DD263239A1 - STIMULATION AND DETECTOR ELECTRODE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Stimulations- und Detektorelektrode fuer biomedizinische Anwendungen, bei der eine Zuleitung und eine aktive Elektrode aus ein und demselben leitfaehigen Material bestehen und die an der funktionellen Uebergangsstelle Isolationsmaterial/Elektrode einen dichten Verschluss aufweist. Durch das vorgeschlagene Elektroden-Zuleitungs-System werden Phasengrenzen vermieden oder minimiert, die Rueckstell- und Massenkraefte durch die Zuleitung vernachlaessigbar gering sowie der technologische Aufbau und der Materialwert vertretbar.The invention relates to a stimulation and detection electrode for biomedical applications in which a lead and an active electrode made of one and the same leitfaehigen material and having a sealed seal at the functional interface insulating material / electrode. By the proposed electrode-feed system phase boundaries are avoided or minimized negligible the restoring forces and mass forces through the supply line and the technological structure and the material value acceptable.
Description
Die Erfindung betrifft eine auf Dauer implantierbare Stimulations- und Detektorelektrode mit bewegbarer Zuleitung für Zwecke derfunktionellen, prothetischen oder sonstigen Elektrostimulation oder als Biosensoren. Die Elektrode ist sowohl für Implantationen, z. B. für Herzschrittmacher, Innenrohrprothesen oder Rückenmarkstimulation im Langzeitgebrauch als auch in der kurzzeitigen Nutzung als Detektorelektrode nutzbar.The invention relates to a permanently implantable stimulation and detector electrode with movable supply line for the purpose of functional, prosthetic or other electrical stimulation or as biosensors. The electrode is suitable for both implantations, e.g. B. for pacemakers, inner tube prostheses or spinal cord stimulation in long-term use as well as in the short-term use as a detector electrode.
Bekannte implantierbare Elektroden bestehen zwecks Minimierung von Korrosion bzw. Erreichung einer Mindest-Biokompatibilität aus Platin, Platinlegierungen oder auch anderen korrosionsfesten Legierungen, wie z. B. Elgiloy.Known implantable electrodes are in order to minimize corrosion or achieve minimum biocompatibility of platinum, platinum alloys or other corrosion-resistant alloys, such. B. Elgiloy.
Es wurde vorgeschlagen (DE-OS 3345990), auf solche Metallelektroden Glaskohlenstoff aufzusputtern oder die Elektroden aus Glaskohlenstoff herzustellen (DE-OS 2613072, DD-PS 229028), um die Gewebedegeneration um die erwähnten Metallelektroden zu verhindern und Polarisationsverluste klein zu halten.It has been proposed (DE-OS 3345990) aufzusputtern on such metal electrodes glassy carbon or produce the electrodes of glassy carbon (DE-OS 2613072, DD-PS 229028) to prevent tissue degeneration around the mentioned metal electrodes and to keep polarization losses small.
Nachteil der beschichteten Metallelektroden wie auch der Glaskohlenstoffelektroden ist der relativ hohe Herstellungsaufwand, der sich aus der Zahl und Schwierigkeit der technologischen Schritte bei der Elektrodenherstellung sowie bei der Verbindung der Elektrode mit der Zuleitung ergibt. Sofern ein Edelmetallsubstrat verwendet wird, fallen auch Materialkosten ins Gewicht, zumal bei Metallelektroden zur Vermeidung von Lokalelementen monolithische Elektroden-Zuleitungs-Systeme ratsam sind.Disadvantage of the coated metal electrodes as well as the glassy carbon electrodes is the relatively high production costs resulting from the number and difficulty of the technological steps in the manufacture of electrodes and in the connection of the electrode to the supply line. If a noble metal substrate is used, material costs also come into play, especially since metal electrodes for avoiding local elements are advisable monolithic electrode-lead systems.
Erhebliche technologische Nachteile bekannter Elektroden mit bewegbarer Zuleitung rühren aus der Notwendigkeit her, die Zuleitung wendeln zu müssen, um im Interesse geringster Bruchgefahr große Biegeradien zu erzielen.Significant technological disadvantages of known electrodes with movable feed stem from the need to have to wind the supply line in order to achieve large bending radii in the interests of minimum risk of breakage.
Ein weiterer, in vielen Fällen entscheidender Anwendungsnachteil bekannter Elektroden sind die hohen Rückstellkräfte und u. U.Another, in many cases decisive application disadvantage of known electrodes are the high restoring forces and u. U.
auch das Gewicht der aus mechanischen Sicherheitsgründen reichlich dimensionierten Metallzuleitungen. Dadurch kann es unter anderem zu Elektrodendislokationen kommen.also the weight of the metal supply lines, which are amply dimensioned for mechanical safety reasons. This can lead, inter alia, to electrode dislocations.
