WO1993002739A1 - Stimulationselektrode - Google Patents

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WO1993002739A1
WO1993002739A1 PCT/DE1992/000658 DE9200658W WO9302739A1 WO 1993002739 A1 WO1993002739 A1 WO 1993002739A1 DE 9200658 W DE9200658 W DE 9200658W WO 9302739 A1 WO9302739 A1 WO 9302739A1
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electrode
stimulation
stimulation electrode
inert
electrode according
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PCT/DE1992/000658
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French (fr)
Inventor
Armin Bolz
Max Schaldach
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Biotronik SE and Co KG
Original Assignee
Biotronik Mess und Therapiegeraete GmbH and Co
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Priority to US08/193,042 priority patent/US5571158A/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a stimulation electrode of the type specified in the preamble of claim 1.
  • the phase boundary can be between a solid, that is, between the stimulation electrode a pacemaker and an electrolyte are described as the parallel connection of the phase limit, ie the Helmholtz capacitance C H and the Faraday resistor R F , to which the line resistance R L is connected in series.
  • the impedance of the electrode system Z DL thus depends on the frequency ⁇ of the applied voltage according to the following equation:
  • a certain charge Q which can be calculated from the integral of the stimulation current I (t) over the pulse width T, is required for the excitation of the heart muscle. It follows that by minimizing the impedance of the electrode system z DI ⁇ the amount of energy required for the excitation of the heart
  • R 0 is a constant conduction resistance and A is the active surface
  • the enlargement of the active surface of the electrode according to (3) leads to an increase in the Helmholtz capacitance C H and according to (2) Reduction of Faraday resistance R F. According to (l), both then result in a reduction in the impedance Z DL and the required amount of energy E.
  • the active surface A can be changed in particular by enlarging the electrode and / or by structuring the electrode surface.
  • EP-A-0 117 972 and EP-A-0 115 778 stimulation electrodes are already known whose electrochemically active surfaces by means of a porous layer of a carbide, nitride or carbonitride of at least one of the metals Titanium, vanadium, zirconium, niobium, molybdenum, haf ⁇ nium, tantalum or tungsten are enlarged.
  • a disadvantage of these known porous electrode coatings is, however, that the total capacity of the implanted electrodes slowly decreases over time and leads to a corresponding increase in the amount of energy required.
  • the stimulation voltage must therefore be chosen to be relatively high in order to exceed the stimulus threshold of the patient in the long term with the pulse energy.
  • an increase in the voltage of the pulses is necessary, which in turn leads to an increase an enlargement of the energy sources - and thus an enlargement of the housing - in implantable systems - results.
  • the polarization voltage also increases, so that the counter pulses commonly used in order to avoid the effects of the polarization voltage on the input amplifier of the pacemaker must be increased accordingly after stimulation has taken place.
  • the invention has for its object to improve a stimulation electrode of the type mentioned in such a way that, on the one hand, the energy required for stimulation can remain low in the long term and, on the other hand, reliable effectiveness detection is ensured with simple measures.
  • the invention is based on the knowledge that the materials of the known electrodes, and in particular titanium, vanadium, zirconium and niobium, tend to undergo extreme oxidation in some cases and that this high tendency to oxidize leads to the formation of contact with aqueous electrolytes electron trodenoberflache forms a thin insulating or semiconducting oxide, which is one of Helmholtz capacitance C H series-connected capacitance C o ⁇ and dissociation energy thus leads to lang ⁇ seed reducing the overall capacity and thus ent speaking increase in the respectively required Stimula-. With anodic polarity, OH ⁇ ions are drawn into the solid and lead to an enlargement of the oxide layer thickness.
  • the anodic pulses which are required as active counter pulses in the detection of effectiveness in the usual charge integration process, therefore have the effect that the detection of effectiveness cannot be carried out with the known electrodes or can only be carried out with an increased amount of energy.
  • Anodic polarity occurs not only in the case of active counter pulses for effectiveness detection, but also in the case of anodically polarized electrodes in multipolar pacemaker systems or in the measurement of impedance in the heart. It can also be caused by overshoot of the stimulation impulses.
  • the conventional coated porous electrodes are initially fundamentally able to be stimulated with good success at low energy because of their large relative surface area. It has now been recognized that the Helmholtz capacitance is reduced by the tendency to oxidize, which leads to an increase in the electrode impedance. The resulting influence on the electrode properties in the course of the implantation time is so serious because the deterioration of the electrode properties has effects which in turn contribute to the fact that the stimulation properties are additionally adversely affected. Thus, in the case of a deteriorating electrode, a higher pulse energy is necessary, so that a counter-pulse with greater energy is required for effectiveness detection, which in turn is necessary again contributes to the deterioration of the electrode properties.
