DE2612130A1

DE2612130A1 - Bandfoermige elektrode zum uebertragen von elektrischen signalen durch die haut hindurch

Info

Publication number: DE2612130A1
Application number: DE19762612130
Authority: DE
Inventors: Charles W Burton
Original assignee: Medtronic Inc
Current assignee: Medtronic Inc
Priority date: 1975-04-14
Filing date: 1976-03-22
Publication date: 1976-10-28
Also published as: DK135976A; DE7626334U1; GB1520351A; CA1067963A; IT1059969B; US4008721A; AU1259376A; ES445991A1; NL7602970A; ZA761454B; JPS51124082A; BE840524A; DE7608817U1; BR7602148A; FR2307553A1; CH597872A5; DD124709A5; SE7604323L

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. GERHARD SCHWAN

8000 MÜNCHEN 83 ■ ELFENSTRASSE 32 261213U

MEDTRONIC, INC. 3055 Old Highway Eight, Minneapolis, Minn. 5544O/V.St.A.

Bandförmige Elektrode zum Übertragen von elektrischen Signalen durch die Haut hindurch

Die Erfindung betrifft Elektroden, die zur Anbringung an der Außenschicht der menschlichen Haut bestimmt sind und oefaßt sich insbesondere mit Elektroden, die als Sendeelektroden, und nicht nur als Überwachungselektroden, benutzt werden sollen, um elektrische Energie in erheblicher Stärke auf den menschlichen Körper zu übertragen. Die Stromstärken, die bei Überwachungselektroden oder Meßelektroden auftreten, sind so gering, daß für die auf dem Markt befindlichen Überwachungselektroden leitende Gelees und dergleichen in großem Umfang vorgesehen werden. Solche geleeartigen Elektroden sind jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet.

Eine auf der menschlichen Haut anzubringende Elektrode, die verwendet werden soll, um in den menschlichen Körper elektrische Energie einzubringen, soll einer Reihe von Anforderungen genügen. Die Elektrode soll auch von Laien ohne weiteres gehgndhabt werden können, so daß für ihre Anbringung und Benutzung keine besondere Geschicklichkeit oder Spezialausbildung

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benötigt wird. Die Handhabung soll mit einem Minimum an Sorgfalt möglich sein; Verschmutzungen, wie sie bei der Benutzung von leitenden Gelees häufig unvermeidbar sind, sollen vermieden werden. Mit der Hautelektrode soll ein guter elektrischer Kontakt erzielt werden, der die Übertragung von Strömen ermöglicht, die im Vergleich zu den bei Überwachungselektroden auftretenden Strömen relativ hoch sind. Die Elektrode soll viele Tage lang an Ort und Stelle belassen werden können, während der die Elektrode tragende Patient seiner normalen Tätigkeit nachgeht. Um auf der Haut des Patienten halbpermanent angebracht werden zu können, muß die Elektrode so beschaffen sein, daß sie das Wachstum von Bakterien oder anderen Mikroorganismen im Bereich zwischen Elektrode und Haut wirkungsvoll hemmt. Weil die Elektrode dazu bestimmt ist, in die Haut des Patienten eine verhältnismäßig hohe Energie zu übertragen, ist es wichtig, daß die Leitfähigkeit quer zur Elektrode hoch genug ist, um den Strom auf einen verhältnismäßig breiten Hautbereich zu verteilen. Dies macht darüberhinaus einen Elektrodenleitungskontakt notwendig, der keine "heißen" Stellen entstehen läßt, die zu Hautverbrennungen des Patienten führen. Wenn die Elektrode für längere Zeiträume auf der Haut verbleiben soll, müssen die für die gesamte Elektrode verwendeten Werkstoffe so gewählt sein, daß sie gegenüber der Haut der Mehrzahl der Patienten nichtallergen sind. Ein weiteres wichtiges Erfordernis einer praktisch brauchbaren Elektrode besteht darin, daß die Kosten der Elektrode gering sind.

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Mit der Erfindung wird die Aufgabe, eine Elektrode der vorstehend skizzierten Art zu schaffen, dadurch gelöst, daß die Elektrode einen porösen Trager und einen auf der einen Oberfläche des Trägers angeordneten leitenden Überzug aufweist, der zwecks Anbringung an der Haut in einem flüchtigen organischen Lösungsmittel mindestens teilweise löslich ist und dessen Dicke derart gewählt ist, daß Wasserdampf durch den Überzug und den Träger leicht hindurchdringt.

