WO2001089402A1 - Katheter mit integriertem mikroheizelement - Google Patents

Katheter mit integriertem mikroheizelement Download PDF

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WO2001089402A1
WO2001089402A1 PCT/EP2001/005925 EP0105925W WO0189402A1 WO 2001089402 A1 WO2001089402 A1 WO 2001089402A1 EP 0105925 W EP0105925 W EP 0105925W WO 0189402 A1 WO0189402 A1 WO 0189402A1
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catheter
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electrically conductive
diamond layer
heating element
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Inventor
Vinzenz Hombach
Mario Adamschik
Erhard Kohn
Stefan Thamasett
Sascha Stiller
Original Assignee
Vinzenz Hombach
Mario Adamschik
Erhard Kohn
Stefan Thamasett
Sascha Stiller
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/04—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating
    • A61B18/08—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by heating by means of electrically-heated probes

Definitions

  • the invention relates to a medical catheter instrument, which uses both a new principle of action and has a new structure in comparison to currently available ablation catheters.
  • the catheter has an integrated, diamond-based micro-heating element that is manufactured using microtechnology processes.
  • a catheter with at least one integrated micro-heating element which has an electrically conductive doped diamond layer.
  • This diamond layer can be contacted with a voltage source via two electrical leads.
  • the micro-heating element is arranged in such a way that a surface of the electrically conductive diamond layer can be brought into contact with organic tissue.
  • the electrical conductivity of the diamond layer is produced by doping it accordingly, e.g. with boron, sulfur, nitrogen, lithium, phosphorus and / or titanium.
  • the catheters according to the invention are absolutely biomedically compatible, since diamond is chemically inert.
  • the surface is chemically stable even when used in aggressive media, even if the diamond highly doped, ie highly conductive.
  • the electrically conductive diamond layer can also be passivated on the surface.
  • a variant for the construction of the micro-heating element is that the electrically conductive diamond layer is applied to a substrate, a further electrically insulating, undoped diamond layer being arranged between the electrically conductive layer and the substrate.
  • the application of these diamond layers can be selectively applied using a CVD process (Chemical Vapor Deposition) and the upper diamond layer can then be doped in the manner described.
  • the substrate can be chosen as desired, silicon, silicon dioxide, silicon carbide, glass, plastic and / or diamond are preferably used.
  • a heat-insulating layer is arranged between the electrically insulating diamond layer and the substrate.
  • dielectric eccentrics such as Si0 2 and Si 3 4.
  • the electrical lead consists of a metallization which is in contact with the electrically conductive doped diamond layer and which consists of at least one layer.
  • the electrical discharge line has at least one electrical guide which is arranged in the interior of the housing.
  • the metallization is preferably arranged on the side of the electrically conductive doped diamond layer facing away from the organic tissue. Common metals, for example silicon and / or chromium, are suitable as materials for the metallization.
  • the micro-heating element additionally has at least one monolytically integrated sensor.
  • Particularly suitable sensors are those which can be used to determine the temperature, the impedance, the pH value, the redox potential, the electromagnetic and / or corpuscular radiation.
  • the use of a temperature sensor has the advantage that the possibility of exact temperature determination now enables a significantly improved functionality of the catheter. In this way, spatially absolutely symmetrical lesions can be achieved with the catheter, which additionally have a very sharp demarcation between coagulated and healthy tissue.
  • micro-heating elements are arranged in the catheter, these can be selectively controlled in a preferred form. Here it is possible for several different lesions to be generated at different points in the organic tissue at the same time or at different times.
  • micro-heating elements can be arranged both on the end face of the catheter and / or on the side faces of the catheter.
  • A is preferred as the material for the catheter
  • the surface may have been subjected to a chemical treatment, for example that the surface has been functionalized or terminated, which can further increase the biomedical compatibility.
  • the catheter wall here has an opening which is closed by an electrically conductive doped diamond layer 1. This allows contact to be made with organic tissue on this surface.
  • An electrically insulating, undoped diamond layer 3 is arranged on the side of the electrically conductive diamond layer facing away from the opening. Between this layer and the substrate 2, a heat barrier layer 4 is arranged, which serves for the thermal insulation of the substrate.
  • the electrically conductive doped diamond layer is covered on the sides by a metallization 5.
  • the metallization in turn is in contact with an electrical guide 6, which is arranged inside the catheter. This electrical guide can be connected to an internal or external voltage source.
  • FIG. 2 shows the integration of a sensor 7 in a monolytic manner.
  • the sensor is arranged on the same substrate 2 as the electrically conductive diamond layer.
  • This unit can then be arranged either on the end face or on the side face of the catheter.
  • FIG. 3 shows the integration of a sensor 7, which is not arranged on the same substrate 2 as the electrically conductive diamond layer 1. Rather, in this case a further substrate 2 'is provided, on which the sensor 3 is now arranged.
  • This arrangement variant makes it possible to integrate any number of sensor elements in the catheter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Katheter mit mindestens einem integrierten Mikroheizelement, das eine elektrisch leitfähige, dotierte Diamantschicht (1) aufweist, die über zwei elektrische Ableitungen mit einer Spannungsquelle kontaktierbar ist, wobei das mindestens eine Mikroheizelement derart angeordnet ist, dass eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Diamantschicht mit organischem Gewebe in Kontakt gebracht werden kann.

