DE4433111A1 - Cuff-Elektrode - Google Patents

Description

Technisches Anwendungsgebiet

Das technische Anwendungsgebiet der Cuff-Elektrode (FLIC) ist in der Neuroprothetik zu finden. Hier werden neue Möglichkeiten gesucht, Nervenbündel mit einer Vielzahl von Elektroden schonend und langfristig zu kontaktieren. Durch den Einsatz von technischen Hilfssystemen im menschlichen Körper sollte es durch die Registrierung von Nervensignalen und durch die Stimulation möglich sein, ausgefallene Körperfunk­ tionen wieder herzustellen bzw. nachzuahmen.

Stand der Technik; Nachteile des Standes der Technik Starre Manschettenelektroden

Extraneurale, manschettenartige Elektroden, sogenannte Cuff-Elektroden, die zirkulär um den Nerv gelegt werden, gehören seit Ende der 70er Jahre zu den erfolgreichsten biomedizinischen Elektroden auf dem Markt. Für starre Bauformen, sogenannte "Split Cylindre" Cuff-Elektroden bestehen einige US Patente: 3,774,618, 3,738,368, 3,654,933. Einige implantierte Elektroden sind seit 15 Jahren sicher im Einsatz. Ihre Nachteile bestanden und bestehen in ihrer geringen Selektivität aufgrund ihrer gerin­ gen Anzahl von Elektroden (zirkular maximal 4). Die Anordnung von drei Elektroden in Längsrichtung der Manschette und der Einsatz von transversalen Steuerströmen er­ möglicht eine Verbesserung der Selektivität und der Reizung tiefer gelegener Anteile des Nerven. Bedingt durch ihre relativ starre Form kann es bei postoperativen oede­ matösen Schwellungen zur Schädigung der Nerven durch den entstehenden Druck der Elektrode auf den Nerven führen. Wird der Durchmesser der Manschette größer gewählt, verschlechtern sich durch einwachsendes Bindegewebe die Ableit- und Sti­ mulationsbedingungen beträchtlich.

Flexible Manschettenelektroden

Mit der Einführung der sogenannten Spiral Cuff-Elektroden wurde ein Weg zur Verrin­ gerung eines postoperativen Druckanstieges gegangen. Eine vorgedehnte Silikonfolie wird bei dieser Bauform mit einer ungedehnten Folie mit medizinischem Silikonkleber verbunden. Die Elektroden bestehen aus Platindrähten, die zwischen die Folien gelegt werden. Die aktive Elektrodenfläche wird durch Öffnen von Fenstern (Skalpell, Stanz­ eisen) in der vorgedehnten Folie erstellt.

Aufgrund der Zugspannung der vorgedehnten Folie rollt sich die Elektrode spiralförmig auf. Bei einer Anschwellung des Nerven kann sich die spiralförmige Manschettenelek­ trode etwas aufdehnen und dadurch einen Druckanstieg teilweise ausgleichen.

Helix Elektroden

Mit dem Begriff der Helix-Elektrode werden schraubenförmig um den Nerv gewun­ dene Elektroden bezeichnet. Sie sind in mono- und bipolarer Form mit maximal zwei Elektroden im Einsatz. Durch die offene Struktur der Elektrode ist die Gefahr einer Druckschädigung des Nerven durch Schwellungen gering, eine Feldbegrenzung auf das Innere der Elektrode bei der Stimulation (geringerer Energiebedarf) ist jedoch nicht möglich. Sie besitzt keine Möglichkeit, bestimmte Teile des Nervenquerschnittes se­ lektiv zu reizen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Cuff-Elektrode gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 zu verbessern. Eine bidirektionale Kopplung an die Nerven mit hoher räum­ licher und zeitlicher Auflösung soll eine Ableitung von Nervensignalen und/oder eine elektrische Stimulation von Nervenfasern ermöglichen.