Vorzugsweise besteht dabei der leitende Überzug aus einem Gemisch aus hautverträglichen Metallteilchen und einer wasserunlöslichen, wenig klebrigen Klebstoffmasse, wobei die Metallteilchen in ausreichender Menge vorhanden sind, um für eine leitende Verbindung zwischen den Metallteilchen zu sorgen, und wobei als Klebstoffmasse ein nichttoxisches, nichtreizendes und nichtallergenes Polymer vorgesehen ist.

Die Elektrode nach der Erfindung erfüllt alle obenerwähnten Kriterien. Sie ist einfach aufgebaut und kann ohne Schwierigkeiten am menschlichen Körper angewendet werden. Die Elektrode läßt sich auf der Haut des Patienten mühelos befestigen. Sie kann mit der Haut des Patienten für lange Zeiträume in Kontakt bleiben, ohne daß in den meisten Fällen irgendwelche allergene oder andere unerwünschte Reaktionen auftreten. Die Elektrode kann auf der Haut des Patienten für lange Zeiträume belassen werden, ohne daß sie sich ablöst; selbst wenn es

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zu einem leichten Ablösen kommen sollte, läßt sich die Elektrode wieder mühelos an der Haut anbringen, ohne daß sie zuvor vollständig entfernt zu werden braucht. Mit der Elektrode kann ohne weiteres ein externer Leitungskontakt hergestellt werden, der das Problem der Bildung heißer Flecke beseitigt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bandförmige Elektrode nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Elektrodenleitung und einer Bandelektrode nach der Erfindung,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer auf der Haut befestigten Elektrode nach der Erfindung und

Fig. 4 eine abgewandelte Art der Anbringung einer Leitung an der Bandelektrode.

In Fig. 1 ist in vergrößerter Darstellung ein Querschnitt einer Bandelektrode veranschaulicht. Die Bandelektrode besteht aus einem Trägermaterial 10, auf das die die Elektrode bil-

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denden aktiven Stoffe aufgebracht sind. Bei dem Trägermaterial 10 handelt es sich vorzugsweise um ein dünnes, flexibles, poröses tuchförmiges Material, durch das Wasser sowohl in gasförmigem als auch in flüssigem Zustand hindurchtreten kann. Die Wasserdurchlässigkeit des Materials ist von Bedeutung, damit von der Haut gebildete Feuchtigkeit austreten kann und auf diese Weise ein Abheben der Bandelektrode von der Haut bei lang andauernder Benutzung vermieden wird. Das Trägermaterial 1O darf nicht wasserlöslich sein. Es wurde gefunden, daß ein nichtgewebtes Kunstseide-Fasermaterial für diesen Zweck besonders geeignet ist.

Auf der einen Seite des Trägermaterials 10 befindet sich eine Schicht 11 aus Klebstoff. Für diesen Zweck eignen sich unterschiedliche Klebstoffe. Als besonders günstig erwies sich ein Acryleopolymer-Klebstoff, wie er bei Heftpflastern oder dergleichen benutzt wird. Die Schicht 10 sollte möglichst dünn sein, jedoch die eine Oberfläche des Trägermaterials 10 vollständig abdecken. Diese Klebstoffschicht hat die Aufgabe, ein Substrat für die Aufbringung des aktiven Elektrodenmaterials zu bilden. Es zeigte sich, daß Acrylcopolymere in dünnen Schichten relativ feuchtigkeitsdurchlässig sind und Perspirationsstoffe austreten lassen, die bei normaler Anwendung von der Haut erzeugt werden. Unter dünn ist dabei zu verstehen, daß die Schicht 11 gerade dick genug sein soll, um eine Abdichtungsfunktion für die Oberfläche des Trägerma-

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terials 10 zu übernehmen. Die über die Oberfläche des Trägermaterials 1O vorstehende Stärke der Klebstoffschicht kann beispielsweise nur 25 /um betragen.

Die Schicht 11 kann auch ganz weggelassen werden, und die Schicht 12 kann unmittelbar auf das Trägermaterial 1O aufgebracht werden. Dies ist jedoch weniger günstig, da mehr kostspieliges silberhaltiges Material der noch zu erläuternden Schicht 12 erforderlich ist, als dies bei Vorhandensein der Schicht 11 der Fall ist.

