DE10041727A1 - Implantierbares hermetisch dichtes Gehäuse für eine implantierbare medizinische Vorrichtung - Google Patents
Implantierbares hermetisch dichtes Gehäuse für eine implantierbare medizinische VorrichtungInfo
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- A61N1/36036—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of the outer, middle or inner ear
- A61N1/36038—Cochlear stimulation
Abstract
Die Erfindung betrifft ein implantierbares, hermetisch dichtes Gehäuse (10) für Komponenten (12, 112, 14, 38) einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, wobei das Gehäuse eine hermetisch dichte Trennwand (18) aufweist, welche das Gehäuse in eine erste Kammer (40), die einen Speicher (14) für elektrische Energie für die Stromversorgung der medizinischen Vorrichtung aufnimmt, und eine zweite Kammer (26), die eine Elektronikeinheit (12, 112) aufnimmt, unterteilt. Ferner betrifft die Erfindung Herstellungsverfahren für ein solches Gehäuse.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein implantierbares, hermetisch dichtes Gehäuse für
Komponenten einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, welches einen
Energiespeicher für die Stromversorgung der medizinischen Vorrichtung sowie eine
Elektronikeinheit aufnimmt.
Aktive Implantate der vorliegenden Erfindung können insbesondere Systeme zur
Rehabilitation einer Hörstörung sein, wie sie im folgenden Stand der Technik näher
beschrieben sind.
Die Rehabilitation sensorischer Hörstörungen mit teilimplantierbaren, elektronischen
Systemen hat in den letzten Jahren einen bedeutenden Stellenwert erhalten. Insbesondere
gilt dies für den Patientenkreis, bei dem das Gehör durch Unfall, Krankheit oder sonstige
Einflüsse vollständig ausgefallen oder bereits von Geburt an nicht funktionsfähig ist. Ist in
diesen Fällen nur das Innenohr (Cochlea) und nicht die nach zentral führende neuronale
Hörbahn betroffen, kann mit elektrischen Reizsignalen der verbliebene Hörnerv stimuliert
und somit ein Höreindruck erzeugt werden, der bis zu einem offenen Sprachverständnis
führen kann. Bei diesen sogenannten Cochlea Implantaten wird ein Reizelektroden-Array
in die Cochlea eingeführt, das von einem elektronischen System angesteuert wird, wobei
dieses hermetisch dichte und biokompatibel eingekapselte Elektronikmodul operativ im
knöchernen Bereich hinter dem Ohr (Mastoid) eingebettet ist. Das elektronische System
enthält jedoch im wesentlichen nur Dekodier- und Treiberschaltungen für die Reizel
ektroden; die akustische Schallaufnahme, die Wandlung dieses Schallsignals in elektrische
Signale und deren weitere Verarbeitung erfolgt grundsätzlich extern in einem sogenannten
Sprachprozessor, der außen am Körper getragen wird. Der Sprachprozessor setzt die
vorverarbeiteten Signale entsprechend kodiert auf ein hochfrequentes Trägersignal um,
das über eine induktive Kopplung durch die geschlossene Haut (transkutan) zu dem
Implantat übertragen wird. Das schallaufnehmende Mikrofon befindet sich ausnahmslos
außerhalb des Körpers und in den meisten Anwendungen in einem an der Ohrmuschel
getragenen Gehäuse eines Hinter-dem-Ohr-Hörgerätes (HdO) und ist mit einem Kabel mit
dem Sprachprozessor verbunden. Solche Cochlea-Implantat-Systeme, deren Komponen
ten und Prinzipien der transkutanen Signalübertragung sind beispielhaft in folgenden
Patentschriften beschrieben: US 5 070 535, US 4 441 210, EP 0 200 321, US 5 626 629.
Verfahren zur Sprachaufbereitung und -Kodierung bei Cochleaimplantaten sind
beispielsweise in folgenden Patentschriften angegeben: EP 0 823 188, EP 0 190 836,
US 5 597 380, US 5 271 397, US 5 271 397, US 5 095 904, US 5 601 617, US 5 603 726.
Neben der Rehabilitation gehörloser bzw. ertaubter Patienten mit Cochlea Implantaten
existieren seit geraumer Zeit Ansätze, Patienten mit einer sensorineuralen Hörstörung, die
operativ nicht behebbar ist, mit teil- bzw. vollimplantierbaren Hörgeräten eine bessere
Rehabilitation als mit konventionellen Hörgeräten zu bieten. Das Prinzip besteht in den
überwiegenden Ausführungsformen darin, ein Ossikel des Mittelohres oder das Innenohr
direkt über einen mechanischen bzw. hydromechanischen Reiz zu stimulieren und nicht
über das verstärkte akustische Signal eines konventionellen Hörgerätes, bei dem das
verstärkte Schallsignal dem äußeren Gehörgang zugeführt wird. Der aktorische Stimulus
dieser elektromechanischen Systeme wird mit verschiedenen physikalischen Wandler
prinzipien realisiert wie z. B. durch elektromagnetische und piezoelektrische Systeme. Der
Vorteil dieser Verfahren wird hauptsächlich in der gegenüber konventionellen Hörgeräten
verbesserten Klangqualität und bei vollimplantierten Systemen in der Unsichtbarkeit der
Hörprothese gesehen. Solche teil- und vollimplantierbaren elektromechanischen Hörgeräte
sind beispielhaft in Yanigahara und Suzuki et al. (Arch Otolaryngol Head Neck, Surg-Vol
113, 1987, S. 869-872; Hoke, M. (ed), Advances in Audiology, Vol. 4, Karger Basel,
1988), Zeitschrift HNO 46: 27-37 (1998), Lehner et al. "Kaltfließende Elemente zur
Ankopplung eines implantierbaren Hörgerätewandlers an Gehörknöchelchen oder
Perilymphe", HNO 46: 121-128 (1998), Baumann et al. "Grundlagen der
Energieversorgung vollständig implantierbarer Hörgeräte für Innenohrschwerhörige",
HNO 46: 311-323 (1998), Lehner et al. "Ein osseointegrierter Mikromanipulator als
Halterung für implantierbare Hörgerätewandler" HNO 46: 507-512 (1998), Lehner et al.