Dies wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Mit der Erfindung gelöste Aufgabe

Durch den Einsatz erhabener Elektroden wird die effektive Berührungsfläche vermin­ dert, so daß der "Negativabdruck" einer Netzstruktur entsteht, der zu einer besseren Biokompatibilität und zu einer besseren Fixierung durch Fibroblasten führen kann. Die Cuff-Struktur erlaubt eine Feldbegrenzung auf das Elektrodeninnere, wodurch die be­ nötigte Energiemenge zur Stimulation niedrig gehalten werden kann. Die Anzahl der Elektroden erlaubt eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung und den Einsatz von tripolaren Anordnungen zur Konzentration des elektrischen Feldes sowie den Einsatz von transversalen Steuerströmen zur Erregung tiefer Nervenstrukturen.

Mit der Interdigitalstruktur werden zwei Ziele verfolgt: Zum einen wird bei einer oede­ matösen Schwellung der Druck der Elektrode auf den Nerven verringert, da einzelne Streifen sich der Schwellung anpassen können. Im Gegensatz zu konventionellen Cuff-Elektroden wird den physiologischen Unregelmäßigkeiten des Nerven Rechnung getragen. Zum anderen ermöglicht die Struktur eine Diffusion von Stoffwechselpro­ dukten durch die Interdigital-Zwischenräume, die sich in der postoperativen Regene­ rationsphase positiv auswirken kann, da schädliche Stoffwechselendprodukte ab­ transportiert werden können.

Der Einsatz der FLIC ist am peripheren Nerven und im Rückenmark geplant. Eine epi­ durale und subdurale Implantation um die Wurzeln des Rückenmarkes ist denkbar. Bei einer Implantation um das Rückenmark herum, können nach einer Laminektomie zwei FLIC um das Rückenmark radial zwischen zwei Wurzeln gelegt werden.

Erzeugte Verbesserung und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

• - hohe zeitlich-räumliche Auflösung
• - Anpassung des Radius der Elektrode an Unregelmäßigkeiten entlang des Ner­ ven aufgrund der Interdigitalstruktur möglich
• - Verringerung des Druckes auf den Nerven bei einer lokalen postoperativen oedematösen Schwellung aufgrund der Implantation durch die Interdigital­ struktur
• - Verbesserung der Biokompatibilität durch erhabene Elektroden → Verringerung der effektiven Auflagefläche.

Grundzüge des Lösungsweges

Die FLIC besteht aus einem flexiblen, mehrschichtigen Substrat aus nichtleitendem Silicon, auf dem sich erhabene Elektroden aus leitfähigem Silikon befinden. Die zu den Elektroden führenden Leiterbahnen verlaufen zwischen den nicht leitfähigen Schichten und bestehen ebenfalls aus leitfähigem Silikon. Die Leiterbahnen und Elek­ troden werden durch Mikrostrukturabformung mit Negativformen, die in konventionel­ ler Siliziumtechnologie entstehen, erstellt. Durch die Einstellung verschiedener Vor­ spannungen im Mehrschichtaufbau der FLIC, durch den Einsatz von Formgedächtnis­ metallen (Shape Memory Alloy) oder durch elektrochemische Aktoren entsteht die aufgerollte Form der FLIC.

Ausführungsbeispiel

Entlang der Längsachse der Flexiblen Interdigitalen Cuff-Elektrode befinden sich auf jeder Seite eines Mittelsteges 4 bis 6 "Finger" mit jeweils 6-45 erhabenen Elektro­ den, die beliebig konfiguriert werden können, um die gleiche FLIC prinzipiell sowohl für die Ableitung von Elektroneurogrammen (ENG) als auch für die Stimulation einset­ zen zu können. Die möglichen Abmaße der FLIC betragen ca. 10 mm Länge bei ca. 1,4 mm-40 mm Durchmesser.

Claims (4)

1. Cuff-Elektrode, die als extraneurale, manschettenförmige Elektrode um ein biologisches Gewebe, z. B. einem Nerv, anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß erhabene Elektroden auf einer Folie aus nichtleitenden Materialschichten vorgesehen sind und die einzelnen Elektroden durch Leiterbahnen, die zwi­ schen den nichtleitenden Schichten angeordnet sind, kontaktiert sind und zur Gewährleistung der manschettenförmigen Struktur mindestens eine der Schichten aus Formgedächtnismetall besteht.

2. Cuff-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden und mindestens ein Teil der Folien aus Silikon bestehen.

3. Cuff-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen und Elektroden mittels Mikrostrukturabformung mit Ne­ gativformen hergestellt sind.

4. Cuff-Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind.