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Was sind visuelle Implantate?

"...Ein Implantat oder Prothese bezeichnet in der Medizin allgemein Ersatz von Organen oder deren Teilen. In diesem Sinne sind in der Augenheilkunde bereits viele Implantate und Prothesen eingeführt – Kunstlinsen, Hornhautprothesen, Irisprothesen, Filtrationsimplantate der Glaukomchirurgie oder auch im engeren Sinne des Wortes das Silikonöl. Unter visuellen Implantaten versteht man jedoch solche Technologien, die das Ziel haben, neuronale Funktionen des Sehens zu ersetzen. Man spricht hier auch von künstlichem Sehen. Es gibt mehrere Ansätze von visuellen Implantaten. Entsprechend dem Verlauf der Sehbahn gibt es subretinale, epiretinale, Optikus- und kortikale visuelle Implantate.

Das subretinale Implantat [1–3] ersetzt im Prinzip Photorezeptoren bei Erkrankungen wie Retinitis pigmentosa oder anderen Netzhautdegenerationen, bei denen die innere Netzhaut und die übrige Sehbahn intakt sind. Dieses Neuroimplantat wandelt das einfallende Licht in elektrisches Signal um, welches dann weiter an die Bipolarzellen weitergeleitet wird.

Die epiretinale Prothese [4–7] stimuliert direkt Ganglienzellen und ist auf der Nervenfaserschicht platziert. Epiretinale Implantate arbeiten mit einer externen Kamera, die an einer Brille befestigt wird und benötigen einen „Encoder“, der die Rolle der Neurone der inneren Netzhaut – die ja bereits Sehinformationen bearbeiten – ersetzen soll.
Ein Problem bei der Stimulation der Ganglienzellen ist, dass die Fasern meist nicht in der Nähe der Ursprungszelle auf der Wegstrecke von ihrer in der Netzhaut gelegenen Ursprungszelle zum Sehnervenaustritt gereizt werden. Das Gehirn interpretiert aber eine Erregung einer solchen Faser immer als einen bestimmten Lichtfleck im Sehraum, der dem Ort der Ursprungszelle in der Netzhaut entspricht, nicht aber dem Ort der Elektrode. Deshalb muss bei dieser Methode ein Bild, bevor man es der Faserseite der Netzhaut übermittelt, erst wieder „ortsgetreu“ zusammengesetzt werden. Dies kann beispielsweise ein lernendes Software-System, ein „Encoder“, übernehmen, das den Reizort im Bildfeld jeweils so verschiebt, dass er zur eigentlichen Sehempfindung im Gesichtsfeld passt – eine komplexe Aufgabe, für die die dazu notwendige Hardware noch nicht im Auge untergebracht werden kann.

Das subretinale Implantat hingegen befindet sich an der Stelle der Photorezeptorschicht und kann deshalb die korrekte Retinotopie der angekoppelten Bipolarzellen voll nutzen. Außerdem muss der Patient bei einem epiretinalen Ansatz, der eine Kamera am Brillengestell verwendet, regelmäßig den Kopf mit der Kamera hin und her bewegen, da sonst das Bild – wie bei stabilisierten Netzhautbildern bekannt – verschwindet; beim subretinalen Ansatz, bei dem sich die Lichtempfänger ja unter der Netzhaut befinden, helfen die natürlichen Mikrosakkaden, das Bild immer wieder aufzufrischen. Außerdem kann die Blickrichtung des Auges genutzt werden, um den betrachteten Gegenstand auch in der gewählten Blickrichtung zu finden, ohne die Kopfbewegung benutzen zu müssen. Andererseits kann beim aktiven subretinalen Implantat, dessen bildverarbeitende Elektronik sich ja in toto im Körper befindet, keine umfassende Änderung der Bildverarbeitung erfolgen, wenn es einmal implantiert ist. Allerdings hat sich gezeigt, dass wegen der sehr guten Retinotopie die Einstellung von Empfindlichkeit und Maximalhelligkeit ausreichend Variationsmöglichkeiten der Anpassung bietet.

Optikusimplantate [8] stimulieren ähnlich wie die epiretinalen die Axone des Nervus opticus und arbeitet ebenfalls mit einer externen Kamera. Obwohl die Retinotopie innerhalb des Sehnervs nachvollziehbar eingehalten wird, ist wegen der hohen Dichte von Axonen keine größere Auflösung erreichbar. Kortikale Implantate [9] stimulieren direkt die Neurone der primären Sehrinde und benötigen eine sehr aufwendige Operation.

Die derzeit am weitesten entwickelten visuellen Implantate sind epiretinale und subretinale Implantate. Obwohl beide Vor- und Nachteile haben, konnten bislang die beste räumliche Auflösung und Sehschärfe sowie Stabilität des Seheindrucks mit dem subretinalen Ansatz erreicht werden [10, 17].

