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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Infektionskontrollgerät für einen
implantierbaren Herzstimulator, enthaltend einen Impulsgenerator zum
Liefern von elektrischen Stimulationsimpulsen zu dem Herzen eines
Patienten über
eine mit dem genannten Impulsgenerator verbindbare Leitung, möglicherweise über einen
Verbinderaufsatz eines Impulsgeneratorgehäuses, wobei das genannte Impulsgeneratorgehäuse elektrisch
leitend ist.
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Hintergrund
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Eine
Tascheninfektion eines implantierbaren Herzstimulators ist eine
ernsthafte Komplikation, die oft mit der Explantation des Stimulators
endet. Der Grund hierfür
ist, dass eine konventionelle Behandlung mit Antibiotika die Infektion
nicht auslöschen kann.
Dies scheint abhängig
von dem Umstand zu sein, dass die Bakterien in einem um die Außenflächen des
implantierten Stimulators gebildeten Biofilms leben, der Antibiotika
abblockt. Die Bakterien können
auch passiv auf einem sehr niedrigen Stoffwechselniveau leben und
können
deshalb nicht erfolgreich durch Antibiotika behandelt werden.
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Ein
Verfahren zum Verbessern der Wirkung von Antibiotika durch Anlegen
eines elektrischen Feldes an dem Biofilm ist in der
US 5,312,813 beschrieben. Dieses Verfahren
beruht auf Erkenntnissen von J. W. Costerton et al. Ihre Studien
haben gezeigt, dass die Infektion vollständig ausgeheilt werden kann und
keine Explantation vorgenommen werden muss, wenn der Biofilm während der
antibiotischen Behandlung mit einem elektrischen Feld oder einem kleinen
Strom beaufschlagt wird, vgl. auch ASAIO Journal 1992, Seiten M174
bis M178, Khoury et al., "Prevention
and Control of Bacterial Infections Associated with Medical Devices", und Antimicrobial Agents
and Chemotherapy, Band 38, Nr. 12, Dezember 1994, Seiten 2803 bis
2809, Costeron et al., "Mechanism
of Electrical Enhancement of Efficacy of Antibiotics in Killing
Biofilm Bacteria".
Bei diesen Studien wird die infizierte Fläche im Allgemeinen mit einem
niedrigen elektrischen Strom in der Größenordnung von 15 bis 400 μA/cm
2 beaufschlagt, während sie in einen Speicher
mit Antibiotika eingetaucht wird. In den erfolgreichsten Untersuchungen
wird über eine
vollständige
Tötung
der Mikroorganismen berichtet, nach nur 8-stündiger Strom- und Antibioti ka-Behandlung – Tobramycin
2,5 mg/l, 15 bis 400 μA/cm
2, während
8 Stunden. Dieser Effekt ist als "der bioelektrische Effekt" bezeichnet worden.
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Diese
Studien empfehlen, dass das elektrische Feld in enger Nachbarschaft
zum infizierten Implantat angelegt werden soll. Ein passives elektrisches
Feld reicht nicht aus, es sollte zwischen den Elektroden ein Strom
in die Bioflüssigkeit
geleitet werden, die die implantierte Vorrichtung umgibt. Eine mögliche Erklärung für die beobachtete
Wirkung ist die, dass elektrochemisch erzeugte Produkte für das Auftreten
des bioelektrischen Effektes benötigt
werden. An der Titanoberfläche,
Titan wird normalerweise bei Herzstimulatorgehäusen verwendet, finden die folgenden
elektrochemischen Prozesse statt:
An der Anode: 2H2O → O2 +
4H+ + 4e– (1) 2Cl– → Cl2 +
2e– (2) Ti + 2H2O → TiO2 + 4H+ + 4e– (3)
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An
der Kathode: O2 +
2H2O + 4e– → 4OH– (1) 2H2O + 2e– → H2 + 2OH– (2)
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Es
wird angenommen, dass in erster Linie die erzeugten Sauerstoff-
und Chlorid-Gase einen Einfluss auf den auf die Oberfläche aufgebrachten
Biofilm haben. Es wird auch angenommen, dass die Tatsache, dass
der pH-Wert an der Anode verringert und an der Kathode erhöht wird,
signifikant für
den Einfluss auf den Biofilm und für die Lebensfähigkeit des
Biofilms ist.