Weiterhin können Standzeitnachteile an der Phasengrenze Elektrodenmaterial/Zuleitungsmetall entstehen. Infolge der Schwierigkeit, eine zuverlässige Verbindung zwischen Elektrodenmaterial und Zuleitungsmetall herzustellen, können Standzeitnachteile durch Bruchgefährdung oder Verschlechterung der elektrischen Kontaktierung entstehen. Durch den Einsatz weiterer Werkstoffe für die Verbindung (Klebstoff bindemittel, Hilfsmittel für das Fügeverfahren) besteht die Gefahr einer erhöhten Korrosionsanfälligkeit bzw. Gewebereaktion.Furthermore, service life disadvantages can arise at the phase boundary electrode material / lead metal. Due to the difficulty to produce a reliable connection between electrode material and lead metal, service life disadvantages may arise due to breakage or deterioration of the electrical contact. Through the use of other materials for the connection (adhesive binder, aids for the joining process) there is a risk of increased susceptibility to corrosion or tissue reaction.
Ziel der Erfindung ist es, ein Elektrode zu entwickeln, die eine hohe Standzeit für die Langzeitnutzung sowie eine bewegbare Zuleitung mit geringsten Rückstellkräften und geringem Eigengewicht aufweist.The aim of the invention is to develop an electrode which has a long service life for long-term use and a movable supply line with the least restoring forces and low weight.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verbindung zwischen Elektrode und Zuleitung auf neuartige Weise zu lösen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Zuleitung und eine aktive Elektrode aus ein und demselben leitfähigen Material bestehen und an der funktioneilen Übergangsstelle Isolationsmaterial/Elektrode einen dichten Verschluß aufweisen. Dabei kann das leitfähige Material der Elektrode und der Zuleitung aus Kohlenstoff oder organischen Metallen bestehen, eine gleiche oder unterschiedliche physikalische Struktur und eine gleiche oder unterschiedliche Formgestaltung aufweisen. Es kann faser-, stab- oder schlauchförmig ausgebildet sein, insbesondere als ein Faserbündel. Das leitfähige Material kann zur geometrischen Fixierung oder zur röntgenographischen Abbildung teilweise mit einem Metaligerüst umgeben sein oder eine metallische Ader besitzen, die nach Legung der Elektrode wieder entfernt wird. Die Form der aktiven Seite des leitfähigen Materials kann als Stab-, Bündel-, Rohr-, Trapezelektrode oder Elektrodenarray ausgebildet sein. Die Elektroden des Elektrodenarrays können einzelne oder gemeinsame Zuleitungen aufweisen. Das Faserbündel ist in einem hochpolymeren Material eingegossen, vorzugsweise an den Enden der Polymerummantelung. Das hochpolymere Material als Isoliermaterial kann ein Silikonkautschuk niederer Dichte, ein Polyurethanelastomer oder ein Epoxidharz sein. Die aktive Elektrodenseite ist in einem biokompatiblen Material, beispielsweise Silikonkautschuk, eingebettet oder mit einem Stützelement, beispielsweise einem Glaskohlenstoffstift, ausgerüstet. Durch das vorgeschlagene Elektroden-Zuleitungs-System werden Phasengrenzen zwischen Elektrode und Zuleitung vermieden oder minimiert, die Rückstell- und Massenkräfte durch die Zuleitung vernachlässigbar gering sowie der technologische Aufwand und der Materialwert vertretbar. Das System ist vor seinem Einsatz für Modifizierungsverfahren, wie Steriliation oder Oberflächenvergütung der aktiven Elektrode, verwendbar.The invention has for its object to solve the connection between the electrode and lead in a novel way. According to the invention the object is achieved in that a supply line and an active electrode made of one and the same conductive material and at the functional interface insulating material / electrode have a tight seal. In this case, the conductive material of the electrode and the feed line made of carbon or organic metals, have a same or different physical structure and a same or different shape design. It may be fiber-shaped, rod-shaped or tubular, in particular as a fiber bundle. The conductive material may be partially surrounded by a metal framework for geometric fixation or radiographic imaging or have a metallic core, which is removed after laying the electrode again. The shape of the active side of the conductive material may be formed as a rod, bundle, tube, trapezoid electrode or electrode array. The electrodes of the electrode array can have individual or common supply lines. The fiber bundle is cast in a high polymer material, preferably at the ends of the polymer jacket. The high polymer material as the insulating material may be a low density silicone rubber, a polyurethane elastomer or an epoxy resin. The active electrode side is embedded in a biocompatible material, for example silicone rubber, or equipped with a support element, for example a vitreous carbon pin. The proposed electrode-feed system prevents or minimizes phase boundaries between the electrode and the feed line, the restoring and inertial forces due to the feed line being negligibly low, and the technological outlay and material value being justifiable. The system is usable prior to its use for modification methods such as sterilization or surface treatment of the active electrode.