In Zusammenarbeit mit der Tübinger Augenklinik wird seit 1995 ein subretinaler Chip entwickelt [18], der nach erfolgreichen Tierversuchen [1, 11–15] seit 2005 bei blinden Patienten implantiert wird. Eine Pilotstudie von 2005 – 2009 zeigte, dass solche Implantate für die menschliche Netzhaut kein wesentliches Risiko darstellen und dass es möglich ist, durch den subretinalen Chip sinnvolle Seheindrücke zu vermitteln. Derzeit benutzen wir seit Mai 2010 ein technologisch verbessertes Implantat Alpha IMS in einer multizentrischen Studie mit blinden Retinitis-pigmentosa-Patienten.

Bild des subretinalen Implantates im Detail

Abbildung 1) Das subretinale Implantat mit Detail auf den eigentlichen Mikrochip mit 1500 Pixeln auf einer Fläche von 3 × 3mm. Der Chip besteht aus 1500 Mikrophotodioden, die jeweils an einen Verstärker und eine Elektrode gekoppelt sind. Die Mikrophotodiode fängt das einfallende Lichtsignal auf, ein verstärktes elektrisches Signal wird durch die Elektrode an die Bipolarzellen weitergeleitet. Das gesamte Implantat besteht aus dem subretinalen Chip, einem Stromversorgungskabel (Polyimid-Folie und ein dünnes Silikonkabel mit Golddrähten) mit der Sekundärspule, die retroaurikulär am Knochen fixiert wird.

Wie funktioniert der subretinale Chip?

In der gesunden Netzhaut wird das Licht von den Photorezeptoren in Nervensignale durch Veränderung der Zellmembranpolarisation umgewandelt. Das subretinale Implantat ersetzt diese Funktion. Der eigentliche subretinale 70μm dünne Mikrochip besteht aus 1500 Elementen („Pixel“) auf einer Fläche von 3 × 3mm (● siehe Abbildung 1). Jedes dieser Elemente enthält eine Silizium-Photodiode, einen Differenzverstärker und eine Elektrode. Einfallendes Licht wird Punkt für Punkt von Photodioden aufgefangen und in elektrische Signale gewandelt. Der jeder Photodiode nachgeschaltete Verstärker gibt über Elektroden an die Bipolarzellen der Netzhaut eine ausreichend starke elektrische Ladung weiter. Da dieser Vorgang in jedem Pixel unabhängig stattfindet, wird die natürliche Retinotopie des Sehsignals geometrisch korrekt eingehalten.

Im Unterschied zu den natürlichen Photorezeptoren reicht jedoch die Energie des einfallenden Lichtes nicht aus, um direkt die Zellen der inneren Netzhaut zu stimulieren. Deshalb benötigen subretinale visuelle Implantate eine externe Stromversorgung.
Das gesamte Implantat besteht deshalb nicht nur aus dem Mikrochip, sondern auch aus einer subdermalen Stromversorgung hinter dem Ohr mit einem Verbindungskabel (● siehe Abbildung 1, 2, 4).
Über eine 20μm starke Polyimid-Folie und ein dünnes Silikonkabel mit Golddrähten ist der Chip mit einer Stromversorgungseinheit verbunden (● siehe Abbildung 1). Die Energieübertragung zu dieser Stromversorgung erfolgt durch elektromagnetische Induktion über eine subdermale Sekundärspule und eine epidermale Primärspule, welche magnetisch in Position gehalten wird (● siehe Abbildung 2).

Bild der externen Stromversorgung


 

 

Abbildung 2a) Die externe Stromversorgung mit der externen Primärspule.

 

 

 

 

Das Bild zeigt die Befestigung der Primärspule am Kopf des Patienten

 

 

Abbildung 2b) Die Primärspule wird retroaurikulär magnetisch an der Stelle der Sekundärspule gehalten und wird dorthin immer zur Aktivierung des Implantats angelegt. Die Energieübertragung zwischen beiden Spulen erfolgt durch elektromagnetische Induktion.

 

 

 

Bild des Handgerätes, welches vom Patienten eingestellt wird


 

 

Abbildung 2c) Die Einstellung der Wahrnehmungsparameter (je nach Helligkeit und Kontrast der zu sehenden Objekte) erfolgt manuell durch den Patient selbst an der externen Stromversorgung.
 

 

 

Ein externes Stromversorgungsteil versorgt die Primärspule mit gepulster Energie. Der gesamte Chip nimmt mit den 1500 Mikrophotodioden mehrmals pro Sekunde 1ms lang ein Bild auf und erzeugt ein elektrisches Abbild, das an die Bipolarzellen weitergegeben wird.
Der Chip wird chirurgisch implantiert [16] und subretinal, möglichst direkt unter der Makula, positioniert (● siehe Abbildung 3).

Das Bild zeigt das Retina Implant wie es im Auge implantiert wird

 

 

 

Abbildung 3) Der subretinale Mikrochip wird am hinteren Augenpol möglichst unter den Makulabereich implantiert.
Die Fläche des aktiven Implantats beträgt 3 × 3mm. Das Bändchen mit den Kabelverbindungen führt in die Netzhautperipherie.

