöhung der spezifischen Leitfähigkeit bei Elektroden mit einem Durchmesser von weniger als etwa 30μm.
Die Figur 6a zeigt einen Querschnitt entsprechend Figur 4a durch eine Elektrodenanordnung, bei der die Einzelelektroden 3 wiederum auf der Leiterbahn 2 angeordnet und in dem Träger 21 eingebettet sind. Die Figur 6b zeigt im Vergleich hierzu eine Elektrode 3 Λ nach dem Stand der Technik, die einen größeren Durchmesser aufweist, aber ebenfalls in einem Träger 21 λ eingebettet und auf einer Leiterbahn 2Λ angeordnet ist. In der Figur 6a ist mit 42 ein mechanisches Spannungsfeld veranschaulicht, das als so genannte Von-Mises-Spannung bezeichnet wird. Diese mechanische Spannung ist eine Vergleichspannung, die sowohl Zugspannungen als auch Zug- und Druckspannungen sowie Biegespannungen berücksichtigt. Sie veranschaulicht die mechanische Belastung der Leiterbahn 2 bei einer Beaufschlagung der Mikroelektroden 3 mit einer externen Kraft und bei einer Ver- biegung des Trägers 21.
Die Figur 6b zeigt eine Elektrode 3 Λ nach dem Stand der Technik. Auch hier wird die von Von-Mises-Spannung 42 Λ im Bereich einer Kante veranschaulicht, die auf die Leiterbahn 2 λ einwirkt. Der Vergleich der Figuren 6a und 6b zeigt, dass bei gleicher mechanischer Belastung die Von-Mises-Spannungen in der Leiterbahn 2 bei der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung wesentlich geringer ist als die Spannung 42Λ, die beim Stand der Technik in die Leiterbahn 2 eingeleitet wird.
Hierdurch wird die mechanische Haltbarkeit eines Implantats mit erfindungsgemäßen Mikroelektroden wesentlich verbessert.
In der Fig. 7 ist eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht veranschaulicht. Ein Träger 50 trägt hier eine Gruppe von Einzelelektroden 51, die etwa gleichmäßig über die Oberfläche des Trägers 50 verteilt sind. Zwischen den Einzelelektroden 51 ist elektrisch nicht leitendes Material 52 an der Oberfläche an der Elektrode angeordnet. Eine elektrische Anschlussleitung 53 ist vorgesehen, um die Einzelelektroden 51 in an sich bekannter Weise mit einer externen Elektronik zu verbinden.
Der Aufbau der in Figur 7 dargestellten Stimulationselektrode kann entsprechend der Darstellung in Figur 6a so erfolgen, dass ein elektrischer Leiter die Einzelelektroden 51 trägt und elektrisch kontaktiert. Unterhalb des elektrischen Leiters ist ein nichtleitender Träger angeordnet. Oberhalb des elektrischen Leiters wird die ebenfalls elektrisch nicht leitende Schicht 52 aufgebracht, so dass die Einzelelektroden 51 über diese hinausstehen und ein Gewebe elektrisch kontaktieren können. Die nichtleitende Schicht 52 kann auch dadurch erzeugt werden, dass eine an sich durchgehende elektrisch leitende Schicht oberflächlich mit einer isolierenden Schicht abgedeckt wird, wobei die Einzelelektroden 51 als von der isolierenden Schicht ausgenommene Bereiche verbleiben. Es ist dann nicht erforderlich, dass die Einzelelektroden 51 wie in der Figur 6a über die Oberfläche der isolierenden Schicht 52 hinausstehen.
Da es sich bei der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform um eine besonders einfache Elektrodenanordnung handeln soll, sind alle Einzelelektroden 51 parallel geschaltet.
Der elektrische Beschaltungsaufwand ist deshalb bei diesem Ausführungsbeispiel nicht größer als bei konventionellen Stimulationselektroden, die etwa den Durchmesser des Trägers 50 in Figur 7 aufweisen (beispielsweise 200 bis 300μm) . Sämtliche Einzelelektroden 51 werden mit demselben elektrischen Signal beaufschlagt. Allein die Tatsache, dass die Einzelelektroden 51 mit einem Durchmesser von 5 bis 40 μ , insbesondere 20 bis 30μm ein geringeres Oberflächen- zu Umfangsverhältnis aufweisen, ist die Wechselstromimpedanz der Einzelelektroden 51 für die Kontaktierung von Gewebe, genauer gesagt für die Kontaktierung des im Gewebe enthaltenen Elektrolyten, besonders günstig.
Bei Stimulationselektroden nach dem Stand der Technik kann der beschriebene Effekt erfindungsgemäß erreicht werden durch eine teilweise Abdeckung der elektrisch leitenden Oberfläche, durch die ebenfalls eine Verkleinerung der elektrisch leitenden Bereiche und damit eine Anpassung der Wechselstromimpedanz an das Gewebe erfolgt. Die Aufteilung kann auch durch das Zusammenschalten mehrerer Mikroelektroden oder durch Segmentierung einer großen Elektrode realisiert werden.
Im Gegensatz zu bisher bekannten Elektroden wird bei der vorliegenden Erfindung die aktive elektrische Fläche verringert. Die Verringerung der aktiven Elektrodenfläche erfolgt durch Aufteilung der Elektrode in leitende Flächenelemente und nichtleitende Bereiche. Dabei sind die leitenden Bereiche so klein, dass die relative Leitfähigkeit aufgrund von beginnender sphärischer Ausdehnung des Diffusionsfeldes überproportional ansteigt (etwa kleiner 30μm laut Fig. 5).
Es ist sehr vorteilhaft, wenn sich die Diffusionsfelder der einzelnen leitenden Bereiche nicht überlappen, um eine ungestörte Bildung der sphärischen Diffusionsfelder zu ermöglichen.
Durch die Vergrößerung der Randfläche im Verhältnis zur Elektrodenoberfläche können auch mechanische Belastungen besser in den Träger eingeleitet werden. Bei Belastung des Trägers auf Biegung führt die Segmentierung der bekannten Elektroden zur einer Verringerung der Scherkräfte an den Kanten von Mikroelektroden. Daraus resultiert eine höhere Flexibilität des Folienträgers .

Claims

Pa ten tansp rü che
1. Elektrodenanordnung zur Anregung von Nerven- oder Muskelgewebe bei Menschen oder Tieren, dadurch gekennzeichnet, dass Einzelelektroden (1, 51) in Gruppen (3, 4, 5; 11 - 15; 22, 23, 27, 28, 29) elektrisch miteinander verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1, 51) einer Gruppe (3, 4, 5; 11 - 15; 22, 23, 27, 28, 29) einander benachbart auf einem elektrischen Leiter (2) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nicht leitender Träger (21) die Einzelelektroden (1) und den Leiter (2) trägt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung nicht leitender Bereiche (50) zwischen den Einzelelektroden (1, 51) ein durchgehender Elektrodengrundkörper vorgesehen ist und dessen Oberfläche bereichsweise mit Oxiden oder mit Keramiken beschichtet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1, 51) durch eine abschnittsweise nichtleitende Abdeckung einer Leiterbahn (2) gebildet werden.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden (1) durch Anordnung von Mikroelektroden auf einer Leiterbahn 2) gebildet werden.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen von Einzelelektroden (3, 4, 5; 11 - 15; 22, 23, 27, 28, 29) im Betrieb zu geometrischen Grundformen (Linie, Kreis) zusammengeschaltet werden.
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