DE2613072A1

DE2613072A1 - Implantierbare elektrode

Info

Publication number: DE2613072A1
Application number: DE19762613072
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Boeder; Konrad Dr Mund; Gerhard Dr Richter; Erhard Dr Weidlich
Original assignee: Siemens AG; Sigri GmbH
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1977-10-06
Also published as: US4917760A; JPS6143067B2; IT1074380B; FR2345170A1; JPS52118988A; SE430468B; DE2613072B2; SE7702778L; DE2613072C3; FR2345170B1; US4773433A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München

und VPA 76 P 8003 BRD

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH
Meitingen bei Augsburg

Implantierbare Elektrode

Die Erfindung betrifft eine implantierbare Elektrode, insbesondere eine Reizelektrode, sowie deren Verwendung.

Reizelektroden, beispielsweise für Herzschrittmacher, bestehen im allgemeinen aus einer isolierten Kabelzuleitung und einem Elektrodenkopf zur Übertragung der Stimulationsimpulse. Die elektrische Stimulation des Herzens bei Reizleitungsstörungen setzt die Erzeugung einer bestimmten elektrischen Feldstärke an einer erregbaren Zellmembran voraus. Nach der Auslösung des Reizes breitet sich dieser selbsttätig über den ganzen Herzmuskel aus und führt zu dessen Kontraktion.

Zur Reizauslösung dient ein elektronischer Schrittmacher, der aus einem implantierbaren Eiektronikteil mit einer Energieversorgungseinheit und einem Reizstromkreis mit einer Stimulationselektrode (Reizelektrode) und einer indifferenten Elektrode besteht. Während des Reizimpulses wird innerhalb von 0,5 bis 2 ms ein kleiner Kondensator über den ReizStromkreis teilweise entladen. In den Pausen zwischen den Impulsen wird der Kondensator aus der Energie-Versorgungseinheit, d.h. einer Batterie, wieder aufgeladen. Während des Impulses besteht im reizbaren Gewebe in der Nähe der Reizelektrode die zur Auslösung des Reizes erforderliche Feldstärke.

Die bislang üblichen Reizelektroden aus Platin oder Elgiloy haben den Nachteil, daß sie eine Degenerierung des angrenzenden Gewebes bewirken. Sie umgeben sich nämlich mit einer nicht reizbaren Bindegewebsschicht von etwa 0,5 bis 1 mm Dicke. Diese Bindege-

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websschicht bildet sich etwa in einem Zeitraum von 2 bis 4 Wochen aus. Während dieser Zeit steigt dabei die Reizschwelle ständig an, d.h. zur Auslösung des Reizprozesses wird ein zunehmend größerer Strom benötigt; damit steigt auch die erforderliche Spannung an. Das reizbare Gewebe rückt sozusagen von der Elektrode ab und es muß deshalb eine höhere Energie aufgebracht werden, um an der Oberfläche der auf diese Weise gebildeten virtuellen Elektrode die gleiche Feldstärke zu erzeugen wie an der eigentlichen Reizelektrode. Wenn der Kopf der Reizelektrode beispielsweise aus einer Halbkugel mit einem Radius von 1 mm besteht und sich um diese Reizelektrode eine Bindegewebsschicht von etwa 1 mm Dicke bildet, so steigt der Reizschwellenstrom um das Vierfache. Da die Spannung etwa im gleichen Ausmaß wächst, wird dann die erforderliche Leistung etwa 16 mal größer. Dies bedeutet, daß die Anforderungen an die Kapazität und die Spannung der Energiequelle in erheblichem Maße vom Gewebewachstum an der Reizelektrode abhängen.

Es ist zwar bereits bekannt, als Elektrodenmaterialien für Reizelektroden spektralreinen Graphit und Kohlenstoff zu verwenden.

Derartige Elektroden haben aber dennoch nicht Eingang in die Praxis gefunden. Auch an der Oberfläche dieser Elektroden bildet sich nämlich eine dünne Bindegewebskapsel aus und darüber hinaus halten diese Elektroden den mechanischen Beanspruchungen im Herzen nicht stand. Der Abrieb und die Bruchgefahr sind vielmehr so groß, daß sie für die Humanimplantation auf die Dauer nicht geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, implantierbare Elektroden derart auszugestalten, daß sie auch im Langzeitbetrieb möglichst wenig Energie verbrauchen, dabei gleichzeitig aber eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff besteht.
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Glaskohlenstoff, der auch als glasartiger Kohlenstoff bezeichnet wird, erhält man durch Carbonisieren dreidimensional vernetzter

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Kunstharze, wie Phenolformaldehyd- oder Furanharze. Die dabei entstehenden glasartigen Kohlenstoffstrukturen sind mikrokristallin und weisen nur äußerst kleine Bereiche graphitähnlicher Schichten auf. Implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff sind mechanisch äußerst stabil. Glaskohlenstoff ist nämlich sehr hart und zeigt keinen Abrieb. Außerdem ist seine Oberfläche glasartig glatt und dadurch besonders gut gewebeverträglich, so daß bei seiner Verwendung als Elektrodenmaterial im Gewebe kaum eine Abkapselung durch Bildung von Bindegewebe erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen implantierbaren Elektrode der Elektrodenkpf aus Glaskohlenstoff oberflächlich aktiviert. Unter einer aktivierten Oberfläche wird dabei im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung eine Oberfläche mit mikroporöser Struktur verstanden, d.h. eine aufgerauhte Oberfläche.

Die Aktivierung des Elektrodenkopfes aus Glaskohlenstoff erfolgt im allgemeinen durch Oxidationsmittel, wie oxidierende Säuren, beispielsweise Salpetersäure. Ein wirksames Aktivierungsverfahren stellt auch die elektrochemische Oxidation dar. Besonders vorteilhaft wird jedoch Glaskohlenstoff eingesetzt, der in oxidierender Atmosphäre getempert wurde, wobei die Aktivierung vorzugsweise durch Erhitzen an Luft auf Temperaturen über 400⁰C erfolgt. Dabei kommt es zu einem geringfügigen Abbrand an der Oberfläche, der sich auf die elektrischen Eigenschaften außerordentlich vorteilhaft auswirkt. Die Aktivierung kann auch durch Erhitzen in einer Sauerstoff-, Wasserdampf- oder Kohlendioxidatmosphare erfolgen, wobei die Aktivierungsdauer - ebenso wie beim Erhitzen an der Luft - bevorzugt weniger als 1 Stunde bei einer Temperatur von 400 bis 800⁰C beträgt.

Eine Aufrauhung der Elektrodenoberfläche, wo'oei die glatte Oberfläche makroskopisch erhalten bleibt, kann auch bereits bei der Herstellung der Elektrode vo!'genommen werden. Dazu wird ein Rohling aus Kunstharz, aus dem der Elektrodenkopf hergestellt

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wird, vor der Pyrolyse in eine konzentrierte Lösung von Polyacrylnitril in Zinkchlorid getaucht. Auf diese Weise entsteht beim Carbonisieren auf dem Elektrodenkopf eine sehr dünne Schicht aus mikroporösem Kohlenstoff mit Poren mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 5 S.

Durch die Aktivierung des Glaskohlenstoffes können die Polarisationsverluste, die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Gewebe auftreten und die nicht zur Erhöhung der Feldstärke im angrenzenden reizbaren Gewebe beitragen, sehr niedrig gehalten werden. Auf diese Weise ist bei der erfindungsgemäßen Implantierbaren Elektrode sowohl eine geringe Abkapselung durch Bindegewebsbildung als auch ein geringer Energieverbrauch und damit verbunden ein gutes Dauerbetriebsverhalten gewährleistet, weil sich die Stromdichte der Reizschwelle während der Dauer der Implantation nicht erhöht.

Infolge der glatten glasartigen Oberfläche des Glaskohlenstoffes könnte bei der erfindungsgemäßen implantierbaren Elektrode möglicherweise die Gefahr bestehen, daß die Haftung am Körpergewebe zu gering ist. Da die Oberfläche kaum Angriffspunkte für ein Festwachsen bietet, könnte die Elektrode nämlich zur Dislokation neigen, so daß eine sichere Dauerreizung nicht gewährleistet wäre. Zur sicheren Fixierung der Elektrode kann daher an der Kabelzuleitung in unmittelbarer Nähe des Elektrodenkopfes eine geeignete Halterung vorgesehen werden. Zur guten Fixierung der erfindungsgemäßen implantierbaren Elektrode kann aber auch der Elektrodenkopf selbst vorgesehen werden. Dazu wird der Glaskohlenstoff mit Schlitzen oder Löchern, d.h. Poren im Bereich etwa zwischen 50 und 500 /um, versehen, in die das Gewebe einwachsen kann. Da eine derartige Struktur nur schwer in den fertigen Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff eingearbeitet werden kann, wird sie zweckmäßigerweise bereits vor dessen Herstellung im Rohling vorgesehen. Dazu können in den Rohling Formkörper oder Fasern eingelagert werden, die bei der Pyrolyse abgebaut oder verdampft werden, wobei eine eutspiechende Loch- bzw. Schlitzstruktur verbleibt. 7ur Einlagerung kann beispielsweise Zink oder Polyäthylen verwendet werden.

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Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Zur Feststellung der Eignung der erfindungsgemäßen implantierbaren Elektrode als Reizelektrode wurden verschiedene Elektroden im Oberschenkel von Katzen implantiert.

Eine Elektrode mit einem halbkugelförmigen Elektrodenkopf (Oberfläche: 0,08 cm ) aus nicht vorbehandeltem Glaskohlenstoff zeigt zu Beginn eine Reizschwellenspannung von 0,46 V bei einem Strom von 0,17 mA. Während einer Implantationsdauer von 30 Tagen bleiben diese Werte im Rahmen der Meßgenauigkeit konstant. Die Reizspannung teilt sich dabei auf in einen ohmschen Verlust am Körperwiderstand (800 bis 1000Λ) und in einen Polarisationsverlust, der überwiegend an der Reizelektrode auftritt. Die Polarisationsverluste betragen dabei etwa die Hälfte bis zwei Drittel der gesamten Verluste. Bei einer Spannung von 5 V, wie sie bei herkömmlichen Herzschrittmachern erforderlich ist, würde es demnach an der Reizelektrode zu einer Gasentwicklung kommen, da die Polarisation ca. 2 bis 3 V beträgt und somit über der Zersetzungsspannung des Wassers liegen würde. Es wurden sich deshalb Schwierigkeiten bei einer sicheren Fixierung der Reizelektrode im Körper ergeben. Aufgrund der Tatsache, daß sich bei der erfindungsgemäßen implantierbaren Elektrode aber allenfalls ein geringer Reizschwellenanstieg ergibt, wird bei ihrer Verwendung für einen Herzschrittmacher nur noch eine Spannung von etwa 1 bis 2 V benötigt. Die Zersetzungsspannung von Wasser wird dabei also nicht mehr erreicht.

Eine Reizelektrode mit einem Elektrodenkopf aus oberflächlich aktiviertem Glaskohlenstoff wurde in der Weise hergestellt, daß der Elektrodenkopf zunächst mit Schmirgelpapier bearbeitet und anschließend bei ca. 500⁰C in einem Quarzroir unter Luftzutritt etwa eine halbe Stunde lang in einem Sinterschlitten geglüht wurde. Zur Kontaktierung diente, ebenso wie bei der Reizelektrode mit einem Elektrodenkopf aus nicht vorbehandeltem Glaskohlenstoff, ein Silberdraht, der mit der Elektrode verklebt wurde.

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Die Elektrode weist ebenfalls einen halbkugelförmigen Elektrodenkopf mit einer Oberfläche von 0,08 cm auf.

Unmittelbar nach der Implantation zeigt diese Reizelektrode einen Reizstrom von 0,15 mA. Nach vier Wochen beträgt der Reizstrom 0,16 mA. Die Reizspannung betrug jeweils 0,11 V. Die Reizschwelle ist demnach während der Dauer der Implantation unverändert geblieben.

Im Vergleich dazu zeigte eine käufliche Platin-Iridium-Reizelektrode anfangs zwar auch einen Reizschwellenstrom von 0,15 mA, nach 30 Tagen war dieser Wert aber bereits auf 0,42 mA angestiegen. Gleichzeitig erhöhte sich die Reizschwellenspannung von einem Anfangswert von 0,165 V auf 0,45 V. Während der Dauer der Implantation hatte sich eine Bindegewebsschicht von 0,6 mm Dicke gebildet.

Der Anstieg der Reizschwelle ist dabei jedoch nicht allein auf das Bindegewebswachstum zurückzuführen, wie anhand des folgenden Vergleichsversuches festgestellt wurde. Bei einer porösen Platin-Reizelektrode, die durch Sintern von Platinschwarzpulver bei 145O°C erhalten wurde, stieg nämlich die Reizschwelle innerhalb von 33 Tagen von 0,20 mA auf 0,39 mA, während die sich in diesem Zeitraum bildende Bindegewebsschicht lediglich eine Dicke von 0,2 mm aufwies. Aufgrund des Reizschwellenanstiegs hätte die Bindegewebsschicht aber eine Dicke von 0,5 bis 0,6 mm aufweisen müssen. Der Grund für diese Tatsache dürfte darin liegen, daß die Muskelzellen in der Nähe der Elektrode schon dann geschädigt werden, wobei sich diese Schädigung in einer erhöhten Reizschwelle äußert, ehe sie völlig zu Bindegewebe degeneriert sind. Eine entsprechende Schädigung tritt bei Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff offensichtlich aber nicht ein, wie sich aus der unveränderten Reizschwelle ergibt.

Die Untersuchungsergebnisse zeigen, daß implantierbare Elektroden mit einem Elektrodenkopf aus oberflächlich aktiviertem Glaskohlenstoff eine geringe Polarisation zeigen und sich deshalb in beson-

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ders hohem Maße zur Verwendung als Reizelektroden für Herzschrittmacher eignen. Da für den Reizvorgang infolge des geringen Reizschwellenanstiegs nämlich wenig Energie verbraucht wird, ist die Lebensdauer der Stromquelle hoch und sie kann auch klein ausgebildet werden. Die Elektroden umgeben sich ferner lediglich mit einer sehr dünnen Bindegewebshaut, so daß sich der Elektrodenkopf weiter verkleinern läßt, ohne daß es zu einer stärkeren Polarisation kommt. Auf diese Weise wird der Energiebedarf weiter vermindert .

Neben der Verwendung als Reizelektrode für Herzschrittmacher kann die erfindungsgemäße implantierbare Elektrode auch als Reizelektrode zur Muskel- und Nervenreizung verwendet werden. Darüber hinaus kann diese Elektrode beispielsweise aber auch zur Sauerstoffmessung im Körper dienen.

5 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

(1 .J Implantierbare Elektrode, insbesondere Reizelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff besteht.
2. Implantierbare Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf aus Glaskohlenstoff oberflächlich aktiviert ist.
3. Implantierbare Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf aus in oxidierender Atmosphäre getempertem Glaskohlenstoff besteht.
4. Implantierbare Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf aus in Luft auf eine Temperatur oberhalb 40O⁰C erhitztem Glaskohlenstoff besteht.
5. Verwendung der implantierbaren Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Reizelektrode für Herzschrittmacher.

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