Description

Katheter mit integriertem Mikroheizelement
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Katheterinstrument., das sowohl ein neuartiges Wirkungsprinzip ausnutzt als auch eine neue Aufbaustruktur im Vergleich zu derzeit erhältlichen Ablationskathetern aufweist. Der Katheter besitzt ein integriertes, diamantbasiertes Mikroheizelement, das mit Verfahren der Mikrotechnik hergestellt wird.
Bei ausbleibender Wirkung medikamentöser Behandlungen bei HerzrhythmusStörung ist die Hochfrequenz- Katheterabiation zur Zeit das meistgenutzte Therapieverfahren. Hierzu werden mechanisch steuerbare Elek- trodenkatheter mittels einer Punktion der Vena oder Ateria femoralis ins Herz geführt. Der Katheter wird an die Stelle des arrhythmogenen Substrates plaziert, an welchen zur kurativen Therapie der Herzrhthmusstö- rung kleine Areale von Herzmuskelgewebe lokal zer- stört werden sollen. Unter Zuhilfenahme von elektri- scher Energie, die über die Katheterspitze anzuleiten ist, erfolgt eine Zerstörung von myokardialem Gewebe durch Erhitzen. Die Erwärmung erfolgt durch direktem Stromfluß durch das Gewebe. Drastische Probleme die- ses Standes der Technik sind unter anderem die sehr langen Erwärmungs- und Abkühlungsphasen der Metallspitze und die damit verbundene Unscharfe bei der Verbrennung von Gewebe und die nicht kontrollierbaren geometrischen Abmessungen der Läsionen infolge einer inhomogenen Leitfähigkeitsverteilung innerhalb des
Gewebes. Ferner ist die exakte Positionierung des Katheters im Herzen erschwert, da die verwendete Elektrodenkonfiguration zur Detektion der elektrischen Signale aus dem Herzen seriell und nicht, wie ge- wünscht, nebeneinander angeordnet ist. Auch kann der resultierende Effekt auf das Herzmuskelgewebe nur sehr ungenau bestimmt werden. Es wird die Temperatur im Inneren des Ablationskatheters, etwa 5 mm entfernt vom Herzmuskelgewebe im zirkulierenden Blut gemessen, wodurch aufgrund des Abkühlungseffektes eine exakte Temperaturbestimmung nicht möglich ist. Der praktische Nutzen der Temperaturbestimmung wird dadurch sehr stark eingeschränkt, stellt jedoch derzeit die einzige Methode zur Kontrolle der Auswirkung auf das myokardiale Gewebe dar. Die direkte Temperaturbestimmung ist daher zur dosierten Energieabgabe ein zwingend notwendiges Kontrollinstrument.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Ξr- findung, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und einen Katheter mit einem neuartigen Wirkungsprinzip und einer damit verbundenen verbesserten Funktionalität bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Katheter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den weiteren abhängi- gen Ansprüchen werden vorteilhafte Weiterbildungen des Katheters bezeichnet. Die Verwendung wird in den Ansprüchen 17 bis 19 beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Katheter mit mindestens einem integrierten Mikroheizelement vorgeschlagen, das eine elektrisch leitfähige dotierte Diamantschicht aufweist. Diese Diamantschicht ist über zwei elektrische Ableitungen mit einer Spannungsquelle kontak- tierbar. Dabei ist das Mikroheizelement derart angeordnet, daß eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Diamantschicht mit organischem Gewebe in Kontakt gebracht werden kann. Hierdurch wird es ermöglicht, daß die ungünstige Konfiguration von Elektrodenspitze und Elektroden zur Aufnahme der Herzmuskelpotentiale durch ein integriertes Mikroheizelement auf Diamantbasis ersetzt wird, wodurch die Funktionalität deutlich verbessert wird. Statt einer elektrisch leitenden Elektrodenspitze und somit Erhitzung des Gewebes durch einen elektrischen Stromfluß direkt durch das Gewebe vom Herzinneren zu einer am Rücken des Patienten angeordneten Elektrode wird in dem erfindungsgemäßen Katheter ein Mikroheizelement auf Diamantbasis verwendet.
Die elektrische Leitfähigkeit der Diamantschicht wird dadurch hergestellt, daß diese entsprechend dotiert werden, z.B. mit Bor, Schwefel, Stickstoff, Lithium, Phosphor und/oder Titan.
Durch die Verwendung von Diamant an allen mit dem Körpergewebe direkt in Verbindung kommenden Oberflächen sind die erfindungsgemäßen Katheter biomedizinisch absolut verträglich, da Diamant chemisch inert ist. Die Oberfläche ist auch bei Anwendung in aggressiven Medien chemisch stabil, selbst wenn der Diamant hochdotiert, d.h. hochleitfähig ist. Die elektrisch leitfähige DiamantSchicht kann dabei zusätzlich an der Oberfläche passiviert sein.
Eine Variante für den Aufbau des Mikroheizeϊementes besteht darin, daß die elektrisch leitfähige Diamantschicht auf einem Substrat aufgetragen ist, wobei zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Substrat eine weitere elektrisch isolierende, nicht dotierte DiamantSchicht angeordnet ist. Die Auftragung dieser Diamantschichten kann dabei selektiv mit Hilfe eines CVD-Verfahrens (englisch: Chemical Vapor Deposition) aufgetragen werden und anschließend die obere Diamantschicht in der beschriebenen Weise do- tiert werden. Das Substrat ist dabei beliebig wählbar, bevorzugt werden Silicium, Siliciumdioxid, Sili- ciumcarbid, Glas, Kunststoff, und/oder Diamant verwendet .
In einer bevorzugten Variante wird zwischen der elektrisch isolierenden Diamantschicht und dem Substrat eine wärmeisolierende Schicht angeordnet .Beispiele hierfür sind Dielektra wie Si02 und Si3 4.
In einer weiteren Variante des Katheters besteht die elektrische Ableitung aus einer mit der elektrisch leitfähigen dotierten DiamantSchicht in Kontakt stehenden Metallisierung, die mindestens aus einer Schicht besteht. Zusätzlich weist die elektrische Ab- leitung mindestens eine elektrische Führung auf, die im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Die Metallisierung ist dabei bevorzugt an der dem organischen Gewebe abgewandten Seite der elektrisch leitfähigen dotierten Diamantschicht angeordnet. Als Materialien für die Metallisierung kommen übliche Metalle, z.B. Silicium und/oder Chrom in Betracht. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Katheters weist das Mikroheizelement zusätzlich mindestens einen monolytisch integrierten Sensor auf.
Als Sensoren eignen sich besonderes solche, die zur Bestimmung der Temperatur, der Impedanz, des pH- Wertes, des Redoxpotentials, der elektromagnetischen und/oder korpuskularen Strahlung genutzt werden kön- nen. Gerade die Verwendung eines Temperatursensors hat hierbei den Vorteil, daß durch die Möglichkeit zur exakten Temperaturbestimmung nun eine deutlich verbesserte Funktionalität des Katheters ermöglicht wird. So können mit dem Katheter räumlich absolut symmetrische Läsionen realisiert werden, die zusätzlich eine sehr scharfe Abgrenzung zwischen koagulier- tem und gesundem Gewebe aufweisen.
Werden mehrere Mikroheizelemente in dem Katheter an- geordnet, so sind diese in einer bevorzugten Form selektiv ansteuerbar. Hier wird es ermöglicht, daß gleichzeitig oder zeitlich versetzt mehrere unterschiedliche Läsionen an unterschiedlichen Stellen des organischen Gewebes erzeugt werden.
Die Mikroheizelemente können dabei sowohl an der Stirnfläche des Katheters und/oder auch an den Seitenflächen des Katheters angeordnet sein.
Als Material für den Katheter wird bevorzugt ein
Kunststoff ausgewählt, besonders Polyurethan, Nylon und/oder Polyester. Zusätzlich kann die Oberfläche einer chemischen Behandlung unterzogen worden sein, z.B. daß die Oberfläche funktionalisiert oder termi- niert worden ist, wodurch die biomedizinische Verträglichkeit noch erhöht werden kann. ω ω Cn o Cπ o π o Cπ
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schrieben werden, ohne diesen dadurch einzuschränken.
So zeigt Figur 1 eine Aufbauvariante eines erfindungsgemäßen Katheters mit einem integrierten Mi ro- heizelement. Die Katheterwand weist hierbei eine Öffnung auf, die durch eine elektrisch leitfähige dotierte Diamantschicht 1 verschlossen wird. Hierdurch kann an dieser Oberfläche ein Kontakt zu organischem Gewebe hergestellt werden. Auf der der Öffnung abge- wandten Seite der elektrisch leitfähigen Diamantschicht ist eine elektrisch isolierende, nicht dotierte Diamantschicht 3 angeordnet. Zwischen dieser Schicht und dem Substrat 2 ist eine Wärmebarriereschicht 4 angeordnet, die zur thermischen Isolierung des Substrates dient. Die elektrisch leitfähige dotierte Diamantschicht ist auf den Seiten von je einer Metallisierung 5 umfaßt. Die Metallisierung wiederum steht in Kontakt zu einer elektrischen Führung 6, die im Inneren des Katheter angeordnet ist. Diese elek- trische Führung kann an eine interne oder externe Spannungsquelle angeschlossen werden.
Figur 2 zeigt die Integration eines Sensors 7 in mo- nolytischer Weise. Hierbei ist der Sensor auf dem gleichen Substrat 2 wie die elektrisch leitfähige Diamantschicht angeordnet. Diese Einheit kann dann entweder an der Stirnfläche oder an der Seitenfläche des Katheters angeordnet sein.
Figur 3 zeigt die Integration eines Sensors 7, der nicht auf dem gleichen Substrat 2 wie die elektrisch leitfähige Diamantschicht 1 angeordnet ist. Vielmehr ist in diesem Fall ein weiteres Substrat 2' vorgesehen, auf dem nun der Sensor 3 angeordnet ist. Diese Anordnungsvariante ermöglicht es, beliebig viele Sen- sorelemente in dem Katheter zu integrieren.