Auf die Oberfläche der Schicht 11 ist die Schicht 12 aufgebracht, die den elektrisch aktiven Teil der Elektrode bildet. Die Schicht 12 besteht aus einem Gemisch aus Klebstoff und einer Menge an Silbermetall, das die Klebstoffschicht 12 leitfähig macht. Die Menge des Silbermetalls, das in dem Klebstoff der Schicht 12 vorhanden sein muß, kann innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen variiert werden. Aus Wirtschaftlichkeitsgründen ist es erwünscht, die vorgesehene Silbermenge so gering wie möglich zu halten. Dies kann erreicht werden, indem die Silbermetallteilchen sehr klein gemacht und in den Klebstoff eingemischt werden. Für diesen Zweck eignet sich insbesondere ein Acrylcopolymer der gleichen Art, wie es für die Schicht 11 erläutert wurde. Ein solches brauchbares Acrylpolymer wird beispielsweise von der National Starch Company unter der Bezeichnung Resin 30-1289

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auf den Markt gebracht. Es handelt sich dabei um ein Vinylacrylcopolymer in einem organischen Lösungsmittel.

Das Copolymer wird mit einer Menge an fein unterteiltem Silbermetall gemischt. Silbermetall wird wegen seiner bakteriellen Aktivität vorzugsweise vorgesehen, obwohl auch andere hautverträgliche Metallpulver, wie Gold oder Platin, benutzt werden können. Für die vorliegenden Zwecke eignet sich beispielsweise das von der Firma Handy and Harmon unter der Bezeichnung Silflake 135 auf den Markt gebrachte Silbermetall. Dabei handelt es sich um ein flockenförmiges Silber, das sein metallisches Aussehen beibehält. Ein solches metallisches Aussehen ist für den Benutzer günstig, um feststellen zu können, daß es sich um einen metallischen Werkstoff handelt. Entsprechend einer geeigneten Mischung werden ungefähr 1OOO g Silber mit 3OO g Copolymer gemischt, um auf diese Weise das als Schicht 12 aufgebrachte Material zu erhalten. Bei der Bildung der Schicht 12 können auch höhere Anteile an Silber gegenüber dem Copolymer vorgesehen werden. Die höhere Silbermenge ist günstig, um den spezifischen Durchgangswiderstand des fertigen Überzugs 12 zu verkleinern, führt jedoch zu entsprechend höheren Kosten je Flächeneinheit der Elektrode. Es kann auch mit etwas geringeren Silbermengen gearbeitet werden, wobei jedoch der spezifische Durchgangswiderstand entsprechend ansteigt. Bei den genannten Mengenverhältnissen liegt der spezifische Durchgangswiderstand

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unter 1 Pi cm. Wird mit der vorstehend erläuterten Silbermenge gearbeitet, liegt das die Schicht 12 bildende zusammengesetzte Material in einem im wesentlichen nichtklebrigen Zustand vor. Dies ist zweckmäßig, um das Material leicht rollen und speichern zu können. Beim Aufbringen der Schicht 12 auf die Schicht 11 ist es erwünscht, das Gemisch aus Silber und Acrylcopolymer zu verflüssigen, indem eine entsprechende Menge eines geeigneten Lösungsmittels, beispielsweise Toluol oder Aceton, zugegeben wird. Im Anschluß an den Beschichtungsvorgang verdampft das Lösungsmittel unter Zurucklassung des fertigen Materials. Die Schicht 12 sollte möglichst dünn sein, während für eine ununterbrochene elektrische Leitfähigkeit über die Bandoberfläche hinweg gesorgt wird. Dadurch werden nicht nur die Kosten vermindert; mit abnehmender Dicke wird vielmehr, was noch wichtiger ist, die Schicht 12 besser feuchtigkeitsdurchlässig. Für eine Langzeitanbringung auf der Haut stellt dies einen kritischen Faktor dar. Die Schicht 12 hat zweckmäßigerweise eine Stärke von weniger als 130/jm; vorzugsweise wird eine Schichtstärke von 50 bis 80/Jm vorgesehen.