Nachstehend soll die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments:
Die Herzschrittmacherelektrode von einer Gesamtlänge von etwa 650mm besteht aus einer Zuleitung aus einem Kohlenstoffaserbündel mit einer Umhüllung aus Silikongummi. Die Kohlenstoffaserstruktur wird an der Übergangsstelle Zuleitung/Elektrodenkopf durch Tränkung der Fasern mit Silikonkautschuk über eine Länge von etwa 10mm verschlossen und gleichzeitig wird eine flüssigkeitsdichte Verbindung zur Umhüllung hergestellt sowie die gewünschte äußere Form des Fixierelementes gebildet. Die Fläche des elektrisch leitfähigen Elektrodenkopfes beträgt etwa 8mm2. An der Anschlußseite der Elektrode wird mittels mechanischer Quetschverbindung ein zylindrischer Metallsteckerstift mit dem Kohlefaserbündel verbunden. Anschließend wird diese Verbindungsstelle mit einem vorgefertigten Silikonkautschukformteil abgedeckt.The pacemaker electrode with a total length of about 650 mm consists of a lead made of a carbon fiber bundle with a sheath of silicone rubber. The carbon fiber structure is closed at the transition point lead / electrode head by impregnation of the fibers with silicone rubber over a length of about 10mm and at the same time a liquid-tight connection is made to the enclosure and formed the desired outer shape of the fixing. The surface of the electrically conductive electrode head is about 8mm 2 . At the terminal side of the electrode, a cylindrical metal pin is connected to the carbon fiber bundle by mechanical crimping. Subsequently, this connection point is covered with a prefabricated silicone rubber molding.
Herzschrittmacherelektrode ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen, aber mit unterschiedlicher Zahl der Kohlefasern über die Länge der Elektrode. Vor dem Verguß der Übergangsstelle Zuleitung/Elektrodenkopf werden die durchgehenden Kohlefasern im Kopfteil mit einem zusätzlichen Faserbündel erweitert.Pacemaker electrode similar to that described in Example 1, but with different numbers of carbon fibers over the length of the electrode. Before casting the transition point lead / electrode head, the continuous carbon fibers are extended in the headboard with an additional fiber bundle.
Stimulationselektrode ähnlich der im Beispiel 1 beschriebenen, aber mit einem als Array ausgebildeten Elektrodenkopf. Zwei getrennte Kohlenstoffaserbündel gleicher Faserzahl werden getrennt mit PUR-Elastomer bis auf eine Endenlänge von etwa 15mm getränkt und erhalten anschließend eine gemeinsame Umhüllung aus Silikonkautschuk. Durch die Tränkung mit PUR-Elastomer sind die beiden Faserbündel innerhalb der Umhüllung gegeneinander elektrisch isoliert. Die beiden ungetränkten Faserbündelenden werden am Kopfteil in zwei durchgehende Aussparungen eines vorgefertigten, scheibenförmigen Silikonkautschukformteils mit einer Fläche von etwa 60 mm2 eingeführt, so daß die Enden der Kohlefasern mit der Oberfläche des Formteiles abschließen. Die beiden Aussparungen im Formteil haben untereinander keine Verbindung und haben einen Durchmesser von etwa 2 mm. Anschließend werden die beiden zwischen diesem Formteil und der Silionkautschukumhüllung liegenden freien Faserbündelteile auf einer Länge von etwa 10mm so mit Silikonkautschuk getränkt und umgössen, daß zwischen den beiden Faserbündeln keine elektrische Verbindung entsteht und ein flüssigkeitsdichter Abschluß zum Formteil und zur Umhüllung realisiert wird.Stimulation electrode similar to that described in Example 1, but with an electrode head designed as an array. Two separate carbon fiber bundles of the same number of fibers are separately impregnated with PUR elastomer to an end length of about 15 mm and then obtained a common coating of silicone rubber. By impregnation with PUR elastomer, the two fiber bundles are electrically insulated from each other within the enclosure. The two bare fiber bundle ends are inserted at the head portion into two continuous recesses of a preformed disc-shaped silicone rubber molding having an area of about 60 mm 2 so that the ends of the carbon fibers are flush with the surface of the molding. The two recesses in the molding have no connection with each other and have a diameter of about 2 mm. Subsequently, the two lying between this molding and the Silionkautschukumhüllung free fiber bundle parts are soaked with silicone rubber over a length of about 10mm and umgössen that between the two fiber bundles no electrical connection is formed and a liquid-tight seal to the molding and the envelope is realized.