"Ein Mikromanipulator für intraoperative vibratorische Hörprüfungen mit einem
implantierbaren Hörgerätewandler", HNO 46: 844-852 (1998), Zenner et al. "Erste
Implantation eines vollständig implantierbaren elektronischen Hörsystems bei Patienten
mit Innenohrschwerhörigkeit", HNO 46: 853-863 (1998), Leysieffer et al. "Ein vollständig
implantierbares Hörsystem für Innenohrschwerhörige: TICA LZ 3001" und in zahlreichen
Patentschriften beschrieben: EP 0 499 940, US 5 411 467, EP 0 400 630, US 3 764 748,
US 4 352 960, US 5 015 225, US 5 015 224, US 3 557 775, US 3 712 962, US 4 988 333,
EP 0 263 254, US 5 814 095.
Viele Patienten mit einem Innenohrschaden leiden zusätzlich unter zeitweise auftretenden
oder permanenten Ohrgeräuschen (Tinnitus), die operativ nicht behebbar sind und gegen
die bis heute keine zugelassenen medikamentösen Behandlungsformen existieren. Daher
sind sog. Tinnitus-Maskierer erhältlich; dies sind kleine, batteriebetriebene Geräte, die
ähnlich einem Hörgerät hinter oder im Ohr getragen werden und durch artifizielle Schalle,
die über einen z. B. Hörgeräte-Lautsprecher in den Gehörgang abgestrahlt werden, den
Tinnitus auf psychoakustisch wirkende Weise verdecken ("maskieren") und das störende
Ohrgeräusch so möglichst unter die Wahrnehmungsschwelle absenken. Die artifiziellen
Schalle sind häufig Schmalbandgeräusche (z. B. Terzrauschen), die in ihrer spektralen
Lage und Lautstärkepegel über ein Programmiergerät einstellbar sind, um eine möglichst
optimale Anpassung an die individuelle Ohrgeräuschsituation zu ermöglichen.
Darüberhinaus existiert seit kurzem die sog. "Retraining-Methode", wobei durch die Kom
bination eines mentalen Trainingsprogrammes und die Darbietung eines breitbandigen
Schalles (Rauschen) nahe der Ruhehörschwelle die Wahrnehmbarkeit des Tinnitus
ebenfalls weitgehend unterdrückt werden soll. Diese Geräte werden auch als "Noiser"
bezeichnet (Zeitschrift "Hörakustik" 2/97, S. 26, 27).
Bei beiden o. g. Methoden zur apparativen Therapie des Tinnitus sind hörgeräteähnliche,
technische Geräte außen am Körper im Ohrbereich sichtbar mitzuführen, die den Träger
stigmatisieren und daher nicht gerne getragen werden.
In der US 5 795 287 wird ein implantierbarer Tinnitusmaskierer mit "Direktantrieb"
("direct drive") des Mittelohres z. B. über einen an die Ossikelkette angekoppelten
elektromechanischen Wandler beschrieben. Dieser direkt gekoppelte Wandler kann
vorzugsweise ein sog. "Floating Mass Transducer" (FMT) sein. Dieser FMT entspricht
dem Wandler für implantierbare Hörgeräte, der in der US 5 624 376 beschrieben ist.
In der DE-A-198 58 398 und der DE-A-198 59 171 werden implantierbare Systeme zur
Behandlung eines Tinnitus durch Maskierung und/oder Noiserfunktionen beschrieben, bei
denen der signalverarbeitende elektronische Pfad eines teil- oder vollimplantierbaren
Hörsystems durch entsprechende elektronische Module so ergänzt wird, daß die zur
Tinnitusmaskierung oder zur Noiserfunktion notwendigen Signale in den Signalver
arbeitungsweg der Hörgerätefunktion einspeisbar sind und die zugehörigen Signalparame
ter durch weitere elektronische Maßnahmen individuell an die pathologischen Bedürfnisse
anpassbar sind. Diese Anpassbarkeit kann dadurch realisiert werden, daß die notwendigen
Einstelldaten der Signalerzeugungs- und Einspeiselektronik in demselben physikalischen
und logischen Datenspeicherbereich des Implantatsystems hard- und softwaremäßig
abgelegt bzw. programmiert werden und über entsprechende elektronische Stellglieder die
Einspeisung des Maskierer- bzw. Noisersignals in den Audiopfad des Hörimplantats
steuern.
Weitere Systeme zur Tinnitusmaskierung sind beispielsweise aus DE 296 16 956 U1,
WO 91/17638, WO 96/00051, WO 90/07251, EP 0 537 385 A1, EP 0 400 900 A1,
US 5 697 975, DE 41 04 359 C2, US 5 788 656 und US 5 403 262 bekannt.
Bei allen o. g. Rehabilitationsgeräten erscheint es heute als sehr sinnvoll, die Systeme so
auszulegen, daß sie vollständig implantiert werden können. Solche Hörsysteme bestehen
je nach angestrebter Funktion aus drei oder aus vier Funktionseinheiten: ein Sensor (Mi
krofon), der den einfallenden Luftschall in ein elektrisches Signal umwandelt, eine elektronische
Signalverarbeitungs-, Verstärkungs- und Implantatsteurungseinheit, ein
elektromechanischer bzw. implantierbarer elektroakustischer Wandler, der die verstärkten
und vorverarbeiteten Sensorsignale in mechanische bzw. akustische Schwingungen um
wandelt und diese über geeignete Koppelmechanismen dem geschädigten Mittel- und/oder
Innenohr zuführt oder eine cochleäre Reizelektrode bei Cochleaimplantaten sowie ein
elektrisches Energieversorgungssystem, das die genannten Module versorgt. Weiterhin
kann eine externe Einheit vorgesehen sein, die dem Implantat elektrische Nachladeenergie
zur Verfügung stellt, wenn die implantatseitige Energieversorgungseinheit eine
nachladbare (Sekundär-)Batterie enthält. Zweckmäßig ist auch eine Telemetrieeinheit vor
zusehen, mit der patientenspezifische, audiologische Daten drahtlos bidirektional
übertragen bzw. im Implantat programmiert und damit dauerhaft gespeichert werden
können (s. z. B. Zeitschrift HNO 46: 853-863 (1998), Leysieffer et al. "Ein vollständig
implantierbares Hörsystem für Innenohrschwerhörige: TICA LZ 3001").
Neben den genannten Anwendungsgebieten der vorliegenden Erfindung können als aktive
Implantate auch andere Systeme zur Rehabilitation einer beinträchtigen Körperfunktion
vorgesehen sein, wie z. B. Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Drogenspender, Nerven-
oder Knochenwachstumsstimulatoren, Neurostimulatoren, Schmerunterdrückungsgeräte
oder dergleichen, bei denen eine sekundäre, wiederaufladbare elektrochemische Zelle als
Betriebsenergiequelle verwendet wird.
Aus der DE 41 04 359 C2 ist ein implantierbares Hörsystem bekannt, bei welchem
gemäß einer ersten Ausführungsform in einem implanierbaren Gehäuse die
Steuerelektronik für den Aktor des Hörsystems sowie ein Energiespeicher vorgesehen
sind, der über eine Empfangsspule mittels einer externen Sendespule wiederaufladbar
ist. Gemäß einer zweiten Ausführungsform ist die Steuerelektronik in einem separaten
implantierbaren Gehäuse untergebracht, welches über eine Kabelsteckverbindung mit
dem die Empfangsspule und den wiederaufladbaren Energiespeicher enthaltenden
implantierbaren Gehäuse verbunden ist.
Aus der DE 198 37 863 C1 ist ein implanierbares Hörsystem bekannt, bei welchem ein
elektrochemischer Energiespeicher in einem vorzugsweise hermetisch dichten Gehäuse
angeordnet ist, welches wiederum zusammen mit der Steuerheit und einer Telemetrie-
Einheit in einem implantierbaren Gehäuse untergebracht ist. Bei dem Energiespeicher
kann es sich um eine Primärzelle oder um eine Sekundärzelle handeln, wobei es sich in
beiden Fällen um auf Lithium basierende Zellen mit einem festen Polymerelektrolyten
handeln kann.
Aus der EP 0 981 173 A1 ist ein implantierbares Hörsystem bekannt, bei welchem ein
wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher in einem hermetisch dichten
Gehäuse vorgesehen ist. Eine Überwachungselektronik für das Laden des
Energiespeichers sowie eine Empfangsspule für das Laden des Energiespeichers sind in
einem separaten Gehäuse untergebracht. Das hermetisch dichte Gehäuse des
Energiespeichers ist mit einer mechanischen Überwachungseinheit versehen, die auf
Verformung durch Gasaustritt aus dem Speicher mechanisch anspricht und dann den
Ladevorgang unterbricht, um eine Beschädigung des Speichers und des Gehäuses durch
unzulässige Betriebszustände des Speichers zu verhindern.
Aus der DE 198 37 912 C1 ist ein implantierbares Hörsystem bekannt, bei welchem ein
mit einem Gehäuse versehener wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher in
einem hermetisch dichten Gehäuse angeordnet ist, welches mit einer mechanischen
Überwachungseinrichtung ausgestattet ist, die auf unzulässigen Gasaustritt aus dem
Speicher anspricht und dann gegebenenfalls den Ladevorgang unterbricht um eine
Beschädigung des Speichers bzw. des Gehäuses zu verhindern. Das hermetisch dichte
Gehäuse ist in einem weiteren hermetisch dichten Gehäuse untergebracht, welches
gemäß einer ersten Ausführungsform zusätzlich eine Elektronikeinheit zum Steuern des
Lade- bzw. Entladevorgangs, eine Ladestromeinspeise-Anordnung sowie eine
zusätzliche elektronische Überwachung der mechanischen Gehäuseüberwachung
enthält. Bei einer zweiten Ausführungsform sind diese Komponenten in einem separaten
Gehäuse untergebracht, welches auch die Steuerelektronik des Hörsystems enthält. Das
hermetisch dichte Gehäuse, welches das hermetisch dichte Gehäuse des
Energiespeichers aufnimmt, ist mittels einer lösbaren, starren mechanischen Verbindung
mit dem die Steuerelektronik enthaltenden Hauptgehäuse verbunden.
Aus der DE 198 37 913 A1 ist ein implantierbares Hörsystem bekannt, bei welchem
gemäß einer ersten Ausführungsform ein mit einem Gehäuse versehener
wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher in einem hermetisch dichten
Gehäuse untergebracht ist, welches mit einer mechanischen Überwachung versehen ist,
die auf unzulässigen Gasaustritt aus dem Speicher anspricht. Gemäß einer ersten
Ausführungsform ist dieses hermetisch dichte Speichergehäuse mittels einer
Kabelverbindung mit einem implantierbaren Hauptgehäuse verbunden, welches eine
Energieempfangsspule, eine entsprechende Elektronik zum Steuern des Lade- bzw.
Entladevorgangs sowie die Steuerelektronik für das Hörsystem enthält. Gemäß einer
zweiten Ausführungsform ist das hermetisch dichte Speichergehäuse zusammen mit den
genannten Komponenten in dem Hauptgehäuse untergebracht.
Aus der DE 198 38 137 A1 ist ein implantierbares Hörsystem bekannt, bei welchem die
Elektronikeinheit zum Überwachen und Steuern des Ladevorgangs so ausgebildet ist,
dass das Aufladen des elektrochemischen Energiespeichers in Abhängigkeit von dem
Innenwiderstand des Speichers erfolgt, wobei in einer ersten Ladephase ein konstanter
Ladestrom fließt und in einer zweiten Ladephase der Ladestrom so eingestellt wird, dass
die während des Ladens gemessene Zellenspannung näherungsweise auf einem
vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit den Aktenzeichen
199 36 063.4 ist ein implantierbares Hörsystem mit einem wiederaufladbaren
elektrochemischen Energiespeicher bekannt, wobei die Elektroden des Speichers direkt,
d. h. ohne zusätzliches Gehäuse, in einem hermetisch dichten Gehäuse untergebracht
sind, welches von einer mechanischen Einheit überwacht wird, die auf unzulässige
Gasentwicklung in dem Gehäuse anspricht und den Ladevorgang dann mechanisch
unterbricht. Ferner ist in dem Gehäuse ein Temperatursensor vorgesehen, um den
Betriebszustand des Speichers zu überwachen und gegebenenfalls den Ladevorgang
mittels einer Überwachungselektronik elektronisch zu unterbrechen. Die
Überwachungselektronik kann auch von der mechanischen Überwachungseinheit dazu
veranlasst werden, den Ladevorgang zu unterbrechen. Das überwachte, hermetisch
dichte Speichergehäuse enthält neben dem Energiespeicher und dem Temperatursensor
keine weiteren Komponenten.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
100 12 964.1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines
wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers bekannt, wobei die Ladestrategie für
den Speicher in Abhängigkeit von einem adaptiven Modell bestimmt wird, welches den
Zustand des Speichers vor Inbetriebnahme beschreibende Daten sowie im Betrieb
erfassten Daten berücksichtigt und selbsttätig fortlaufend anhand der im Betrieb
erfassten Daten optimierbar ist.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
100 16 519.2 ist eine implantierbare Energiespeicheranordnung für ein medizinisches
Implantat bekannt, wobei eine von einer Einheit zum Steuern des Ladevorgangs
unabhängige Überwachungseinheit vorgesehen ist, welche die Speicherspannung
unabhängig von der Steuereinheit erfasst und so ausgebildet ist, dass sie, wenn die von
ihr erfasste Speicherspannung außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, die
Steuerung des Ladepfads übernimmt.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
100 16 520.6 ist eine implantierbare Energiespeicheranordnung für ein medizinisches
Implantat bekannt, bei welcher eine Einrichtung vorgesehen ist, welche extern
betätigbar ist, um ein Stellglied im Ladepfad zu überbrücken.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein implantierbares, hermetisch dichtes
Gehäuse zur Aufnahme eines Energiespeichers sowie einer Elektronikeinheit zu
schaffen, welches einfach herzustellen ist, kompakt aufgebaut ist und dennoch für einen
hinreichenden Schutz der Elektronikeinheit und des Implantatträgers sorgt. Es ist ferner
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für ein solches Gehäuse
zu schaffen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein implantierbare medizinisches
Gehäuse gemäß Anspruch 1 sowie Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 23 bis 25.
Bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse gemäß Anspruch 1 ist vorteilhaft, dass der
Energiespeicher und die Elektronikeinheit in einem einzigen Gehäuse aufgenommen
sind und dennoch die Elektronikeinheit vor schädlichen Auswirkungen des
Energiespeichers, beispielsweise durch Gasaustritt, geschützt ist. Dadurch, dass der
Energiespeicher in einer hermetisch dichten Kammer untergebracht ist, ist auch der
Implantatträger vor solchen Ereignissen geschützt. Die erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren zeichnen sich durch besondere Einfachheit und Zweckmäßigkeit
aus.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert, wobei:
Fig. 1 schematisch, teilweise im Schnitt dargestellt, eine erste Ausführungsform der
Erfindung zeigt; und
Fig. 2 eine Ansicht wie Fig. 1 zeigt, wobei jedoch eine zweite Ausführungsform der
Erfindung dargestellt ist.
In Fig. 1 ist ein hermetisch dichtes, implantierbares Gehäuse 10 dargestellt, welches
vorzugsweise aus Metall gefertigt ist und biokompatibel ist. Als biometallische
metallische Werkstoffe kommen Titan, Titanlegierungen, Niob, Nioblegierungen,
Tantal oder implantierbare Stähle in Betracht. Alternativ kann jedoch auch eine
biokompatible Beschichtung auf der Außenseite vorgesehen sein. Das Gehäuse 10 ist
mittels einer hermetisch dichten Trennwand 18 in eine obere Kammer 26 und eine
untere Kammer 40 unterteilt, die beide jeweils hermetisch dicht ausgebildet sind. Das
Gehäuse 10 kann im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein oder es kann in der
Schnittebene von Fig. 1 langgestreckt ausgebildet sein. Die Höhe des Gehäuses 10 ist
vorzugsweise geringer als der Durchmesser bzw. die Längsabmessung. Die Trennwand
18 verläuft senkrecht zu der Hochrichtung, d. h. im wesentlichen parallel zu der
Gehäuseober- und -unterseite. Vorzugsweise sind die Trennwand 18 und die
Seitenwand bzw. Seitenwände 42 aus einem Stück gefertigt, wobei die Kammern 26
und 40 dann jeweils durch einen an der Seitenwand 42 befestigten Deckel 44 bzw. 46
hermetisch dicht verschlossen sind.
Die obere Kammer 26 nimmt eine Elektronikeinheit 12 nebst einer Telemetriespule 38
auf, während die untere Kammer 40 eine elektrochemische Batterie 14 aufnimmt. Bei
der Batterie 14 kann es sich, je nach Strombedarf der Anwendung, um eine
Primärbatterie oder um eine wiederaufladbare Sekundärbatterie handeln. In Fig. 1 und 2
ist der Fall gezeigt, wenn es sich um eine Sekundärbatterie handelt. Die Batterie 14 ist
in der aus der DE 198 37 863 C1 bekannten Weise mit drei Anschlüssen versehen,
nämlich der Kathode, der Anode und einer davon unabhängigen Potentialsonde,
wodurch man ein unabhängiges Bezugspotential erhält, mittels dessen sich durch
gezielte Überwachung und/oder Regelung einzelner Elektrodenpotentiale relativ zu dem
Bezugspotental ungewollte Nebenreaktionen oder ungewollt übermäßig ablaufende
Nebenreaktionen an den betrachteten Elektroden erkennen und verhindern lassen. Diese
drei Anschlüsse 48 sind mittels einer hermetisch dichten Durchführung 50 durch die
Trennwand 18 geführt und mit der Elektronikeinheit 12 kontaktiert.
Die Batterie 14 ist vorzugsweise ohne eigenes Gehäuse direkt in der unteren Kammer
40 aufgenommen, was die Herstellung vereinfacht.
Das Gehäuse 10 kann so hergestellt werden, dass aus einem Rohling aus Vollmaterial
mittels spannender Bearbeitung von der Ober- und der Unterseite aus jeweils eine
Vertiefung eingesenkt wird, wobei das zwischen den Vertiefungen stehenbleibende
Material dann die hermetisch dichte Trennwand 18 bildet. Die so gebildeten Kammern
26 und 40 werden kann durch Aufsetzen und Abdichten der Deckel 44 bzw. 46
hermetisch dicht verschlossen.
Alternativ kann das Gehäuse 10 aus einem flachen Rohling ausgebildet werden, indem
aus dem flachen Rohling in einem ersten Tiefziehschritt ein erster offener Hohlraum
gebildet wird und in einem zweiten Tiefziehschritt von der gegenüberliegenden Seite
aus dem Boden des ersten Hohlraums ein zweiter Hohlraum gebildet wird, wobei die
beiden Kammern dann durch Aufsetzen und Abdichten jeweils eines hermetisch dichten
Deckels hermetisch abgedichtet werden. Die hermetisch dichte Trennwand wird in
diesem Fall von dem Boden des zweiten Tiefziehschritts gebildet.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann das Gehäuse 10 aus einem flachen
Rohling ausgebildet werden, indem aus dem flachen Rohling in einem Tiefziehschritt
ein erster offener Hohlraum mit Boden, d. h. ein Becher, gebildet wird und anschließend
auf den Boden des Bechers von der Außenseite ein vorzugsweise zylindrischer
Rohrabschnitt aufgesetzt und hermetisch dicht mit dem Boden verbunden wird, um
einen zweiten offenen Hohlraum zu bilden. Die beiden hermetisch dichten Kammern
werden dann durch Aufsetzen und Abdichten jeweils eines hermetisch dichten Deckels
gebildet. Die hermetisch dichte Trennwand wird in diesem Fall von dem Boden des im
Tiefziehschritt gebildeten Bechers gebildet. Statt eines an beiden Seiten offenen
Rohrabschnitts kann auch ein nur eine offene Seite aufweisender, vorzugsweise
becherartiger Hohlkörper (der z. B. mittels eines Tiefziehschritts gebildet sein kann) mit
der offenen Seite auf den Boden aufgesetzt werden, wobei in diesem Fall kein Deckel
mehr aufgesetzt werden muss, sondern die hermetisch dichte zweite Kammer wird
bereits durch das Aufsetzen des Hohlkörpers gebildet.
Es versteht sich, dass in allen Fällen die in den Kammern aufzunehmenden
Komponenten vor dem Schritt, welcher die hermetische Abdichtung der jeweiligen
Kammer bewirkt, in die noch offene Kammer eingebracht werden müssen.
Bei der Sekundärzelle 14 handelt es sich vorzugsweise um eine auf Lithium basierende
Batterie mit festem Elektrolytsystem, beispielsweise einem Polymer-Elektrolytsystem.
Bei der Anode der Batterie 14 kann es sich um eine Lithium-Metall- oder Lithium-
Legierungs-Elektrode handeln, während es sich bei der Kathode beispielsweise um eine
anorganische oder organische Einlagerungs- oder Redox-Elektrode handeln kann.
Alternativ kann es sich bei der Anode auch um eine Lithium-Intercallations-Elektrode
handeln. Diese Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass zumindest bei Vorsehen einer
elektronischen Überwachung des Batteriezustands, d. h. einer Überwachung des
Batteriezustands durch Überwachung bestimmter elektrischer Parameter, eine
schädliche Gasentwicklung verhindert werden kann, welche die Elektronikeinheit 12
gefährden könnte oder zu einem unzulässig hohen Druck im Inneren der Kammer 40
führen könnte.
Zusätzlich zu der nachfolgend geschilderten elektronischen Überwachung der Batterie
14 kann in der unteren Kammer 40 eine Gasbindungseinrichtung 17 vorgesehen sein,
die eventuell aus der Batterie 14 austretendes Gas binden, d. h. adsorbieren kann, wobei
es sich vorzugsweise um ein Molekularsieb-Adsorptionsmittel handelt (solche
Materialien sind auch als Zeolithe bekannt). Auf diese Weise kann aus der Batterie 14
eventuell austretendes Gas zumindest in gewissem Umfang gebunden werden und
dadurch der Innendruck der Kammer 40 niedrig gehalten werden.
An einer Schmalseite des hermetisch dichten Gehäuses 10 ist eine Empfangsspule 20 in
einer biokompatiblen Polymerhülle 22 angeordnet, wobei die Empfangsspule 20 mittels
hermetischen Signaldurchführungen 24 mit der Elektronikeinheit 12 verbunden ist. Die
Spule 20 ist so angeordnet, dass sie von der Schmalseite des Gehäuses 10 absteht und in
mechanischer Verbindung mit dem Gehäuse 10 steht, beispielsweise durch Verklebung,
Anformung oder Anspritzung. Die gezeigte Ausgestaltung der Empfangsspule 20 ist
beispielsweise aus DE 198 37 913 A1 bekannt. Das Gehäuse 10 kann durch die gezeigte
Auslagerung der Spule 20 aus Metall gefertigt sein, wobei die Außenseite
biokompatibel beschichtet ist. Die Ladespule 20 dient zum Nachladen der Batterie 14,
falls deren Ladezustand eine untere Grenze unterschritten hat, wobei über eine
entsprechende Sendespule eines (nicht gezeigten) extrakorporalen Ladegeräts die
Empfangsspule 20 transkutan mit elektrischer Energie versorgt wird. Eine solche
Anordnung ist beispielsweise aus der US 5 279 292 bekannt.
Die Elektronikeinheit 12 ist so ausgebildet, dass sie eine Einheit umfasst, welche das
Laden und Entladen der Batterie 14 überwacht. Dies erfolgt dadurch, dass die
Elektronikeinheit 12 beim Ladevorgang den Ladestrom mittels eines Shunt-Widerstands
sowie die Spannung der Batterie 14 während des Ladens gemessen werden. Ein darauf
aufgebautes Ladeverfahren ist beispielsweise in DE 198 38 137 A1 beschrieben, wobei
zu Beginn des Ladevorgangs der Ladestrom so gesteuert wird, dass ein relativ hoher,
auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzter Ladestrom fließen kann. Sobald die
gemessene Batteriespannung (wobei nicht die Leerlaufspannung, sondern die Spannung
bei fließendem Ladestrom gemessen wird) einen vorgegebenen Grenzwert erreicht hat,
wird der Ladestrom in einer zweiten Ladephase so gesteuert, dass die gemessene
Batteriespannung mindestens näherungsweise auf einem vorbestimmten konstanten
Wert gehalten wird, welcher mindestens näherungsweise dem Wert der am Ende der
ersten Ladephase erreichten Spannung entspricht. Der Ladevorgang wird beendet,
sobald die erfasste zeitliche Änderung des Ladestroms einen vorbestimmten
Mindestwert unterschreitet. Die Steuerung des Ladestroms kann beispielsweise durch
Pulsweitenmodulation oder einen spannungsgeregelten Widerstand erfolgen. Mit
diesem Verfahren wird die Aufladung der Batterie abhängig vom Innenwiderstand der
Batterie reguliert. Dadurch ist gewährleistet, dass in die Batterie gerade immer nur so
viel Energie eingeladen wird, wie es der elektrochemische Zustand erlaubt, ohne dass es
dabei zu einer übermäßigen Gasung oder Erwärmung der Zelle kommen kann. Auf
diese Weise werden gefährliche Betriebszustände, die zu einer übermäßigen
Druckerhöhung im Inneren der Kammer 40 führen können, verhindert werden. Durch
die Anpassung der Ladestrategie an den Innenwiderstand der Batterie 14 wird die
Ladestrategie automatisch bezüglich Alterungserscheinungen der Zelle angepasst.
Sobald im Betrieb die an der Batterie 14 gemessene Spannung einen vorgegebenen
Mindestwert unterschreitet, erzeugt die Elektronikeinheit 12 ein Signal, um den
Implantatträger zu veranlassen, einen Ladevorgang vorzunehmen, um eine übermäßige
Entladung der Batterie 14 zu verhindern. Konzepte zur Sicherstellung der
Wiederaufladbarkeit der Batterie 14 auch im Unterspannungsbereich sind in den nicht
vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 100 16 519.2
und 100 16 520.6 beschrieben. Ein Ladekonzept, welches noch flexibler auf zeitliche
Veränderungen der Batterieeigenschaften reagieren kann, ist aus der nicht
vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 100 12 864.1
bekannt. Dabei wird im wesentlichen die gesamte Betriebsgeschichte einer speziellen
Batterie anhand der Spannungs- und Strommessungen aufgezeichnet und anhand eines
adaptiven Modells ausgewertet, wodurch die Ladestrategie ständig aktualisiert und
damit optimiert werden kann.
Die bisher beschriebenen Komponenten bilden einen Teil eines implantierbaren
Hörsystems, welches eine Sensoreinheit 28, insbesondere in Form eines Mikrophons,
sowie eine Aktor-Einheit 30 umfasst, bei welcher es sich beispielsweise um einen an die
Gehörknöchelchenkette mechanisch oder an die flüssigkeitsgefüllten Räume des
Innenohrs hydromechanisch ankoppelbaren elektromechanischen Wandler handeln
kann. Solche Wandler sind beispielsweise in der US 5 277 694, der US 5 411 467 und
der EP-A-0 831 674 im einzelnen erläutert und bedürfen daher vorliegend keiner
näheren Beschreibung. Die Elektronikeinheit 12 ist dabei so ausgebildet, dass sie die
Steuereinheit für den Aktor 30 bildet, wobei es sich im wesentlichen eine
Verarbeitungsstufe für die von dem Wandler 28 gelieferten Signale sowie eine
Verstärkerstufe handelt, um den Aktor 30 zu betreiben. Die Steuereinheit umfasst ferner
einen Microcontroller sowie Analog-Digital-Wandler. Der Microcontroller kann dabei
auch für die Überwachung und Steuerung des Ladevorgangs verwendet werden.
Zumindest der Aktor 30 ist als Implantat ausgebildet und ist über Implantatsleitungen
32, einer Steckverbindung 34 sowie hermetischen Signaldurchführungen 36 mit der
Elektronikeinheit 12 verbunden. Gleichmaßen ist der Sensor 28, der ebenfalls
implantierbar sein kann, über Leitungen 32, die Steckverbindung 34 sowie hermetischen
Durchführungen 36 mit der Elektronikeinheit 12 verbunden.
Die Batterie 14 ist vorzugsweise ohne eigenes Gehäuse ausgebildet, sie ist dann
vielmehr direkt in der hermetisch dichten Kammer 40 aufgenommen, was die
Herstellung des Systems insgesamt vereinfacht. Durch die Wahl eines geeigneten
Batterietyps (siehe oben) und durch das Vorsehen einer elektronischen Überwachung
des Ladevorgangs sowie gegebenenfalls durch zusätzliche Maßnahmen, wie dem
Vorsehen einer Gasbindeeinrichtung, kann das Austreten von unzulässigen Gasmengen
aus der Batterie 14 zuverlässig verhindert werden. Insofern ist auch keine redundante
mechanischen Überwachung des hermetisch dichten Gehäuses 10, beispielsweise durch
einen auf einen Druckanstieg im Gehäuseinneren ansprechenden mechanischen Sensor
und Schalter, erforderlich, was einerseits einen kompakten Aufbau des Gehäuses 10
sowie ferner eine vereinfachte Fertigung ermöglicht.
Bei der Batterie 14 kann es sich bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch statt
um eine (wiederaufladbare) Sekundär-Batterie auch um eine (nicht wiederaufladbare)
Primär-Batterie handeln, wobei dann natürlich keine Überwachungsfunktion für einen
Ladevorgang implementiert ist. Statt dessen kann die Elektronikeinheit 12 mit einer
Funktion versehen sein, welche den Ladezustand der Primär-Batterie anzeigt,
beispielsweise die noch verbleibende Betriebsdauer bis zur Erschöpfung der Batterie.
Die Datentelemetriespule 38 ist vorgesehen, um einen Datenaustausch mit einer
extrakorporalen Datensendeeinrichtung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann
beispielsweise das den Betrieb des Aktors 30 steuernde Programm bei Bedarf
aktualisiert bzw. an Gegebenheiten des Implantatträgers angepasst werden. Eine solche
Daten- bzw. Programmaktualisierung kann auch das Ladevorgangs-
Überwachungsprogramm betreffen.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, welche sich von der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, dass der den
Betrieb des Aktors 30 steuernde Teil der Elektronikeinheit in einem separaten
biokompatiblen, implantierbaren, hermetisch dichten Gehäuse 150 untergebracht ist.
Diese Steuerelektronik ist mit dem Bezugszeichen 152 bezeichnet. Das Gehäuse 150
nimmt ferner die Datentelemetriespule 138 auf. Die Steuerelektronik 152 wird über
Leitungen 132, eine Steckverbindung 134 sowie hermetische Durchführungen 136 mit
der Ladeelektronik 112 verbunden, welche die vorstehend geschilderten Überwachungs-
und Steuerfunktionen beim Ladevorgang der Batterie 14 übernimmt. Der
Temperatursensor 26, die Gasbindungseinrichtung 16 sowie die Lade-Empfangsspule
20 sind wie in Fig. 1 ausgebildet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bildet das
Gehäuse 10 mit den darin aufgenommenen bzw. daran angebrachten Komponenten ein
Energieversorgungsmodul 100 für die Steuereinheit 152. Statt über eine steckbare
Kabelverbindung 132 kann das Energieversorgungsmodul 100 auch direkt mit dem
Gehäuse 150 für die Steuereinheit 152 verbunden sein, wobei in diesem Fall ein
Koppelorgan vorgesehen ist, welches für eine lösbare, starre mechanische Anbindung
des Energieversorgungsmoduls 100 an das Gehäuse 150 sorgt. Ein solches Koppelorgan
dient gleichzeitig einer lösbaren, galvanischen Kontaktierung der Batterie 14,
Für den Fall, dass es sich bei der Batterie 14 um eine Primär-Batterie handelt, kann die
Elektronikeinheit 112, wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform von Fig. 1
beschrieben, statt mit einer Ladevorgangsüberwachungsfunktion mit einer
Ladezustandsanzeigefunktion versehen sein.
Die Steuereinheit 12 bzw. 112 kann so ausgebildet sein, dass sie die Energieabgabe in
der Batterie 14 steuert bzw. auf die einzelnen Verbraucher aufteilt.
Claims (26)
1. Implantierbares, hermetisch dichtes Gehäuse (10) für Komponenten (12, 112, 14,
38) einer implantierbaren medizinischen Vorrichtung, wobei das Gehäuse eine
hermetisch dichte Trennwand (18) aufweist, welche das Gehäuse in eine erste
Kammer (40), die einen Speicher (14) für elektrische Energie für die
Stromversorgung der medizinischen Vorrichtung aufnimmt, und eine zweite
Kammer (26), die eine Elektronikeinheit (12, 112) aufnimmt, unterteilt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (18)
mit hermetisch dichten elektrischen Durchführungen (50) versehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Trennwand (18) im wesentlichen in Richtung des größten Abmessung des
Gehäuses (10) verläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) im
wesentlichen zylindrisch oder langgestreckt ausgebildet ist, wobei der
Durchmesser bzw. die Längsabmessung größer als die Höhe ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand
(36) und die Trennwand (18) aus einem Stück gefertigt sind und die erste (40) und
die zweite Kammer (26) jeweils durch einen an der Umfangswand befestigten
Deckel (44, 46) verschlossen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energiespeicher (14) ohne eigenes Gehäuse unmittelbar in der erste
Kammer (40) aufgenommen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Speicher (14) um eine elektrochemische Batterie mit festem Elektrolytsystem
handelt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine
Lithium basierende Batterie (14) handelt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Elektronikeinheit (112) um eine Einheit zur Überwachung des
Speichers (14) handelt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es
sich bei der Elektronikeinheit (12) um eine Einheit zum Steuern der
medizinischen Vorrichtung handelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Elektronikeinheit (12) ferner zur Überwachung des Speichers (14) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Speicher eine Primärbatterie ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher
(14) eine Sekundärbatterie ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Elektronikeinheit (12, 112) so ausgebildet ist, dass sie den Ladevorgang des
Energiespeichers (14) so überwacht und steuert, dass der Betriebszustand des
Energiespeichers in einem festgelegten Bereich gehalten wird, in welchem eine
Beschädigung des Energiespeichers und ein Austritt von Gas im wesentlichen
ausgeschlossen ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Elektronikeinheit (12, 112) so ausgebildet ist, dass sie den Ladevorgang
unterbricht, wenn der Betriebszustand des Energiespeichers (14) den festgelegten
Bereich zu verlassen droht.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Empfangsspule (20) vorgesehen ist, in die über eine extrakorporal angeordnete
Ladevorrichtung Energie transkutan elektromagnetisch einspeisbar ist, um den
Speicher (14) nachzuladen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule
(20) an der Außenseite des hermetisch dichten Gehäuses (10) in einer
biokompatiblen Polymerhülle (22) in mechanischer Verbindung mit dem Gehäuse
angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsspule
(20) an der Schmalseite des hermetisch dichten Gehäuses (10) so angeordnet ist,
dass sie von diesem absteht.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Elektronik-Einheit (12) eine Spule (38) für den Austausch von Daten für
die Steuerung der medizinischen Vorrichtung mit einer extrakorporalen
Telemetrie-Einheit aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das hermetisch dichte Gehäuse (10) an der Außenseite mit durchgeführten
Anschlüssen für eine sensorische Komponente (28) und eine aktorische
Komponente (30) versehen ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das hermetisch dichte Gehäuse (10) an seiner Außenseite biokompatibel ist.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der medizinischen Vorrichtung um eine Hörhilfe handelt.
23. Verfahren zum Herstellen eines hermetisch dichten Gehäuses (10) gemäß einem
der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einem Rohling mittels spanender
Bearbeitung von zwei gegenüber liegenden Seiten aus zwei kammerartige
Vertiefungen ausgebildet werden, wobei das zwischen den Vertiefungen
stehenbleibende Material die hermetisch dichte Trennwand (18) bildet und wobei
die erste (40) und die zweite Kammer (26) durch Aufsetzen jeweils eines
hermetisch dichten Deckels (44, 46) auf die beiden Vertiefungen gebildet wird.
24. Verfahren zum Herstellen eines hermetisch dichten Gehäuses gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 22, wobei aus einem flachen Rohling in einem ersten
Tiefziehschritt ein erster offener Hohlraum gebildet wird, in einem zweiten
Tiefziehschritt von der gegenüberliegenden Seite aus dem Boden des ersten
Hohlraums ein zweiter offener Hohlraum gebildet wird und die erste und die
zweite Kammer durch Aufsetzen jeweils eines hermetisch dichten Deckels auf die
Öffnungen der beiden Hohlräume gebildet wird.
25. Verfahren zum Herstellen eines hermetisch dichten Gehäuses gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 22, wobei aus einem flachen Rohling in einem Tiefziehschritt ein
erster offener Hohlraum mit einem Boden gebildet wird, anschließend ein an
mindestens einer Seite offener Hohlkörper mit der bzw. einer offenen Seite von
außen auf den Boden aufgesetzt und hermetisch dicht mit diesem verbunden wird,
wobei die erste Kammer durch Aufsetzen eines hermetisch dichten Deckels auf
die Öffnung der ersten Hohlraums gebildet wird und die zweite Kammer entweder
durch das Aufsetzen des Hohlraums oder, wenn der Hohlkörper eine zweite offene
Seite aufweist, durch Aufsetzen eines hermetisch dichten Deckels auf die noch
offene Seite des Hohlkörpers gebildet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem
Hohlkörper um einen Rohrabschnitt handelt.
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