  • the deterioration of the operating conditions is essentially based on measures which correspond to the deteriorated operating conditions should actually counteract.
  • the long-term stable, biocompatible surface coating of the stimulation electrode according to the invention consists of a material whose tendency to oxidize is very low, preferably using an inert material, ie a nitride, carbide, carbonitride or a pure element or certain alloys from the group Gold, silver, platinum, iridium or carbon is vacuum-applied to the electrode. Because of the fractal spatial geometry of such a surface layer applied, its active surface is very large, so that the amount of energy required for stimulation can be kept low.
  • the after-potential of a stimulation electrode made of titanium which has a sputtered iridium layer by means of reactive cathode sputtering, is up to six times (from approx. 600 to approx. 100 mV) smaller than the after-potential of a bare stimulation electrode made of titanium. Because of this significant reduction in the after-potential, the detection of the intracardiac EKG is not only possible in a conventional manner with an amplifier and a triger device, but a functional effect can also be achieved. activity detection can be used that does not require a counter-pulse.
  • any reserves that are otherwise required can be dispensed with and the operating time of the implant can be decisively increased or the housing size significantly reduced.
  • a certain charge Q is required for successful stimulation.
  • the current required for this also charges the Helmholtz capacitance C H , which is why a voltage, the so-called after-potential, can be measured across the capacitor after the stimulus. Since with constant charge the voltage drop across a capacitor is inversely proportional to the capacitance, the after-potential is also reduced by a high Helmholtz capacitance C H , which is achieved by the large active surface of the stimulation electrode according to the invention, and its change over time reduced.
  • the electrode can - if desired under certain conditions - be operated anodically without an oxide layer forming and / or its layer thickness d increasing, so that the Helmholtz capacitance C H can always be kept at a high value, the after-potential caused by the electrode being kept as low as desired and thus ensuring the optimization of the stimulation behavior by reliable detection of effectiveness.
  • the properties of the electrode according to the invention are significantly improved by the fractal geometry compared to electrodes according to the prior art, since the fractal-like "cauliflower-like surface" creates porous structures which envelop a fine structure with respect to the external geometry of the electrode surface has a very large increase in surface area.
  • the geometric areas, which have the coarser structure in connection with the fractal geometry, on the other hand create districts which ensure sufficient mechanical strength and serve as supports for the areas with finer geometric structure. It can thus be seen that the active coating of the electrode has a geometric structure that is increasingly refined towards its surface. The size of the pores therefore decreases with increasing proximity to the surface.
  • Such a structure is comparable to a vein system which has a fine structure in its peripheral areas which lead to an increasingly coarser structured main vein system.
  • the frequency spectrum of the intracardiac signals has a bandwidth of up to about 50 Hz with a maximum at about 1 to 5 Hz
  • the transmission behavior especially that of the considerable low-frequency components of the frequency spectrum, can also be optimized by maximizing the Helmholtz capacitance C H .
  • Another advantage of the stimulation electrode according to the invention is that the signal amplitudes are increased during the detection, since the detected voltage in all
  • the frequency ranges are based on the total impedance of the electrode system Z s and the phase limit impedance according to the following equation (ü EKG corresponds to the actual tension of the intracardiac EKG in the heart):
  • the impedance of the electrode system Z DL is minimized.
  • the size of the active surface could be changed by a simple enlargement of the electrode, it has been found that it is more advantageous to maximize the active surface in relation to the surface resulting from the geometrical shape of the electrode, since a linear enlargement even an approximately surface-proportional increase in the charge Q required for the irritation results and is therefore not a solution.
  • This observation can be explained by the different range of influence of the stimulation electrodes; in a more refined way of speaking one should actually speak of a constant charge density necessary for the excitation of the heart muscle.
  • the surface coatings according to the invention made from the materials mentioned, and in particular from iridium nitride IrN, which are applied to conventional electrodes with the aid of modern vacuum coating methods such as sputtering or ion plating, are due to their frektalen Geometry for surface enlargement by a factor of 1000 and more.
  • frektalen Geometry for surface enlargement by a factor of 1000 and more.
  • a number of an element is found repeatedly but reduced to larger elements with approximately the same shape.
  • Such a shaping can be achieved - at least approximately - with methods of thin-film technology with a corresponding setting of the process parameters.
  • the electrode according to the invention also has surprisingly low stimulation threshold values in the long term.
  • the electrode can also be used in a favorable manner for operating modes in which this polarity is functionally necessary, such as for example with bi- or multipolar electrodes or intracardial impedance measurement.
