DE69528566T2 - Verbesserter Kondensator für einen implantierbaren Herzdefibrillator - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Kondensatoren, insbesondere Kondensatoren für implantierbare Herzdefibrillatoren, die ein Gehäuse, das eine Kammer definiert, und eine Vielzahl von ebenen Ladungsspeicherungsschichten innerhalb der Kammer aufweisen.
• Defibrillatoren werden in Patienten implantiert, die für Herzarrythmien oder Fibrillation anfällig sind. Derartige Bauteile stellen eine Cardioversion oder eine Defibrillation bereit, indem an das Herz des Patienten ein Hochspannungsschock bzw. stoß abgegeben wird, typischerweise etwa 500-750 V. In Defibrillatoren werden Hochspannungskondensatoren verwendet, um nach der Erfassung einer Tachyarrythmie die Hochspannungsladung zu akkumulieren. Es ist wünschenswert, implantierbare Bauteile so klein wie möglich auszugestalten, wobei für pectoral implantierte Defibrillatoren dünne flache Gehäuse wünschenswert sind. Daher sind flache Kondensatoren entwickelt worden, um die Nachteile von herkömmlichen zylindrischen Aluminium-Elektrolyt- Kondensatoren zu vermeiden.
• Ein derartiger flacher Kondensator ist offenbart in dem US-Patent 5,131,388 von Pless et al. Die flachen Kondensatoren weisen eine Vielzahl von Schichten auf, die laminalartig in einem Stapel angeordnet sind. Jede Schicht weist eine Anode und eine Kathode auf, wobei die Anoden und Kathoden gemeinschaftlich mit jeweiligen Verbindern verbunden sind. Die Schichten können in nahezu beliebige Formen geschnitten werden, um in ein ähnlich geformtes Gehäuse zu passen, das für eine bestimmte Anwendung konstruiert worden ist. Die Kapazität eines derarti gen Bauteils ist proportional zu der Anzahl der Schichten und zu der Fläche einer jeden Schicht, was zu einer beträchtlichen Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion führt. Aktuelle flache Kondensatoren lassen sich jedoch nicht so günstig herstellen, wie es wünschenswert wäre. Eine Fehlausrichtung der Schichten kann einen Kurzschluss zwischen den Kanten der Anoden und Kathoden sowie mit den Wänden eines metallischen Gehäuses hervorrufen. Ein Präzis ions Zusammenbau von Hand ist erforderlich, was die Herstellungskosten in die Höhe treibt. Auch muss die Gehäusegröße gesteigert werden, um Toleranzen für Ausrichtungsfehler bereitzustellen, was zu einem sperrigeren Bauteil führt.
• Das US-Patent 4,208,699 offenbart einen Elektrolyt- Kondensator, der ein zylindrischen Aluminiumgehäuse mit einem geschlossenen und einem offenen Ende aufweist. Ein Kondensatorabschnitt ist innerhalb eines derartigen Gehäuses angeordnet. Der Kondensatorabschnitt weist eine erste Folie, die aus oxidiertem Aluminium hergestellt ist, eine zweite Schicht aus Papier, eine dritte Schicht aus oxidiertem Aluminium und eine vierte Schicht aus Papier auf, die sämtlich spiralförmig aufgewickelt sind, um einen länglichen zylindrischen Kondensatorabschnitt zu bilden. Ein Kopf element wird in Eingriff bzw. in Anlage an das obere Ende des Kondensatorabschnittes bewegt, wobei der Endabschnitt eines Nabenelementes in den mittleren Bereich des oberen Endes des Kondensatorabschnittes gedrängt wird. Ein unteres Ende des Kondensatorabschnittes wird mit einem Nabenelement an dem Boden des geschlossenen Endes des Gehäuses ausgerichtet.
• Das Dokument GB 2 154 062 A offenbart ein ähnliches Ausrichtungskonzept für einen gerollten Kondensator. Ein Gehäuse weist ein offenes Ende zum Aufnehmen des Kondensators, eine Bodenwand, die ein geschlossenes Ende bereitstellt, sowie Ankermittel auf, die einen integralen Teil der Bodenwand bilden, zum Ausrichten und Festlegen des gerollten Kondensators innerhalb des Gehäuses.
• In Anbetracht des obenstehenden ist es die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Kondensator für einen implantierbaren Herzdefibrillator anzugeben.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kondensator für einen implantierbaren Herzdefibrillator, mit einem Gehäuse, das eine Kammer definiert; einer Vielzahl von übereinander gestapelten ebenen Ladungsspeicherungsschichten innerhalb der Kammer, wobei jede Schicht als ein Kondensator funktioniert; gekennzeichnet durch die Tatsache, dass das Gehäuse wenigstens zwei Ausrichtungselemente innerhalb der Kammer aufweist, und durch die Tatsache, dass die Schichten jeweils wenigstens zwei darin ausgebildete Ausrichtungslöcher aufweisen, die die Ausrichtungselemente eng aufnehmen, derart, dass die Schichten präzise in Bezug auf einander und in Bezug auf das Gehäuse positioniert sind.
• Die vorliegende Erfindung überwindet die Beschränkungen des Standes der Technik, indem ein Kondensator bereitgestellt wird, der ein Gehäuse aufweist, das eine Kammer definiert, und wenigstens zwei interne Ausrichtungselemente in der Kammer aufweist. Eine Vielzahl von Kondensatorschichten, die jeweils darin ausgebildete (vorzugsweise gestanzte ("die cut')) Aus richtungslöcher in präziser Anpassung an die Ausrichtungselemente des Gehäuses aufweisen, ist innerhalb der Kammer positioniert, wobei die Ausrichtungslöcher mit den Ausrichtungselementen zusammenpassen. Das Gehäuse kann elektrisch leitend sein, um einige Kondensatorelemente mit Masse zu verbinden, in welchem Fall die Ausrichtungselemente nicht leitende Abstandselemente auf weisen, die die Ausrichtungslöcher der Schichten berühren. Das Gehäuse kann ferner externe Indexelemente zum präzisen Positionieren des Gehäuses in Ausrichtung mit Spannvorrichtungen aufweisen, die für Herstellungsprozesse verwendet werden, die eine präzise Ausrichtung erfordern.
• Fig. 1 zeigt einen implantierbaren Defibrillator mit Kondensatoren gemäß der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist eine Draufsicht auf das Innere des Kondensators der Fig. 1;
• Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht von der Seite einer einzelnen Kondensatorschicht; und
• Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von der Seite entlang der Linie 4-4 der Fig. 2.
• Fig. 1 stellt einen Defibrillator 12 zur pectoralen Implantation dar. Ein endokardialer Anschlusssatz 14 in Form einer einzelnen Durchführung ('single pass endocardial lead set') erstreckt sich von der Einheit durch die Vena Subclavia des Patienten hindurch in das Herz des Patienten. Der Defibrillator 12 weist ein äußeres Gehäuse 20 auf, das einen Kopf 21 zur Anbringung des Anschlusssatzes 14 aufweist. Das Gehäuse 20 weist einen Transformator 22, eine Batterie 24, Steuerschaltkreise 26 und zwei Kondensatoren 28 auf (von denen nur einer gezeigt ist). Die Batterie stellt elektrische Energie bereit, um den Kondensator aufzuladen, wenn es notwendig ist, so dass er einen Hochspannungsstoß bereitstellen kann. Die Steuerschaltkreise 26 schließen den Anschlusssatz 14 an, derart, dass sie elektrische Signale von dem Herzen sensieren und analysieren können, und steuern die Abgabe bzw. Anwendung einer geeigneten Therapie, wie eines Hochspannungsstoßes.
• Fig. 2 stellt im Detail die Konstruktion des Kondensators 28 dar, der in nahezu jeder beliebigen flachen Form konstruiert sein kann, um sich an eine gewünschte Gehäuseform anzupassen. Der Kondensator weist ein metallisches Gehäuse 32 auf, das eine Kammer 34 definiert, in der ein Kondensatorstapel 36 untergebracht ist. Das Gehäuse weist ein Paar von Ausrichtungsvorsprüngen 40, 41 auf, die von isolierenden Hülsen 42 aus Kunststoff umschlossen sind. Der Stapel 36 definiert ein Paar von Ausrichtungslöchern 44, die die Hülsen eng aufnehmen, was eine genaue Ausrichtung bzw. Registrierung zwischen dem Stapel und dem Gehäuse bereitstellt. Obgleich die Löcher kreisförmig dargestellt sind, können die Löcher 44 jede beliebige Form darstellen und in jeder beliebigen Anzahl oder Position vorgesehen sein, einschließlich von Kerben, die in den Umfang des Stapels geschnitten sind.
• Der Kondensatorstapel 36 ist aus einer Anzahl von im wesentlichen identischen flachen Kondensatorschichten 48 ausgebildet, deren elektrische Elemente parallel zueinander angeschlossen sind. Die Anzahl der Schichten bestimmt die Kapazität und die Dicke des Bauteils; bei der bevorzugten Ausführungsform werden dreizehn Schichten verwendet. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist jede Schicht 48 ein Verbund ('sandwich') von Lagen: Eine zentrale Anode 50, die an beiden Hauptflächen stark geätzt ist, ein Paar von isolierenden Papierlagen 54, die die gegenüberliegenden Seiten der Anode abdecken und ein Paar von Aluminiumkathodenlagen 56, die die Papierlagen abdecken. Da jede Papierlage einen Kondensatorspalt definiert, funktioniert jede Schicht 48 als ein Doppelanodenkondensator. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Anode 50 eine 0,22 mm [0,0087 Zoll] dicke Lage aus tief geätzten ultrareinen Aluminium mit einer Kornstruktur, die senkrecht zu der Oberfläche der Lage ausgerichtet ist. Jede Papierlage ist 0,05 mm [0,002 Zoll] dick und jede Kathodenlage ist 0,015 mm [0,0006 Zoll] dick. An dem Umfang erstrecken sich die Papierlagen leicht über die Kathode und die Anode hinaus, um einen elektrischen Kurzschluss aufgrund einer Fehlausrichtung zu vermeiden. Die geätzte Anodenschicht kann "gebildet" werden, indem in Anwesenheit eines Elektrolyts ein Strom durch die Anode und eine Kathode geleitet wird. Dies erzeugt eine Oxidschicht, die als ein Dielektrikum funktioniert. Der Bildungsvorgang kann vor oder nach dem Zusammenbau des Stapels erfolgen. Sobald der Kondensator zusammengebaut und abgedichtet ist, wird in die Kammer ein Elektrolyt injiziert, und zwar durch ein Loch in dem Gehäuse, das dann abgedichtet wird.
• Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, weist jede der Schichten 48 an ihrem Umfang einen ausgeschnittenen Bereich 58 auf, wobei die Ausschnitte jeder Schicht ausgerichtet sind, wenn die Lagen in dem Gehäuse installiert sind, und zwar um Raum für elektrische Verbindungen bereitzustellen. Die Anoden 50 weisen Anodennasen bzw. -fahnen 60 auf, die sich in den Ausschnitt hinein erstrecken, und zwar in Ausrichtung zueinander. In ähnlicher Weise weisen die Kathoden 56 Kathodennasen 64 auf, die sich in den Ausschnittbereich hinein erstrecken, und zwar in Ausrichtung miteinander, jedoch von den Anodennasen beabstandet, um ohne Kurzschluss eine separate Verbindung zu ermöglichen. Die Abstandselemente 54 aus Papier erstrecken sich nicht in den Ausschnitt hinein. Daher lassen sich die Kathoden, ähnlich den Anoden, parallel zueinander anschließen, wenn die Nasen in ein Bündel zusammengefasst werden.
• Die Anodennasen 60 werden an ihren freien Enden zusammengedrückt und miteinander verschweißt, wie mit einem YAG-Laser. Das geschweißte Anodennasenbündel wird dann an einen inneren Anschluss 66 eines Anodenständers 68 geschweißt, der durch eine Wand des Kondensatorgehäuses hindurch geht. Der Anodenständer 68 ist gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Die Kathodennasen 64 sind elektrisch mit dem Kondensatorgehäuse verbunden. Ein Kathodenanschluss 69 stellt eine externe elektrische Verbindung zu dem Gehäuse bereit. Die Kathodennasen 64 werden im Ultraschall-Schweißen an einer Gehäusestufe 70 angebracht, und zwar in Anlage an dem Umfang der Innenseite des Gehäuses. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, beträgt die Höhe der Stufe etwa die Hälfte der Höhe des Stapels 36, so dass die oberen und die unteren Kathodenlagen nicht übermäßig abgelenkt werden müssen. Ein Ultraschallwerkzeug komprimiert die Kathodennasen gegen die Stufe, und zwar bei einem Schweißpunkt 72, und liefert Ultraschallenergie, um eine sichere elektrische und mechanische Verbindung bereitzustellen.
• Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, weist das Gehäuse 32 des Kondensators 28 eine pfannenförmige Basis 76 und einen flachen Deckel 78 auf, der über der Basis angeordnet ist und auf einem oberen Rand der Basis aufliegt. Der Ausrichtungsvorsprung 40 an dem Deckel weist ein Durchgangsloch 80 zum Aufnehmen eines Befestigungsschaftes 84 sowie eine Gegenbohrung 86 auf, um eine Ausnehmung bereitzustellen, so dass der Befestigungskopf nicht über die Oberfläche des Gehäuses vorsteht. Zwischen dem Befestigungskopf und der -Gegenbohrungsoberfläche kann ein O-Ring oder eine Dichtung bzw. Dichtungsmanschette eine Abdichtung bereitstellen, um zu verhindern, dass Elektrolyt aus dem Kondensator leckt. Der Vorsprung 41 an der Basis 76 definiert ein Gewindeloch 87 zum Aufnehmen der Befestigungsschraube und weist eine Ausrichtungsöffnung 88 auf, bei der es sich um ein Sackloch ("blind tapped hole') an der unteren Oberfläche des Gehäuses handelt. Die Öffnung 88 stellt gleichfalls ein Ausrichtungsloch oder ein Ausrichtungsindexmittel dar, um von Herstellungsspannvorrichtungen präzise ergriffen zu werden. Dies erraöglicht, dass positionsempfindliche Prozesse wie Schweißen durch ein einfaches automatisiertes System erzielt werden können, das zu Ausrichtungszwecken keine Ausrichtungserkennungsaysteme auf Kamerabasis erfordert. Obgleich die Befestigung als eine Maschinenschraube in einer Gewindebohrung gezeigt ist, können auch Nieten oder andere mechanische Befestigungseinrichtungen verwendet werden.
• Die isolierende Hülse 42 umschließt eng beide Vorsprünge 40, 41, um eine konzentrische Ausrichtung der Vorsprünge zu gewährleisten. Die Hülse hat eine hinreichende Länge oder Höhe, um sich von dem Boden der Basis bis hin zu der Decke des Deckels zu erstrecken, wobei sie beide kontaktiert. Während somit der Umfang des Gehäusedeckels auf dem Rand der Gehäusebasis aufliegt, liegt die Mitte des Deckels auf den Enden der Hülsen auf. Das Nichtvorhandensein eines Spalts zwischen den Enden der Hülsen und der Basis sowie dem Deckel des Gehäuses verhindert, dass eine Schicht des Kondensatorstapels sich versetzt und potentiell die Anode mit dem Vorsprung kurzschließt. Die Vorsprünge 40, 41 sind kurz genug, um einen Spalt 90 zwischen ihren gegenüberliegenden Enden zu definieren, was gewährleistet, dass die Hülse durch die Kraft der Befestigungseinrichtung zwischen dem Deckel und der Basis zusammengedrückt wird. Selbst eine leichte Auslenkung des Deckels in eine tellerartige Form wird toleriert, um einen Kontakt mit den Enden der Hülsen zu Gewährleisten. Dieser Kontakt dient auch als eine zusätzliche Dichtung, um zu verhindern, dass Elektrolytfluid bei den Befestigungseinrichtungen herausleckt. Die Hülse weist eine innere Abschrägung 92 an jedem Ende auf, um irgendwelche Wechselwirkungen mit einer Radiusabrundung zu vermeiden, die an der Basis von einem der Vorsprünge verbleiben kann. Obgleich der Deckel mittels der Befestigungseinrichtungen festgelegt ist, muss das Gehäuse abdichtet werden, um zu verhindern, dass Elektrolytlösung herausleckt, die das Gehäuse füllt. Dies wird erreicht, indem der gesamte Umfang nach dem Zusammenbau lasergeschweißt wird. Die Ausrichtungslöcher 88 stellen eine effektive Ausrichtung für diesen Vorgang bereit.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform sind in einer einzelnen Defibrillatoreinheit zwei Kondensatoren installiert. Die Kondensatoren sind übereinander gestapelt, wobei ihre Deckel aufeinander zu weisen. Da das Defibrillatorgehäuse 20 abgerundete Kanten aufweist, um eine für ein implantiertes Bauteil geeignete physiologische Form zu bilden, weist das Kondensatorgehäuse um einen Abschnitt seines unteren Umfangs eine Kante 94 mit einem Radius von 1,78 mm [0,070 Zoll] auf. Dies ermöglicht, dass ein Paar von Kondensatoren das Defibrillatorgehäuse effizient füllt. Damit die Kondensatorschichten das Kondensatorgehäuse effizient füllen, weisen die untersten zwei Schichten reduzierte Umfange auf, um ein Anstoßen an dem Radius zu vermeiden. Die verbleibenden Schichten erstrecken sich näher an die Gehäusewand, um die Kapazität für ein gegebenes Gehäusevolumen zu maximieren, wobei der bevorzugte Abstand etwa 0,864 mm [0,034 Zoll] beträgt.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Gesamtdicke von einem Kondensator 5,38 mm [0,212 Zoll] und die gesamte Kondensatorfläche beträgt 269,7 cm² [41,8 Zoll²], was ein Gesamtkondensatorvolumen von 6,23 cm³ [0,38 Zoll³] liefert. Die zwei Kondensatoren, die jeweils einen Wert von etwa 290 uF besitzen, stellen in dem Bauteil eine Gesamtquellenkapazität von 145 uF bereit. Demzufolge wird eine gespeicherte Energiedichte von etwa 3,3 J/cm³ bereitgestellt. Wenngleich die Erfindung im Hinblick auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, sollen die nachstehenden Ansprüche nicht hierauf beschränkt sein.