Die zwei Stimulationselektroden einer zweikanaligen Innenrohrprothese besitzen etwa 80 mm lange Zuleitungen aus Kohlenstoffaserbündeln, die mit Silikonkautschuk ummantelt sind. Die Kohlenstoffaserbündel sind länger als die jeweiligen Zuleitungen. Am aktiven Ende des einen Elektrodensystems sine 3ie auf eine Länge von 5mm mittels Silikonkauschuk zu einem mechanisch beanspruchbaren Stift von 0,6mm Durchmesser so verklebt und isoliert, daß nur an dessen Ende eine Stromaustrittsfläche vorliegt. Am aktiven Ende des anderen Elektrodensystems sind die Kohlenstoffasern so mittels Silikonkautschuk verklebt, daß für die Applikation am runden Fenster des Innenrohres eine halbkugelförmige Reizelektrode vorliegt. Am jeweils entgegengesetzten Ende der beiden Elektrodensysteme sind die Kohlefaserbündel mittels Leitkleber mit der Elektronik des Prothesenimplantats elektrisch verbunden.The two stimulation electrodes of a two-channel inner tube prosthesis have about 80 mm long leads of carbon fiber bundles, which are coated with silicone rubber. The carbon fiber bundles are longer than the respective supply lines. At the active end of the one electrode system, they are glued and isolated to a length of 5 mm by means of a silicone blanket to form a mechanically stressable pin of 0.6 mm diameter so that a current exit surface is present only at its end. At the active end of the other electrode system, the carbon fibers are bonded by means of silicone rubber so that for application to the round window of the inner tube there is a hemispherical stimulating electrode. At the opposite end of the two electrode systems, the carbon fiber bundles are electrically connected by means of conductive adhesive to the electronics of the prosthesis implant.
Die Stimulationselektrode einer Innenrohrprothese oder eines anderen Elektrostimulationssystems besteht aus glasartigem Kohlenstoff. Sie befindet sich lediglich durch mechanischen Kontakt etwa durch Aufstecken oder Umschlingung in stromleitfähiger Verbindung mit dem als Zuleitung ausgebildeten Kohlenstoffaserbündel.The stimulation electrode of an inner tube prosthesis or other electrical stimulation system is made of vitreous carbon. It is merely by mechanical contact, for example by plugging or wrapping in current-conducting connection with the carbon fiber bundle formed as a feed line.
Ein intrakochleär anzuwendendes Elektrodenarray einer Vielkanalinnenrohrprothese besteht aus beispielsweise 10000 Kohlenstoffasern, die weitgehend parallel, in wenigen Lagen übereinander und gegeneinander einzeln oder auch inAn intra-cochlear electrode array of a multichannel inner tube prosthesis to be used consists of, for example, 10,000 carbon fibers, which are largely parallel, one above the other in a few layers and individually or else one another
Gruppen zu beispielsweise 100 Fasern isoliert sind, so daß das einer Faser oder Fasergruppe an einem Ende des Arrays eingeprägte elektrische Potential am anderen Ende des Arrays bei bekannten Schnittflächen-Koordinaten abgreifbar ist. Am aktiven Ende des Arrays enden die Kohlenstoffasern oder Faserbündel in sinnvoller Reihenfolge über einen Längenabschnitt von beispielsweise 20 mm immer an der Außenseite des Elektrodenkörpers. Das kann bei der Herstellung dadurch erreicht werden, daß das Faserband an der aktiven Seite so schräg abgeschnitten wird, daß sich die Schnittfläche über den gewünschten Längenabschnitt erstreckt und dann das Faserband mit den längsten Fasern nach innen längs eingerollt oder nur einfach längs ein-oder mehrmals gefaltet wird.Groups are isolated, for example, 100 fibers, so that the one of a fiber or fiber group at one end of the array impressed electrical potential at the other end of the array can be tapped at known interface coordinates. At the active end of the array, the carbon fibers or fiber bundles end in a meaningful order over a length of, for example, 20 mm always on the outside of the electrode body. This can be achieved in the manufacture by slicing the sliver on the active side so that the cut surface extends over the desired length and then rolling the sliver with the longest fibers inward longitudinally, or simply longitudinally one or more times is folded.
Ein für die vielkanalige Stimulation beliebiger, komplexer neuronaler Strukturen anwendbares Elektrodenarray ist mit mehr oder weniger Kohlenstoffasern prinzipiell identisch aufgebaut wie das Array in Beispiel 6 mit den beiden Unterschieden, daß die Kohlenstoffasern mehrlagig angeordnet sind und daß ihre aktiven Enden eine gedachte, den neuroanatomischen Gegebenheiten entsprechende Linie oder Fläche berühren.An electrode array which can be used for multichannel stimulation of arbitrary, complex neuronal structures is in principle identically constructed with more or less carbon fibers than the array in Example 6 with the two differences that the carbon fibers are arranged in multiple layers and that their active ends have an imaginary neuroanatomical situation Touch line or surface.
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