  • the electrode according to the invention is preferably also suitable for neurostimulation and generally for stimulation purposes in which it is not a question of high field strengths, but rather of a low impedance and thus of large local charge or current density adjacent to the organ to be stimulated or arrives at the relevant nerve pathways.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a stimulation electrode according to the invention in a schematic representation in a side view
  • FIG. 2 shows an enlarged illustration of the detail II of FIG. 1 in section
  • FIG. 3 shows a diagram for comparing the impedance of the exemplary embodiment of the electrode according to the invention with corresponding electrodes of the same geometric dimension known from the prior art
  • FIG. 4 shows a representation of the fractal surface geometry of the electrode according to the invention.
  • Figure 5 shows a detail of the surface of the electrode according to the invention in an enlarged view.
  • the stimulation electrode 1 shown in a schematic side view in FIG. 1 is a unipolar nub electrode with a head having a cylindrical base body 2 made of titanium.
  • the cylindrical base body 2 has a surface coating 3 consisting of an inert material iridium nitride (IrN), which is applied to the cylindrical base body 2 of the titanium electrode by means of sputtering.
  • the electrode has a coiled, electrically conductive feed line 4, which is provided with an electrically insulating jacket 5 made of silicone. This silicone coating is shown transparently in the drawing. Shaped to the silicone jacket are rearward-facing flexible fastening elements 6 and 7, which serve to anchor the electrode in the heart, the surface of the base body being held in contact with the inner surface of the heart.
  • the base body 2 is pushed by means of a hollow cylindrical attachment 8 over the feed line 4 and fastened there, this attachment being shown in section in the drawing.
  • FIG. 2 shows an enlarged detail (detail II in FIG. 1) of the active surface.
  • the fractal spatial geometry (enlarged to scale) of the coating 3 which has grown like a stem in the microscopic region, results in a substantial increase in the active surface.
  • the surface enlargement achieved is in the range of more than 1000.
  • FIG. 3 which shows the course of the impedances of stimulation electrodes with different surface coatings in comparison
  • an electrode coated with iridium nitride in particular in the area smaller, is particularly suitable for the reception of signals received from the heart important low-frequency range in comparison with the electrode surface materials known from the prior art titanium or titanium nitride has the lowest phase limit impedance.
  • the effects of the differences determined are particularly important because the amplitude of the recorded signal is quadratically related to the internal resistance of the signal source.
  • pacemaker electrodes in which anodic operation is intended for operational purposes, are not shown in more detail in the drawings.
  • she are characterized by a surface that is smaller than comparable known electrodes, since here too there is no need for certain surface reserves, which had to be provided for the known electrodes in the event of an increase in impedance during operation.
  • ring-shaped regions are provided in the part lying back from the electrode head, which are provided with separate galvanic connections to the connection-side end. This can then either be a bipolar stimulation or an intracardiac impedance measurement to record the cardiac activity.
  • an area of the housing located in the direction of the body surface is provided with the coating according to the invention, while the remaining part of the housing is provided with an insulating jacket, which preferably consists of silicone rubber.
  • FIGS. 4a to c From the illustration in FIGS. 4a to c it can be seen how the basic shape of a semicircular cross section shown in FIG. 4a is overlaid by a correspondingly scaled-down geometrical shape.
  • the reduced form elements each attach to the surface of the next larger basic form.
  • the next stage of the overlays is shown in Figure 4c.
  • the simplified representation in these figures only serves to illustrate the basic geometric relationships. In practical production, the basic shapes can be superimposed on other levels.
  • the electron microscopic representation according to FIG. 5 shows the surface of an electrode according to the invention, which has a cauliflower-like exterior. Although the structure is irregularly shaped, it follows the illustrated fractal laws. The structure, which is always refined towards the outside, makes it possible to achieve a microscopic surface which is many times larger in area than the associated macroscopic surface area.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred embodiment described above. Rather, a number of variants are conceivable which make use of the solution shown, even in the case of fundamentally different types.

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Abstract

Stimulationselektrode mit einer porösen Oberflächenbeschichtung, deren aktive Oberfläche wesentlich größer ist als die sich aus der geometrischen Grundform der Elektrode ergebende Oberfläche, wobei die Oberflächenbeschichtung aus einem inerten Material, d.h. einem Material ohne bzw. mit einer nur sehr geringen Oxidationsneigung besteht, wobei das Material der Oberflächenbeschichtung aus einem inertem Element, einer inerten chemischen Verbindung und/oder einer inerten Legierung gebildet ist, und die aktive Oberfläche durch eine fraktalartige räumliche Geometrie um einen Faktor von mindestens tausend größer ist als die sich aus der geometrischen Grundform der Elektrode ergebende Oberfläche.