Claims (14)

1. Kondensator (28) für einen implantierbaren Herzdefibrillator (12), mit:

einem Gehäuse (32), das eine Kammer (34) definiert;

einer Vielzahl von übereinander gestapelten, ebenen Ladungsspeicherungsschiohten (48) innerhalb der Kammer (34),

wobei jede Schicht (48) als ein Kondensator funktioniert; gekennzeichnet durch

die Tatsache, dass das Gehäuse (32) wenigstens zwei Ausrichtungselemente (40, 41) innerhalb der Kammer (34) aufweist;

die Tatsache, dass die Schichten (48) jeweils wenigstens zwei Ausrichtungslöcher (44) aufweisen, die darin ausgebildet sind und die Ausrichtungselemente (40, 41) eng aufnehmen, derart, dass die Schichten (48) präzise in bezug aufeinander und in bezug auf das Gehäuse (32) positioniert sind.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (32) eine Decke (78) und einen Boden (76) auf weist, die die obere und untere Grenze der Kammer (34) definieren, wobei das Kondensatorgehäuse elektrisch leitend ist und die Ausrichtungselemente (40, 41) nichtleitende Hülsen (42) auf weisen, die ein zylindrisches Äußeres haben und sich von dem Boden (76) zu der Decke (78) erstrecken, derart, dass die Kanten der Schichten (48) an den Ausrichtungslöchern (44) der Schichten (48) lediglich die nichtleitende Hülse (42) berühren.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Ausrichtungselemente (40, 41) einen Basisabschnitt (41) aufweist, der von dem Boden (76) ausgehend nach oben vorsteht, und einen Deckelabschnitt (40) aufweist, der von der Decke (78) ausgehend nach unten vorsteht.

4. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (41) und der Deckelabschnitt (40) jeweils um begrenzte Entfernungen vorstehen, so dass sie einen Spalt (90) definieren.

5. Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatorgehäuse (32) wenigstens ein externes Indexelement (88) definiert, derart, dass eine bei der Herstellung verwendete Spannvorrichtung zur präzisen Ausrichtung des Kondensatorgehäuses (32) während der Herstellung an dem Indexelement (88) angreifen kann.

6. Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtungselement (40, 41) eine Nabe (40, 41) ist, die in die Kammer (34) vorsteht, und dass das Indexelement (88) ein Loch ist, das konzentrisch durch die Nabe (40, 41) hindurch definiert ist.

7. Implantierbarer Herzdefibrillator (12), mit:

einem äußeren Gehäuse (20);

einer Energiequelle (24, 22) innerhalb des äußeren Gehäuses (20); und

einem Kondensator (28), der mit der Energiequelle (24, 22) verbunden und innerhalb des äußeren Gehäuses (20) angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (28) ein Kondensator nach Anspruch 1 ist.

8. Defibrillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein überwiegender Abschnitt des Kondensatorgehäuses (32) elektrisch leitend ist und dass die Ausrichtungselemente (40, 41) nichtleitende Abstandselemente (42) aufweisen, derart, dass die Ausrichtungslöcher (44) der Schichten (48) den elektrisch leitenden Abschnitt des Kondensatorgehäuses nicht direkt berühren.

9. Defibrillator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtungselemente (40, 41) zylindrische Abschnitte aufweisen.

10. Defibrillator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatorgehäuse (32) eine Basispfanne (76) aufweist, die den Boden und Seiten der Kammer (32) definiert, und einen Deckel (78) auf weist, der die Oberseite der Kammer (32) definiert.

11. Defibrillator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Ausrichtungselemente (40, 41) einen Basisabschnitt (41) aufweist, der von der Pfanne (76) vorsteht, und einen Deckelabschnitt (40) aufweist, der von dem Deckel (78) vorsteht.

12. Defibrillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisabschnitt (41) und der Deckelabschnitt (40) jeweils um begrenzte Entfernungen vorstehen, so dass sie einen Spalt (90) definieren.

13. Defibrillator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtungselement (40, 41) eine iso lierende Hülse (42) aufweist, die den Basisabschnitt (41) und den Deckelabschnitt (40) der Ausrichtungselemente (40, 41) umschließt.

14. Defibrillator nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensatorgehäuse (32) wenigstens ein externes Indexelement (88) definiert, derart, dass eine zur Herstellung verwendete Spannvorrichtung zur präzisen Ausrichtung des Kondensatorgehäuses (32) während der Herstellung an dem Indexelement (88) angreifen kann.