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Eine
Infektion, die in der Stimulatortasche ausgelöst wird, beginnt sich auch
oft entlang der Leitung auszubreiten. Die Polymeroberfläche der
Leitung kann ein Substrat für
die Bakterien bilden, und macht es für die Bakterien leicht, haften
zu bleiben. In dem Zeitpunkt, in dem sich eine Tascheninfektion
klinisch manifestiert hat, hat sich in vielen Fällen die Infektion bereits
von der Stimulatortasche aus entlang der Leitung über einige
Distanz ausgebreitet.
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Da
der bioelektrische Effekt auf Teile in Verbindung mit oder in enger
Nachbarschaft zu leitenden Oberflächen des Implantats konzentriert
wird, ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung diese leitenden aktiven
Flächen
praktisch auf die ganze äußere Oberfläche des
Implantats auszudehnen, so dass sie mit Strom bedeckt sein kann.
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Offenbarung
der Erfindung
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Dieses
Ziel wird durch ein Gerät
der im einleitenden Teil der Beschreibung definierten Art mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.
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Wie
oben diskutiert, ist der bioelektrische Effekt auf leitende Oberflächen der
implantierten Vorrichtung oder die unmittelbare Nachbarschaft hiervon begrenzt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Ausgestaltung erreicht,
die es ermöglicht
den bioelektrischen Effekt auf traditionell nicht leitende Oberflächen eines
implantierten Herzstimulators, wie eines Schrittmachers oder Kardioverters-Defibrillators (ICD)
auszudehnen. Dadurch, dass die äußeren Flächen des
proximalen Teils der Leitung und ein möglicher Verbinderkopf elektrisch
leitend gemacht werden, sind alle innerhalb der subkutanen Implantationstasche
liegenden Außenflächen des
Stimulators und ein Teil der sich von der Tasche aus erstreckenden
Leitung elektrisch leitend und durch ein Ausgestalten dieser elektrisch
leitenden Flächen,
wenigstens zwei getrennte Elektroden zu bilden und ein Vorsehen
einer Stromquelle, um zwischen diesen Elektroden einen elektrischen
Infektionskontrollstrom (Infektionssteuerstrom) zuzuführen, werden
sämtliche äußeren Flächen mit
Strom überzogen
und der bioelektrische Effekt wird auf sämtliche Oberflächen innerhalb
der Tasche und auch auf die äußere Fläche des
proximalen Teils der Leitung erstreckt. Indem die normalerweise
nicht leitenden Flächen
des Verbinderkopfes und der Leitung elektrisch leitend gemacht werden,
ist nicht nur eine wirksame Behandlung der Infektionen innerhalb
der Tasche möglich,
sondern es wird auch eine Ausbreitung der Infektion von der Tasche
längs der
Leitung verhindert. Die Leitung zieht auf diese Weise Nutzen aus
dem bioelektrischen Effekt und es wird so verhindert, dass die Bakterien
das Endokard erreichen, was zur Entstehung von Endokarditis führen könnte.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gerätes wird auf die äußeren Flächen des
proximalen Teils der genannten Leitung und des genannten möglichen
Verbinderkopfes ein elektrisch leitendes Polymer aufgebracht. Auf
diese Weise werden traditionell nicht leitende Flächen eines
Herzstimulators elektrisch leitend gemacht. Ein Beispiel eines für diesen
Zweck geeigneten Polymers ist ein elektrisch leitendes Polymer,
dass unter der Handelsmarke ELASTOSIL vertrieben wird.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gerätes wird
um den genannten proximalen Teil der Leitung eine elektrisch leitende
Wicklung aufgebracht. Auf diese Weise wird der proximale Teil der
Leitung nicht nur elektrisch leitend gemacht, sondern auch der Verschleißwiderstand
der Leitung verbessert.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Geräts sind
die Außenflächen des
proximalen Teils der Leitung und des genannten möglichen Verbinderkopfes mittels
Ionen-Implantationstechnologie oder sogenannter ionenstrahlunterstützter Ablagerung
behandelt. Diese Technik ist insbesondere gut geeignet, um die Stimulatorverbinderaufsätze oder
-köpfe
aus Epoxid elektrisch leitend zu machen. Weitere mögliche Beschichtungstechnologien
sind physikalische Dampfablagerung, PVD oder chemische Dampfabscheidung,
CVD oder irgendein Aufsprühprozess.
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Es
hat sich herausgestellt, dass Oxidschichten, insbesondere Titanoxidschichten,
aber auch andere Metalloxidschichten gefunden werden können, wenn
solche Metalle in der, im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
angewandten Gleichstromumgebung, benutzt werden. Diese Oxidschichten
können
eine ungleichmäßige Stromverteilung verursachen,
die für
den Infektionskontrolleffekt schädlich
ist. Der Strom kann auch in Folge der vergrößerten Impedanz wegen der Oxidschicht
bis zu einem Punkt verringert werden, bei dem der Effekt auf Bakterien
im Biofilm nicht länger
wirksam ist. Die Bildung von derartigen Oxidschichten wird gemäß einer vorteilhaften
Ausführungsform
des Gerätes
gemäß der Erfindung
verhindert durch Überziehen
des Generatorgehäuses
und anderer metallischer Oberflächen,
die in Folge des Gleichstroms oxidiert werden, mit einem der Metalle
Platin, Palladium oder Iridium oder irgendeinem anderen Metall mit ähnlichen
elektrochemischen Charakteristiken oder einer Legierung aus diesen
Metallen.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Ausführungsformen
des Gerätes
gemäß der Erfindung
ist die genannte Gegenelektrode eine implantierbare Elektrode, die
geeignet ausgebildet ist, um an der genannten Leitung zur Implantation
in das Herz des Patienten positioniert zu werden, vorzugsweise bildet
eine Herzstimulationselektrode die genannte Gegenelektrode. Es wird
dann die Notwendigkeit für
eine getrennte, implantierte Gegenelektrode eliminiert. In diesem
Fall muss die elektrische Infektionsbehandlung so durchgeführt werden,
dass sie nicht mit den Stimulationsimpulsen des Herzstimulators
interferiert. Somit muss die Behandlung auf die refraktären Perioden
des Herzens beschränkt
werden oder es wird alternativ ein Infektionsbehandlungsstrom einer solchen
Frequenz benutzt, die das Herz nicht beeinflusst.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gerätes ist
die genannte Gegenelektrode aus einer Defibrillationselektrode großer Oberfläche gebildet,
wobei die genannte Gegenelektrode zur externen Anwendung auf der Haut
des Patienten ausgebildet sein kann, vorzugsweise zur externen Anwendung
auf der Haut des Patienten aus einer Patchelektrode gebildet sein
kann. Durch Verwenden von Elektroden großer Oberfläche wird die Stromdichte erniedrigt
und einfacher eine gleichmäßige Stromverteilung
erhalten.
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Wenn
eine externe Stromquelle benutzt wird, was insbesondere im Falle
einer Gegenelektrode für eine
externe Anwendung der Fall ist, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gerätes
ein galvanisches Verbindungsmittel vorgesehen, um die genannte Stromquelle
galvanisch mit den implantierten Elektroden über die Haut des Patienten
zu verbinden.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gerätes ist
ein Mittel vorgesehen, um die genannte extern angeordnete Stromquelle
induktiv mit den genannten Elektroden zu koppeln.
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Gemäß weiteren
vorteilhaften Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gerätes umfassen die
induktiven Kopplungsmitteln eine dünne induktive Wicklung (Spule),
die an der Außenfläche des
Impulsgeneratorgehäuses
angebracht und elektrisch mit den Elektroden oder einer induktiven
Wicklung verbunden ist, die innerhalb des Impulsgeneratorgehäuses positioniert
und elektrisch mit den Elektroden verbunden ist. Derartige dünne Spulen,
die vorzugsweise durch Siebdruck hergestellt werden, erfordern nicht
viel Platz und tragen deshalb zu einem kompakten Stimlator-aufbau
bei. Eine derartige Spule könnte auch
als eine Telemetriespule benutzt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gerätes ist
zwischen die genannte Spule und eine der Elektroden ein Gleichrichter
geschaltet, um den Elektroden einen Gleichstrom zuzuführen.
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Gemäß weiterer
vorteilhafter Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gerätes, bei
denen die Stromquelle extern angeordnet ist, ist ein elektrolytisches
Verbindungsmittel vorgesehen, um die genannte Stromquelle elektrolytisch
mit der genannten ersten Elektrode zu verbinden. Das genannte elektrolytische
Verbindungsmittel enthält
vorzugsweise eine zusätzliche
Elektrode zum externen Anbringen auf der Haut des Patienten, die
von der genannten Gegenelektrode getrennt ist und in elektrolytischem Kontakt
mit der genannten ersten Elektrode steht, wobei die genannte Stromquelle
mit der genannten Gegenelektrode und mit der genannten zusätzlichen Elektrode
in Verbindung steht. Das Biofluid des Körpers des Patienten kann dann
als elektrolytisches Medium dienen. Auf diese Weise wird der große Vorteil
einer nicht invasiven Verbindung ohne transkutane Drähte erzielt.
Wenn zwei externe (Patch) Elektroden verwendet werden, kann die
Stromverteilung am Gehäuse
bzw. an der implantierten Elektrode ungleichmäßig sein. Dies kann wenigstens
teilweise behoben werden durch Umpositionierung der externen Elektroden
während
der Behandlung, derart, dass alle implantierten Flächen durch
eine adäquate Strommenge
belegt sind.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Herzstimulator,
enthaltend einen Impulsgenerator zum Liefern von elektrischen Stimulationsimpulsen
zum Herzen eines Patienten über
eine mit dem genannten Impulsgenerator, möglicherweise über einen
Verbinderaufsatz auf einem Impulsgeneratorgehäuse verbindbare Leitung, wobei
das Impulsgeneratorgehäuse
elektrisch leitend ist und der Stimulator durch ein Gerät gekennzeichnet
ist, wie es oben beschrieben ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Um
die Erfindung mehr im Detail zu erläutern werden nun Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gerätes anhand
der Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 schematisch
einen Herzstimulator mit einer Leitung zeigt, die an ihrem proximalen
Teil mit einer Spule versehen ist,
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2 eine
Ausführungsform
mit einer ventrikulären
Defibrillationselektrode großer
Oberfläche als
Gegenelektrode zeigt,
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3 schematisch
einen Herzstimulator mit einer am Äußeren des Stimulatorgehäuses befestigten
Oberflächenspule
zeigt, zur induktiven Verbindung einer externen Stromquelle mit
den die Elektrode bildenden Teilen des Implantats, und
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4 eine
Ausführungsform
der Erfindung mit einer externen Patch-Elektrode als Gegenelektrode
zeigt.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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In
dem erfindungsgemäßen Gerät ist der
proximale Teil der Leitung elektrisch leitend gemacht, der sich
bis zu einer Position erstreckt, welche nach der Implantation der
Leitung zwischen einer Stelle jenseits des Eintritts in das venöse System
und dem Eintritt in die Vena Cava Superior liegt. Dies kann auf verschiedene
Weise realisiert werden. So kann der proximale Teil beispielsweise
durch Aufbringen eines elektrisch leitenden Polymers auf die Oberfläche oder
durch Ionen-Implantationstechnologie oder durch ionenstrahlunterstützte Ablagerung
(IBAD) elektrisch leitend gemacht sein. In 1 ist ein
weiteres Beispiel, einen proximalen Leitungsabschnitt elektrisch
leitend zu machen, dargestellt.
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So
zeigt 1 schematisch einen implantierbaren Herzstimulator 2 mit
einem Verbinderaufsatz (Verbinderkopf) 4 mit dem eine Leitung 6 verbunden
ist. Der proximale Teil der Leitung 6 ist durch Wickeln
einer metallischen Spule 8 um diesen Teil der Leitung elektrisch
leitend gemacht. Die metallische Spule 8 verbessert auch
den Verschleißwiderstand
der Leitung 6.
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Der
Verbinderaufsatz oder -kopf 4 ist oft aus Epoxid hergestellt
und IBAD ist eine geeignete Technik, um einen solchen Verbinderaufsatz
leitend zu machen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
mit elektrisch leitenden äußeren Flächen des
Generatorgehäuses 10,
des Verbinderaufsatzes 12 und des proximalen Teils 16 der
Leitung 14. Das Generatorgehäuse 10, der Verbinderaufsatz 12 und
der proximale Teil 16 der Leitung 14 bilden eine
Elektrode, während eine
großflächige rechtsventrikuläre Defibrillationselektrode 19 an
der Leitung 14 als Gegenelektrode benutzt wird. Die Impulsgeneratorbatterie
kann so betrieben werden, dass sie einen elektrischen Infektionskontrollstrom
i zwischen dieser Defibrillationselektrode 19 und der durch
das leitende Gehäuse 10, den
Verbinderaufsatz 12 und den proximalen Leitungsteil 16 gebildeten
Elektrode liefert, um Bakterien zu zerstören, die sich in einem Biofilm
auf dem implantierten Stimulator eingenistet haben. Dieser elektrischer
Behandlungsstrom i darf nicht mit der Stimulationsfunktion des Herzstimulators
interferieren und wird deshalb während
der Refraktärperiode
des Herzens 21 geliefert.
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Weitere
Beispiele von implantierbaren indifferenten Elektroden sind beispielsweise
in der
US 5,510,766 und
der
US 5,814,076 beschrieben,
wobei diese Elektroden jedoch für
andere Zwecke benutzt werden.
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Die
elektrische Infektionskontrolle macht einen verhältnismäßig hohen Betrag an Energie
erforderlich und deshalb wird normalerweise eine externe Energiequelle
benötigt.
Transkutane elektrische Verbindungen zu den implantierten Elektroden
erhöhen das
Risiko einer erneuten Verunreinigung der Wunde und einer Unannehmlichkeit
für den
Patienten. Es wäre
deshalb ein großer
Vorteil, für
die Energiezufuhr ein nicht invasives Verfahren zu benutzen.
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3 zeigt
ein Beispiel für
die Zufuhr eines elektrischen Stromes zur Infektionskontrolle aus
einer externen Quelle durch elektromagnetische Induktion. So ist
eine äußerst dünne oberflächenbefestigte Spule 18 an
der Außenfläche des
Stimulatorgehäuses 20 angebracht.
Diese Spule 18 kann beispielsweise durch Siebdruck hergestellt
werden. Ein polymerer Isolationsfilm 22 ist vorgesehen
um die Spule 18 gegenüber
dem Stimulatorgehäuse 20 elektrisch zu
isolieren.
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Ein
Ende 24 der Spule 18 ist elektrisch mit dem Gehäuse 20 verbunden,
während
das andere Ende mit einer Diode 26 in Verbindung steht,
die in den Epoxid-Verbinderkopf 28 integriert ist. Die
Diode 26 ist wiederum mit einer Gegenelektrode 31 verbunden.
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Durch
Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes mittels
einer externen Energiequelle, die in der Nachbarschaft des Stimulators angeordnet
ist, wird in der Spule 18 ein Strom erzeugt. Die Diode 26 erlaubt
einen Stromfluss in nur einer Richtung, um zu ermöglichen,
dass die für
den bioelektrischen Effekt erforderlichen elektrochemischen Prozesse
auftreten.
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Als
eine Alternative kann innerhalb des Stimulatorgehäuses eine
Spule eingebaut werden. Ein Ende der Spule ist dann mit dem Stimulatorgehäuse verbunden,
während
das andere Ende der Spule über
eine Diode an eine externe Gegenelektrode angeschlossen ist.
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4 zeigt
eine Ausführungsform,
bei der das Impulsgeneratorgehäuse 110,
der Verbinderaufsatz 112 und der proximale Teil 116 der
Leitung 114 eine Elektrode bilden, während eine externe Patch-Elektrode 122,
die zum Anlegen auf die Haut des Patienten dient, als Gegenelektrode
verwendet wird. In diesem Fall wird eine externe Stromquelle 124 zum
Liefern des Behandlungsstromes i benutzt. Wenn in diesem Fall eine
Therapie anzuwenden ist, wird eine mit der Stromquelle 124 verbundene
elektrisch leitende Nadel 126 durch die Haut des Patienten
eingeführt,
um den Kontakt mit dem Impulsgeneratorgehäuse 110 herzustellen.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, das nur geringfügige
Modifikationen einer existierenden Hardware erforderlich sind, nämlich den
Verbinderaufsatz 112 und die Außenfläche des proximalen Leitungsteils 116 elektrisch
leitend zu machen.
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Es
sind natürlich
zahlreiche Variationen und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen
einer galvanischen Verbindung, wie sie in 4 dargestellt
ist, und einer induktiven Kopplung einer extern angeordneten Stromquelle
mit den implantierten Elektroden, wie sie in 3 veranschaulicht
ist, möglich.
Als eine weitere Alternative kann ein Verbindungsmittel für eine elektrolytische
Verbindung einer externen Stromquelle mit einer implantierten Elektrode
benutzt werden. Das elektrolytische Verbindungsmittel kann eine
zusätzliche
Elektrode für
die externe Anwendung auf der Haut des Patienten, getrennt von der
Gegenelektrode und in elektrolytischem Kontakt mit der genannten
ersten Elektrode über
die Körperbioflüssigkeit
sein. Durch Verbinden der Stromquelle mit der Gegenelektrode und
mit dieser zusätzlichen Elektrode
wird ein nicht invasives Verfahren der Verbindung der Stromquelle
erzielt.
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Wenn
externe Elektroden benutzt werden, sollten diese Elektroden vorzugsweise
so positioniert werden, dass jene Teile des Infektionskontrollstromes,
die durch das Herz gehen, minimiert sind.