Description

Stimulationselektrode
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine Stimulationselektrode der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Aus elektrischer Sicht läßt sich die Phasengrenze zwischen einem Festkörper, also zwischen der Stimulationselektrode eines Herzschrittmachers und einem Elektrolyten verein¬ facht als Parallelschaltung der Phasengrenz- d.h. der Helmholtzkapazität CH und des Faradaywiderstandes RF be¬ schreiben, dem der Leitungswiderstand RL in Serie geschal- tet ist. Damit ist die Impedanz des Elektrodensystems ZDL von der Frequenz ω der angelegten Spannung nach folgender Gleichung abhängig:
1 -1/2 Z R + ( + ω2C 3 ) (1)
DL L RF 2 H
Für die Erregung des Herzmuskels ist eine bestimmte Ladung Q erforderlich, die sich aus dem Integral des Stimula¬ tionsstromes I(t) über die Pulsbreite T berechnen läßt. Daraus folgt, daß man durch eine Minimierung der Impedanz des Elektrodensystems zDIι die für die Erregung des Herzens erforderliche Energiemenge
T
Figure imgf000004_0001
o
ebenfalls minimieren kann. Da der Leitungswiderstand RL konstant ist, der Paradaywiderstand RF mit folgender Glei¬ chung
RF =£° (2)
definiert wird, wobei R0 ein konstanter Überleitungswider¬ stand und A die aktive Oberfläche ist, und die Helmholtz¬ kapazität CH wie folgt definiert wird: -H = ε ( 3 )
wobei ε die Dielektrizitätskonstante der angelagerten Was¬ serdipole, ε0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und d die Dicke der Helmholtzschicht ist, führt die Vergröße¬ rung der aktiven Oberfläche der Elektrode gemäß (3) zur Vergrößerung der Helmholtzkapazität CH und gemäß (2) zur Verminderung des Faradaywiderstandes RF. Beide haben dann gemäß (l) eine Verringerung der Impedanz ZDL und der erfor¬ derlichen Energiemenge E zur Folge. Die aktive Oberfläche A ist dabei insbesondere durch die Vergrößerung der Elektrode und/oder durch eine Strukturierung der Elektrodenoberflä¬ che veränderbar.
AUS EP-A-0 117 972, EP-A-0 116 280 und EP-A-0 115 778 Sind bereits Stimulationselektroden bekannt, deren elektroche¬ misch aktiven Oberflächen mittels einer porösen Schicht aus einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid wenigstens eines der Metalle Titan, Vanadium, Zirkon, Niob, Molybdän, Haf¬ nium, Tantal oder Wolfram vergrößert sind.
Nachteilig bei diesen bekannten porösen Elektrodenbe- schichtungen ist aber, daß die Gesamtkapazität der implan¬ tierten Elektroden sich mit der Zeit langsam verringert und zu einer entsprechenden Erhöhung der erforderlichen Energiemenge führt. Damit muß die Stimulationsspannung re¬ lativ hoch gewählt werden, um mit der Impulsenergie die Reizschwelle der Patienten auch langfristig zu übertref¬ fen. Zur Abgabe der erhöhten Energie ist aber eine Erhö¬ hung der Spannung der Impulse notwendig, woraus wiederum eine Vergrößerung der Energiequellen - und damit eine Ver¬ größerung des Gehäuses - bei implantierbaren Systemen - resultiert. Mit der Erhöhung der Impulsenergie erhöht sich auch die Polarisationsspannung, so daß auch die üblicher- weise verwendeten Gegenimpulse bei zur Vermeidung der Aus¬ wirkungen der Polarisationsspannung auf den Eingangsver¬ stärker des Schrittmachers nach erfolgter Stimulation ent¬ sprechend vergrößert werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stimula¬ tionselektrode der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, daß zum einen die erforderliche Energie zur Stimulation auch langfristig niedrig bleiben kann und daß zum anderen eine sichere Effektivitätserkennung mit einfa- chen Maßnahmen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Werkstof¬ fe der bekannten Elektroden und insbesondere Titan, Vana¬ dium, Zirkon und Niob zu teilweise extremer Oxidation nei¬ gen und daß diese hohe Oxidationsneigung bei Kontakt zu wässrigen Elektrolyten dazu führt, daß sich an der Elek- trodenoberflache eine dünne, isolierende bzw. halbleitende Oxidschicht bildet, die eine der Helmholtzkapazität CH in Serie geschaltete Kapazität Coχ darstellt und so zur lang¬ samen Verringerung der Gesamtkapazität und damit zur ent¬ sprechenden Erhöhung der jeweils erforderlichen Stimula- tionsenergie führt. Bei anodischer Polung werden OH~-Ionen in den Festkörper gezogen und führen dort zur Vergrößerung der Oxidschichtdicke führen. Dies hat eine weitere Verrin¬ gerung der Phasengrenzkapazität und damit eine weitere Er¬ höhung der Elektrodenimpedanz zur Folge. Die anodischen Pulse, die bei der Effektivitätserkennung bei dem üblichen Ladungsintegrationsverfahren als aktive Gegenpulse erfor¬ derlich sind, bewirken daher, daß die Effektivitätserken¬ nung mit den bekannten Elektroden nicht oder nur bei einer erhöhten Energiemenge durchführbar ist.