Das fertige Band kann in den Längen gefertigt werden, die für die Verteilung an die Verbraucher zweckmäßig sind. Bei der Fertigung des Bandes kann zweckmäßigerweise eine Abdeckung aus einem mit Silikon oder Polyäthylen beschichteten Papier zu Schutzzwecken auf die beschichtete Oberfläche aufgebracht

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werden. Dieses Papier wird abgezogen, sobald ein Teil des Bandes als Elektrode eingesetzt werden soll. Statt dessen kann die Außenseite des Trägermaterials 1O auch so behandelt werden, daß sie nicht an der Schicht 12 anhaftet, wenn das fertige Band aufgerollt wird. In diesem Falle muß die Behandlung so gewählt sein, daß durch sie die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit nicht verlorengeht.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Darstellung eine bandförmige Elektrode der an Hand der Fig. 1 erläuterten Art in Verbindung mit einem Elektrodenanschluß, der an der Elektrode angebracht wird, bevor diese ihrerseits auf die Haut des Patienten aufgebracht wird. Der Elektrodenanschluß oder -kontakt weist ein kleines Stück Band der vorstehend beschriebenen Art auf. Der Elektrodenanschluß ist insgesamt mit 13 bezeichnet .

Das zu dem Elektrodenanschluß 13 gehörende kleine rechteckige Bandstück ist benachbart seinem einen Ende von gegenüberliegenden Seiten aus eingeschnitten, so daß Nasen 14 und 15 entstehen. Ein isolierter Leitungsdraht 16 mit einem blanken metallischen Ende 17 ist so eingesetzt, daß das metallische Ende 17 in unmittelbarem physikalischem Kontakt mit der Schicht 12* zwischen den Nasen 14 und 15 steht. Diese Nasen werden dann um das blanke Ende in der veranschaulichten Weise herumgewickelt und mit diesem durch Druck oder mit Hilfe

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einer geeigneten Menge an Lösungsmittel verbunden. Dies sorgt für einen unmittelbaren elektrischen Kontakt nicht nur mit den Nasen 14 und 15, sondern auch mit dem restlichen Teil der Schicht 12'. Die einen Kontaktkleber aufweisende Schicht 12' kann mit der Schicht 12 der Bandelektrode leicht verbunden werden, indem einfach die beiden Schichten 12 und 12' miteinander in Kontakt gebracht werden. Auf diese Weise wird ein hervorragender elektrischer Kontakt über die volle Oberfläche des auf die Haut des Patienten aufzubringenden Bandes hinweg hergestellt; es kommt nicht zur Ausbildung von lokalisierten heißen Flecken, wie dies bei der Kontaktstelle einer schmalen Drahtelektrode zu befürchten wäre.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform für die Herstellung einer elektrischen Verbindung mit einer Bandelektrode der vorliegend erläuterten Art. In diesem Falle ist das blanke Ende 17 des Leitungsdrahtes 16 auf einen mittleren Bereich eines Stücks Bandelektrode gernäß Fig. 1 aufgepreßt. Teile der Schicht 12 werden dann zusammengedrückt, um das blanke Ende 17 in der gezeigten Weise zu umfassen. Die freien Enden der Bandelektrode stehen dann für den Kontakt mit der Haut zur Verfugung. Eine hochstehende Bandschleife verhindert einen direkten Kontakt des blanken Drahtendes 17 mit der Haut,

In der Praxis kann die beschriebene Bandelektrode wie folgt angewendet werden. Der Hautbereich, auf den die Elektrode

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aufgebracht werden soll, wird bestimmt und in üblicher Weise gereinigt, wobei überschüssige Körperöle von der Hautoberfläche abgewaschen werden. Ein Band geeigneter Größe wird von einer Spule abgeschnitten. Eine Elektrodenanordnung, die entweder vorgefertigt ist oder entsprechend den Ausführungsformen nach den Figuren 2 oder 4 zum Zeitpunkt der Benutzung hergestellt wird, wird in der erläuterten Weise mit dem Band vereinigt, das auf die Haut des Patienten aufgebracht werden soll. Die Haut des Patienten wird dann mit einer Schicht aus einem hautverträglichen Lösungsmittel für den Klebstoff der Schicht 12, beispielsweise Aceton oder einem Alkohol niedrigen Molekulargewichts, überzogen; die Schicht 12 des Bandes wird auf diese Flüssigkeitsschicht aufgelegt. Das Lösungsmittel hat die Aufgabe, die Schicht 12 anzulösen, so daß sie stark klebrig wird und die Haut gut benetzt. In diesem Zustand dringt das Elektrodenmaterial 12 leicht in die Vertiefungen der Haut ein, wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist. Es wird für einen innigen physikalischen Kontakt gesorgt, wie er durch Kontaktklebstoffe bekannter Art allein nicht herstellbar ist.

Vorzugsweise wird die Elektrode mit gegen die Haut gerichteter Schicht 12 auf die Haut des Patienten aufgedrückt. Dabei erfolgt, wenn überhaupt, nur eine geringe Adhäsion. Dann wird das Lösungsmittel, beispielsweise Aceton oder ein Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht, auf die Rückseite 10 des Bandes

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aufgebracht. Das Lösungsmittel durchdringt die Schichten 10 und 11 und löst die Schicht 12 an, was für den gleichen innigen Hautkontakt sorgt, wie er in Fig. 3 angedeutet ist. Das Lösungsmittel hat einen niedrigen Siedepunkt und dampft von der Bandelektrode rasch ab, wodurch eine halbpermanente Verbindung zwischen Elektrode und Haut hergestellt wird. Sollte das aufgebrachte Band unerwünschte Zeichen einer Ablösung erkennen lassen, braucht nur ein Tropfen Lösungsmittel aufgetragen zu werden, der durch die Trägerschicht 10 hindurch für ein erneutes Anhaften des Bandes auf der Haut sorgt.

Eine derart ausgebildete und auf die Haut aufgebrachte Elektrode hat alle eingangs geschilderten Vorteile. Das wasserunlösliche Material von sehr geringer Stärke läßt Wasserdampf durch, so daß bei langzeitiger Anwendung nicht die Neigung zum Ablösen oder Abblättern besteht. Da der Klebstoff wasserunlöslich ist, kann der Patient baden und die Außenflächen der Elektrode auch im übrigen den normalen täglichen Umwelteinflüssen aussetzen.

Wenn die Elektrode nicht mehr langer erforderlich ist, läßt sie sich leicht abnehmen. Der Benutzer braucht sie nur zu greifen und von der Haut abzuziehen. Falls erwünscht, können etwaige Klebstoff- und Silberreste, die auf der unebenen Hautoberfläche zurückgeblieben sind, mittels des gleichen Lösungsmittels gelöst und abgewaschen werden, das auch benutzt wird,

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um den Kleber beim Aufbringen der Elektrode weich zu machen und anzulosen.

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Claims

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Ansprüche

( 1.!Bandförmige Elektrode zur Anbringung auf der menschlichen Haut, gekennzeichnet durch einen porösen Träger (1O) und einen auf der einen Oberfläche des Trägers angeordneten leitenden Überzug (12), der zwecks Anbringung an der Haut in einem flüchtigen organischen Lösungsmittel mindestens teilweise löslich ist und dessen Dicke derart gewählt ist, daß Wasserdampf durch den Überzug und den Träger leicht hindurchdringt.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Überzug (12) aus einem Gemisch aus hautverträglichen Metallteilchen und einer wasserunlöslichen, wenig klebrigen Klebstoffmasse besteht, wobei die Metallteilchen in ausreichender Menge vorhanden sind, um für eine leitende Verbindung zwischen den Metallteilchen zu sorgen, und wobei als Klebstoffmasse ein nichttoxisches, nichtreizendes und nichtallergenes Polymer vorgesehen ist.
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus Silber bestehen.
4. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Überzug (12) einen spezifischen Durchgangswiderstand von weniger als 1 JfI cm hat.

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5. Elektrode nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge- . kennzeichnet, daß als Klebstoffmasse ein Acrylcopolymer vorgesehen ist und der leitende Überzug (12) eine Dicke von weniger als 130 /jm hat.
6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (1O) und dem leitenden Überzug (12) eine nichtleitende, feuchtigkeitsdurchlässige Klebstoffschicht (11) vorgesehen ist.
7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit der Elektrode in elektrischer Verbindung stehenden Leitungsdraht (16), der gegenüber der mit der Haut in Berührung bringbaren leitenden Oberfläche des leitenden Überzugs (12) isoliert ist und zwischen zwei Schichten der bandförmigen Elektrode sitzt, deren leitende Flächen einander und dem Leitungsdraht zugekehrt sind.

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