 

 

 

Die Polyimid-Folie liegt ebenfalls subretinal, und verlässt das Auge am Äquator durch die Aderhaut und die Sklera. Dieser Teil des Implantats wird lediglich durch den intraokularen Druck in Position gehalten. Episkleral wird der Übergang zum Silikonkabel fixiert. Das Kabel läuft dann intraorbital bis zur Orbitakante, an der es ebenfalls fixiert wird. Von dort führt das Kabel unter dem Temporalmuskel bis zur retroaurikulär im Knochen fixierten Sekundärspule (● siehe Abbildung 4). Das Kabel ist durch die Verlegung unter dem Periost ausreichend fixiert. Die Stromversorgung liegt ebenfalls unter dem Periost, bei Bedarf in einer formgenau ausgefrästen Knochentasche.

Schema der Position des subretinalen Implantats


 

 

Abbildung 4a) Intraokulare Position des subretinalen Implantats. Der eigentliche Mikrochip wird subretinal unter die Makula platziert. Das Bändchen, welches den Mikrochip mit dem Stromversorgungskabel verbindet, verläuft subretinal in die Netzhautperipherie und tritt transchodioidal und transskleral aus dem Bulbus heraus.

 

 

 

Das Computerbild zeigt die Positionierung der Spulen am Schädel

 

 


Abbildung 4b) Das Stromversorgungskabel verlässt die Orbita an der lateralen Orbitakante, läuft unter dem M. masseter bis zur retroaurikulärer Region, wo es an die Sekundärspule angeschlossen ist. Diese wird nach dem Vorbild der Cochleaimplantate operativ am Knochen fixiert und zur Aktivierung des Implantats durch elektromagnetische Induktion von der extern angebrachten Primärspule versorgt...."


 

 

(Aus: Stingl K et al., Klin Monatsbl Augenheilkd, 2010; 227: 940-945)

Literatur

[1] Zrenner E. Will retinal implants restore vision? Science 2002; 295:1022–1025
[2] Zrenner E, Gekeler F, Gabel PV et al. Subretinal microphotodiode array as replacement for degenerated photoreceptors? Ophthalmologe 2001; 98: 357–363

[3] Gekeler F, Zrenner E. Status of the subretinal implant project. An overview. Ophthalmologe 2005; 102: 941–949

[4] Yanai D et al. Visual performance using a retinal prosthesis in three subjects with retinitis pigmentosa. Am J Ophthalmol 2001; 143: 820–827

[5] Horsager A, Greenberg RJ, Fine I. Spatiotemporal interactions in retinal prosthesis subjects. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010; 51: 1223–1233

[6] Chader GJ, Weiland J, Humayun MS. Artificial vision: needs, functioning, and testing of a retinal electronic prosthesis. Prog Brain Res 2009; 175: 317–332

[7] Hornig R, Laube T,Walter P et al. Amethod and technical equipment for an acute human trial to evaluate retinal implant technology. J Neural Eng 2005; 2: S129–S134

[8] Brelen ME, Vince V, Gérard B et al. Measurement of evoked potentials following electrical stimulation of the human optic nerve. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010 10.1167/iovs.09-4346

[9] Normann RA, Greger B, Greger BA et al. Toward the development of a cortically based visual neuroprosthesis. J Neural Eng 2009; 6: 035001

[10] Humayun MS, Dorn JD, Ahuja AK et al. Preliminary 6 month results from the Argus II epiretinal prosthesis feasibility study. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc 2009; 2009: 4566–4568

[11] Zrenner E, Stett A, Weiss S et al. Can subretinal microphotodiodes successfully replace degenerated photoreceptors? Vision Res 1999; 39:2555–2567

[12] Schwahn H, Gekeler F, Kohler K et al. Studies on the feasibility of a subretinal visual prosthesis: data from Yucatan micropig and rabbit. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology 2001; 239:961–967

[13] Kohler K, Hartmann JA, Werts D et al. Histological studies of retinal degeneration and biocompatibility of subretinal implants. Ophthalmologe 2001; 98: 364–368

[14] Guenther E, Tröger B, Schlosshauer B et al. Long-term survival of retinal cell cultures on retinal implant materials. Vision Res 1999; 39: 3988–3994

[15] Zrenner E, Miliczek KD, Gabel VP et al. The development of subretinal microphotodiodes for replacement of degenerated photoreceptors. Ophthalmic Res 1997; 29: 269–280

[16] Besch D et al. Extraocular surgery for implantation of an active subretinal visual prosthesis with external connections: feasibility and outcome in seven patients. British Journal of Ophthalmology 2008; 92:1361–1368

[17] Zrenner E, Wilke R, Bartz-Schmidt KU. et al. Subretinal Microelectrode Arrays Allow Blind Retinitis Pigmentosa Patients to Recognize Letters and Combine them toWords. Biomedical Engineering and Informatics 2009. BMEI ’09. 2nd International Conference, Tianjin, 17 – 19 Oct 2009: 1–4 10.1109/BMEI.2009.5305315

[18] Zrenner E. Restoring neuroretinal function: new potentials. Doc Ophthalmol 2007; 115: 56–59