Eine anodische Polung tritt aber nicht nur bei aktiven Ge¬ genimpulsen zur Effektivitäterkennung auf, sondern auch bei anodisch gepolter Elektrode in multipolaren Schrittma¬ chersystemen oder bei der Impedanzmessung im Herzen. Sie kann darüber hinaus auch durch Überschwinger der Stimula- tionsimpulse hervorgerufen werden.
Damit ist den herkömmlichen beschichteten porösen Elektro¬ den wegen ihrer großen relativen Oberfläche zunächst eine grundsätzlich eine Stimulation mit gutem Erfolg bei nie- driger Energie möglich. Es wurde nun erkannt, daß durch die Oxidationsneigung die Helmholtzkapazitat verkleinert wird, was zu einer Erhöhung der Elektrodenimpedanz führt. Die damit hervorgerufene Beeinflussung der Elektrodenei¬ genschaften im Laufe der Implantationszeit ist deshalb so schwerwiegend, weil die Verschlechterung der Elektrodenei¬ genschaften Auswirkungen hat, welche ihrerseits dazu bei¬ tragen, daß die Stimulationseigenschaften zusätzlich un¬ günstig beeinflußt werden. So ist bei einer sich ver¬ schlechternden Elektrode eine höhere Impulsenergie notwen- dig, so daß zur Effektivitätserkennung auch ein Gegenim¬ puls mit größerer Energie notwendig ist, der seinerseits wieder zur Verschlechterung der Elektrodeneigenschaften beiträgt. Da die Impulsenergie und die zur Effektivitäts¬ erkennung notwendigen Gegenimpulse auf Werte eingestellt sind, welche über die gesamte Implantationsdauer des Schrittmachers Gültigkeit haben müssen, beruht die Ver¬ schlechterung der Betriebsbedingungen, im Endeffekt im we¬ sentlichen auf Maßnahmen, welche den verschlechterten Be¬ triebsbedingungen eigentlich entgegenwirken sollen.
Die langzeitstabile, bioverträgliche Oberflächenbeschich¬ tung der erfindungsgemäßen Stimulationselektrode besteht aus einem Material dessen Oxidationsneigung sehr gering ist, wobei sie vorzugsweise unter Verwendung eines inerten Materials, also eines Nitrides, Carbides, Carbonitrides oder aber eines reinen Elementes bzw. bestimmter Legierun¬ gen aus der Gruppe Gold, Silber, Platin, Iridium oder Koh¬ lenstoff vakuumtechnisch auf die Elektrode aufgetragen wird. Wegen der fraktalen räumlichen Geometrie einer der¬ art aufgetragenen Oberflächenschicht ist deren aktive Oberfläche sehr groß, so daß die zur Stimulation erfor¬ derliche Energiemenge gering gehalten werden kann.
Das Nachpotential einer Stimulationselektrode aus Titan, die mittels der reaktiven Kathodenzerstäubung eine gesput- terte Iriduimschicht aufweist, ist bis um das sechsfache (von ca. 600 auf ca. 100 mV) kleiner als das Nachpotential einer blanken Stimulationselektrode aus Titan. Wegen die¬ ser signifikanten Verringerung des Nachpotentials ist die Erkennung des intrakardialen EKGs nicht nur auf herkömmli- ehe Weise mit einem Verstärker und einer Trigerreinrich- tung möglich, sondern es kann eine funktionsfähige Effek- tivitätserkennung angewandt werden, die ohne Gegenimpuls auskommt.
Durch die Verringerung der erforderlichen Stimulationse¬ nergie über die Lebensdauer des Implantats kann auf sonst erforderliche Reserven verzichtet und in vorteilhafter Weise die Betriebszeit des Implantates entscheidend ver¬ größert bzw. die Gehäusegröße entscheidend verkleinert werden.