Claims

Patentansprüche
1. Katheter mit mindestens einem integrierten Mikroheizelement, das eine elektrisch leitfähige, dotierte Diamantschicht (1) aufweist, die über zwei elektrische Ableitungen mit einer Spannungsquelle kontaktierbar ist, wobei das mindestens eine Mikroheizelement derart angeordnet ist, dass eine Oberfläche der elektrisch leitfähigen Diamantschicht mit organischem Gewebe in Kontakt gebracht werden kann.
2. Katheter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Diamantschicht mit Bor, Schwefel, Stickstoff, Lithium, Phosphor und/oder Titan dotiert ist.
3. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Diamantschicht an der Oberfläche pas- siviert ist.
4. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Diamantschicht auf einem Substrat (2) aufgetragen ist, wobei zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Substrat eine weitere elektrisch isolierende Diamantschicht (3) angeordnet ist.
Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus
Si, Si02, SiC, Glas, Kunststoff und/oder Diamant besteht.
6. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrisch isolierenden Diamantschicht und dem Sub- strat eine wärmeisolierende Schicht (4) angeordnet ist.
7. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ableitung eine mit der elektrisch leitfähigen Diamantschicht in Kontakt stehende Metallisierung (5), die mindestens aus einer Schicht besteht, sowie mindestens eine elektrischen Führung (6) im Inneren des Gehäuses aufweist.
8. Katheter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung an der dem organischen Gewebe abgewandten Seite der elektrisch leitfähigen Diamantschicht angeordnet ist.
9. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung aus Silicium und/oder Chrom besteht.
10. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroheizelement mindestens einen monolithisch integrierten Sensor, z.B. zur Bestimmung der Temperatur, der Impedanz, des pH-Wertes, des Redoxpotentials, der elektromagnetischen und/oder korpuskularen Strahlung, aufweist.
11. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroheizelemente selektiv ansteuerbar sind.
12. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mikroheizelement an der Stirnfläche und/oder an den Seitenflächen des Katheters angeordnet sind.
13. Katheter ' nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Katheter aus einem Kunststoff, z.B. Polyurethan, Nylon und/oder Polyester besteht.
14. Katheter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Katheters chemisch behandelt, z.B. funktionali- siert oder terminiert, ist.
15. Katheter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als externe Spannungsquelle eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle, bevorzugt ein Hochfrequenzgenerator, kontaktierbar ist.
16. Verwendung des Katheters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Ablation von Herzgewebe.
17. Verwendung des Katheters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 zur thermischen Behandlung, Verödung, Koagulation und/oder Blutstillung.
18. Verwendung des Katheters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Schneiden, Trennen, Überhitzen und/oder Markieren von organischem Gewebe.
19. Verwendung des Katheters nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15 zur thermischen Behandlung oder Verödung von Gefäßablagerungen.
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