Zur erfolgreichen Stimulation ist eine bestimmte Ladung Q erforderlich. Der dazu notwendige Strom lädt auch die Helmholtzkapazitat CH auf, weshalb nach dem Stimulus eine Spannung, das sogenannte Nachpotential, über dem Kondensa- tor meßbar ist. Da bei konstanter Ladung die an einem Kon¬ densator abfallende Spannung invers proportional zur Kapa¬ zität ist, wird auch das Nachpotential durch eine hohe Helmholtzkapazität CH, die durch die große aktive Oberflä¬ che der erfindungsgemäßen Stimulationselektrode erzielt wird, herabgesetzt und seine zeitliche Änderung verrin¬ gert. Da die inerte Oberflächenschicht der erfindungsgemä¬ ßen Stimulationselektrode keine bzw. nur eine sehr geringe Oxidationsneigung aufweist, kann - falls trotzdem unter bestimmten Bedingungen gewünscht - die Elektrode anodisch betrieben werden, ohne daß sich eine Oxidschicht bildet und/oder deren Schichtdicke d sich vergrößert, so daß die Helmholtzkapazität CH stets auf einem hohen Wert gehalten werden kann, wobei das durch die Elektrode verursachte Nachpotential wie erwünscht gering gehalten wird und somit für die Optimierung des Stimulationsverhaltens durch eine sichere Effektivitätserkennung gesorgt wird. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Elektrode werden durch die fraktale Geometrie gegenüber Elektroden nach dem Stand der Technik wesentlich verbessert, da durch die fraktalartige "blumenkohlartige Oberfläche" poröse Struk- turen geschaffen werden, welche eine Feinstruktur mit in Bezug auf eine die äußere Geometrie der Elektrode umhül¬ lenden Fläche eine sehr große Oberflächenzunahme aufwei¬ sen. Durch die geometrischen Bereiche, welche im Zusammen¬ hang mit der fraktalen Geometrie die gröbere Struktur auf- weisen, werden andererseits Bezirke geschaffen, die für eine ausreichende mechanische Festigkeit sorgen und als Träger für die Bereiche mit feinerer geometrischer Struk¬ tur dienen. Es ist also ersichtlich, daß die aktive Be¬ schichtung der Elektrode eine geometrische Struktur auf- weist, die sich zu ihrer Oberfläche hin zunehmend verfeinert. Die Größe der Poren nimmt also mit zunehmender Nähe zur Oberfläche ab. Vergleichbar ist eine derartige Struktur mit einem Adersystem, welches in seinen periphe- ren Bereichen eine Feinstruktur aufweist, die in ein zu- nehmend gröber strukturiertes Hauptadersystem münden.
Da das Frequenzspektrum der intrakardialen Signale eine Bandbreite bis etwa 50 Hz mit einem Maximum bei etwa 1 bis 5 Hz besitzt, läßt sich auch mit der Maximierung der Helm- holtzkapazität CH das Übertragungsverhalten, vor allem das der erheblichen niederfrequenten Anteile des Frequenspek- trums optimieren.
Weiterhin vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Stimula- tionselektrode ist, daß die Signalamplituden bei der Detek- tion vergrößert werden, da die detektierte Spannung in al- len Frequenzbereichen von der Gesamtimpedanz des Elektro¬ densystems Zs und der Phasengrenzimpedanz nach folgender Gleichung beruht (üEKG entspricht dabei der im Herzen tat¬ sächlich vorliegenden Spannung des intrakardialen EKGs) :
udet - UEKG ( ^ " ZDL ) (*>
ZS
und durch die Maximierung der Helmholtzkapazität CH die Impedanz des Elektrodensystems ZDL minimiert wird.
Obwohl die Größe der aktiven Oberfläche durch eine einfa¬ che Vergrößerung der Elektrode zu verändern wäre, hat es sich herausgestellt, daß es vorteilhafter ist, die aktive Oberfläche im Verhältnis zur sich aus der geometrischen Form der Elektrode ergebenden Oberfläche zu maximieren, da eine lineare Vergrößerung auch nur eine näherungsweise oberflächenproportionale Erhöhung der zur Reizung erfor- derlichen Ladung Q zur Folge hat und daher keine Lösung darstellt. Diese Beobachtung erklärt sich durch den unter¬ schiedlichen Einflußbereich der Stimulationselektroden; in einer verfeinerten Sprechweise müßte eigentlich von einer konstanten, für die Herzmuskelerregung erforderlichen La- dungsdichte gesprochen werden.
Die erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtungen aus den genannten Werkstoffen, und insbesondere aus Iridiumnitrid IrN, die mit Hilfe moderner Vakuumbeschichtungsverfahren wie Sputtern oder Ionenplattieren auf herkömmliche Elek¬ troden aufgebracht werden, sorgen aufgrund ihrer frektalen Geometrie für Oberflächenvergroßerungen um einen Faktor 1000 und mehr. Bei einer fraktalen Geometrie wird eine An¬ zahl eines Elements wiederholt aber verkleinert auf größe¬ ren Elementen mit annähernd gleicher Form aufgefunden. Eine derartige Formgebung läßt sich - mindestens angenä¬ hert - mit Verfahren der Dünnschichttechnologie bei ent¬ sprechender Einstellung der Verfahrensparameter erzielen. Die erfindungsgemäße Elektrode weist auch langfristig überraschend niedrige Stimulationsschwellwerte auf.
Durch die Möglichkeit der anodischen Betriebsweise läßt sich die Elektrode in günstiger Weise auch für Betriebs¬ weisen einsetzen, bei denen diese Polarität funktionsnot¬ wendig ist, wie beispielsweise bei bi- oder multipolaren Elektroden oder intrakardialer Impedanzmessung.
Die erfindungsgemäße Elektrode ist in bevorzugter Weise auch für die Neurostimulation und generell für solche Sti¬ mulationszwecke geeignet, bei denen es nicht auf hohe Feldstärken, sondern auf eine geringe Impedanz und damit auf große lokale Ladungs- bzw. Stromdichte benachbart zu dem zu stimulierenden Organ bzw. den betreffenden Nerven- leitbahnen ankommt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un¬ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu¬ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen Stimulationselektrode in schematischer Darstellung in Seitenansicht, Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Details II der Figur 1 im Schnitt,
Figur 3 ein Diagramm zum Vergleich der Impedanz des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Elektrode mit aus dem Stand der Technik bekannten entsprechenden Elek¬ troden gleicher geometrischer Abmessung,
Figur 4 eine Darstellung zur fraktalen Oberflächengeo- metrie der erfindungsgemäßen Elektrode sowie
Figur 5 ein Ausschnitt der Oberfläche der erfindungs¬ gemäßen Elektrode in vergrößerter Darstellung.
Bei der in Figur 1 in schematischer Seitansicht darge¬ stellten Stimulationselektrode 1 handelt es sich um eine unipolare Noppenelektrode mit einem einen zylinderförmigen Grundkörper 2 aus Titan aufweisenden Kopf. Der zylinder- förmige Grundkörper 2 weist erfindungsgemäß eine aus einem inerten Material Iridiumnitrid (IrN) bestehende Oberflä¬ chenbeschichtung 3 auf, die mittels Kathodenzerstäubung auf den zylinderförmigen Grundkörpers 2 der Titanelektrode aufgebracht ist. Die Elektrode weist eine gewendelte, elektrisch leitende Zuleitung 4 auf, die mit einer elek- trisch isolierenden Ummantelung 5 aus Silikon versehen ist. In der Zeichung ist diese Silikonummantelung transpa¬ rent wiedergegeben. An die Silikonummantelung angeformt sind nach rückwärts gerichtete flexible Befestigungsele¬ mente 6 und 7, welche zur Verankerung der Elektrode im Herzen dienen, wobei die Oberfläche des Grundkörpers in Kontakt mit der inneren Herzoberfläche gehalten wird. Der Grundkörper 2 ist mittels eines hohlzylindrischen An¬ satzes 8 über die Zuleitung 4 geschoben und dort befe¬ stigt, wobei dieser Ansatz in der Zeichnung geschnitten dargestellt ist.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt (Detail II in Figur 1) der aktiven Oberfläche vergrößerten wiedergegeben. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, wird durch die (unmaßstäblich vergrößerte) fraktale räumliche Geometrie der im mikrosko- pischen Bereich stengelartig gewachsenen Beschichtung 3 eine wesentliche Vergrößerung der aktiven Oberfläche er¬ zielt. Die erzielte Oberflächenvergrößerung liegt im Be¬ reich von mehr als 1000.
Aus Figur 3, die den Verlauf der Impedanzen von Stimula¬ tionselektroden mit unterschiedlichen Oberflächenbeschich- tungen im Vergleich zeigt, ist ersichtlich, daß eine mit Iridiumnitrid beschichtete Elektrode insbesondere im Be¬ reich kleiner, für den Empfang von aus dem Herzen aufneh- menden Signalen besonders wichtigen niederfrequenten Be¬ reich im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik be¬ kannten Elektrodenoberflächenmaterialien Titan bzw. Titan¬ nitrid die niedrigste Phasengrenzimpendanz besitzt. Die ermittelten Unterschiede sind in ihren Auswirkungen des- halb besonders wesentlich, da die Amplitude des aufgenom¬ menen Signals quadratisch mit dem Innenwiderstand der Si¬ gnalquelle zusammenhängt.
Andere Ausführungsformen, von Schrittmacherelektroden, bei denen ein anodischer Betrieb betriebsmäßig gewollt ist, sind in den Zeichnungen nicht näher dargestellt. Sie zeichnen sich aus durch eine gegenüber vergleichbaren be¬ kannten Elektroden verkleinerte Oberfläche, da auch hier auf gewisse Flächenreserven verzichtet werden kann, welche bei den bekannten Elektroden für den Fall der Impedanzver- gößerung im Betrieb vorgesehen sein mußten. Bei bi- oder multipolaren Elektroden sind im gegenüber dem Elektroden¬ kopf zurückliegenden Teil ringförmige Bereiche vorgesehen, die mit separaten galvanischen Verbindungen zum anschluß- seitigten Ende versehen sind. Hiermit kann dann entweder eine bipolare Stimulation oder aber eine intrakardiale Im- pedanzumessung zur Erfassung der Herzaktivität erfolgen.
Im Falle der Verwendung des Herzschrittmachergehäuses ist ein in Richtung zur Körperoberfläche gelegener Bereich des Gehäuses mit der erfindungsgemäßen Beschichtung versehen, während der übrige Teil des Gehäuses mit einer isolieren¬ den Ummantelung versehen ist, die bevorzugt aus Silikon- Kautschuk besteht.
Aus der Darstellung in den Figur 4a bis c ist ersichtlich, wie die in Figur 4a dargestellte Grundform eines halb¬ kreisförmigen Querschnittes überlagert wird von einer ent¬ sprechenden maßstäblich verkleinerten geometrischen Form. Die verkleinerten Formelemente lagern sich dabei jeweils an der Oberfläche der nächst größeren Grundform an. Die nächste Stufe der Überlagerungen ist dabei in Figur 4c wiedergegeben. Die vereinfachte Darstellung in diesen Fi¬ guren dient lediglich der Veranschaulichung der grundsätz¬ lichen geometrischen Verhältnisse. Bei der praktischen Herstellung können sich die Grundformen räumlich weiteren Stufen überlagern. Die elektronenmikroskopisch vergrößerte Darstellung gemäß Figur 5 zeigt die Oberfläche einer erfindungsgemäßen Elek¬ trode, die ein blumenkohlartiges Äußeres zeigt. Die Struk¬ tur ist zwar unregelmäßig geformt, folgt aber den darge¬ stellten frektalen Gesetzmäßigkeiten. Durch die sich nach außen hin stets verfeinernde Struktur ist eine mikroskopi¬ sche Oberfläche erzielbar, die flächenmäßig um ein Vielfa¬ ches größer ist als der zugehörige makroskopische Flächen¬ bereich.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei¬ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
* * * * *

Claims

A n s p r ü c h e
1. Stimulationselektrode mit einer porösen Oberflächenbe- Schichtung deren aktive Oberfläche wesentlich größer ist als die sich aus der geometrischen Grundform der Elektrode ergebende Oberfläche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t
daß die Oberflächenbeschichtung aus einem inerten Mate¬ rial, d.h. einem Material ohne bzw. mit einer nur sehr ge¬ ringen Oxidationsneigung besteht, wobei das Material der Oberflächenbeschichtung aus einem inertem Element, einer inerten chemischen Verbindung und/oder einer inerten Le¬ gierung gebildet ist, wobei die aktive Oberfläche durch eine fraktalartige räumliche Geometrie um einen Faktor von mindestens tausend größer ist als die sich aus der geome¬ trischen Grundform der Elektrode ergebende Oberfläche.
2. Stimulationselektrode nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als inertes Material ein Nitrid, Carbid oder Carbonnitrid oder aber ein reines Element bzw. eine Legierung aus der Gruppe Gold, Silber, Iridium, Platin oder Kohlenstoff vorgesehen ist.
3. Stimulationselektrode nach Anspruch 2, daß die Be- Schichtung aus Iridiumnitrid besteht.
4. Stimulationselektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberflächenbeschichtung mittels Dünnschichttechno¬ logie auf die Elektrode aufgebracht ist.
5. Stimulationselektrode nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oberflächenbe¬ schichtung mittels reaktiver Kathodenzerstäubung oder Io- nenplattierung auf die Elektrode aufgebracht ist.
6. Stimulationselektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grundkörper aus Titan besteht.
7. Stimulationselektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektrode anodisch betrieben ist.
8. Stimulationselektrode nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die anodisch betriebene Elektrode die Referenzelektrode in einem bipolaren System oder eine Elektrode eines Systems bildet, welches eine Im¬ pedanzmessung im Herzen vornimmt.
9. Stimulationselektrode nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektrode die akti¬ ve Oberfläche eines Herzschrittmachergehäuses bildet.
10. Stimulationselektrode nach einem der vorangehenden
Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die
Anwendung als Herzschrittmacher- oder Neurostimulations- elektrode. * * * * *
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