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Technik des Implantats

Die gesunde Netzhaut (Retina) ist ein hochkomplexes System verschiedener Nervenzellen (Neuronen: Bipolar-, Horizontal und Amakrinzellen) mit jeweils unterschiedlichen Aufgaben. Das in das Auge einfallende Licht durchdringt das Retinagewebe und trifft am Augenhintergrund auf die etwa  120 Mio. Stäbchen und 6 Mio. Zapfen. Dort wird das Licht durch einen mehrstufigen Prozess in elektrische Signale umgewandelt,  welche durch die nachfolgenden Neuronen der Netzhaut vorverarbeitet und schließlich an die Ganglienzellen übergeben werden. Die Axone der Ganglienzellen wiederum münden in den Sehnerv, der die Informationen an das Sehzentrum (visueller Cortex) im Gehirn weiterleitet.

Bei der RP gehen zwar Stäbchen und Zapfen, welche das Licht in Nervensignale umwandeln, zugrunde, ein Großteil des filigranen Nervengewebes der Retina, welcher für die Vorverarbeitung der Information auf dem Weg ins Gehirn zuständig ist, bleibt jedoch weitgehend erhalten. Der Sehapparat ist also weiterhin intakt, es fehlt sozusagen nur der Input.

Das Bild zeigt den Aufbau der Netzhaut

Abbildung 1) Aufbau der Netzhaut mit ihren komplexen neuronalen Verschaltungen. Nach dem Durchtritt durch die Retina trifft das Licht auf die Photodioden des Chips und löst dort einen elektrischen Reiz aus

Netzhautimplantat ersetzt Photorezeptoren

Das von Prof. Zrenner an der Universitäts-Augenklinik Tübingen in Kooperation mit dem Naturwissenschaftlich Medizinischen Institut (NMI) entwickelte Konzept des subretinalen Implantates [1] geht davon aus, dass der natürliche Reiz durch lichtabhängige elektrische Signale ersetzt wird.

Diese künstlichen Stimuli können das noch großteils intakte neuronale Netzwerk anregen, was zur Wahrnehmung von Phosphenen (künstlich ausgelöste Lichterscheinung) führt.  Dadurch werden die Patienten zwar nicht wieder scharf sehen, sie sind jedoch in der Lage, Lichtquellen zu orten und Gegenstände zu lokalisieren und auch zu erkennen, um sich räumlich orientieren zu können. Das subretinale (hinter der Netzhaut) Implantat nimmt genau dieselbe Position ein, wie die untergegangenen Photorezeptoren (● siehe Abbildung 1).

Dies ist aus Sicht der Signalverarbeitung ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu epiretinalen Systemen, welche auf der Netzhaut angebracht werden. Die subretinale Anregung nutzt die gesamten neuronalen Verschaltungen der Netzhaut auf dem Weg zum Sehnerv. Das elektrische Signal wird am Ort der Helligkeit ausgelöst und die Signalstärke entspricht der Lichtintensität. Ein epiretinales System muss dagegen die natürliche Reizweiterleitung innerhalb der Retina durch elektronische Signalverarbeitung nachbilden, da bei dieser Technologie die Ganglienzellen elektrisch stimuliert werden (● siehe Abbildung 2).

Bild der Funktionsweise des Auges und der Retina

Abbildung 2) Beim subretinalen Implantat ersetzt der Stimulationschip die degenerierten Photorezeptoren der Netzhaut

Anforderungen an den Chip

Das Herzstück des Retina Implantates ist ein etwa 3 x 3 mm2 großer und 70 [1m dicker Silizium-Chip mit 1500 Pixeln. Jede Pixelzelle enthält eine lichtempfindliche Photodiode, einen logarithmischen Differenzverstärker sowie eine 50 x 50 [1m² große Elektrode aus Titan-Nitrid, mit der die elektrischen Reize in die Netzhaut eingekoppelt werden. Die Schaltung wurde zusammen mit dem IMS in Stuttgart entwickelt und in 0,8 [1m CMOS Technologie hergestellt [2]. Die Leistungsaufnahme ist gering gehalten, um eine Erwärmung durch thermische Verlustleistung im Auge zu vermeiden. Der Mikrochip ist auf einer 20 [1m dünnen, hochflexiblen Leiterplatte aus Polyimid angebracht, über deren Goldleiterbahnen Energieversorgung und Steuersignale bereitgestellt werden.

Direkt neben dem Chip am vorderen Ende des Implantates befinden sich zusätzlich 16 Einzelelektroden, die es erlauben, elektrische Parameter des Elektroden - Netzhaut Systems zu messen, Schwellwerte für eine Wahrnehmung zu bestimmen, sowie einfache Muster mittels Direktstimulation zu präsentieren (● siehe Abbildung 3). Das filigrane Polyimidbändchen ist mit einem dünnen gewendelten Kabel verbunden durch das die elektrische Versorgung von Chip und Direktstimulationselektroden bereitgestellt wird. Dieses elastische Kabel führt durch die Augenhöhle zum Schläfenknochen und von dort bis hinter das Ohr, wo es durch die Haut nach außen tritt. Hier kann eine kleine batteriebetriebene elektrische Versorgungseinheit angebracht werden. Da ein solcher Durchtritt durch die Haut jedoch eine potentielle Infektionsquelle darstellt, verfügt die kommende Implantatgeneration über eine induktive Spannungsversorgung ähnlich dem Cochlea Implantat.

Bild des CMOS Chip in Vergrößerung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3) CMOS Chip auf der Polyimid Folie mit den 16 Direktstimulationselektroden (oben), vergrößerter Ausschnitt mit den Elektroden des Mikrochips und einzelnen Photodioden (unten)

Energie und Steuersignale werden dabei über zwei Spulen übertragen, wovon eine in einem Keramikgehäuse unter der Haut angebracht wird. Darüber hinaus kommt ein optimiertes Chipdesign zum Einsatz, welches durch sequentielle Ansteuerung einzelner Pixelareale eine bessere Mustererkennung erwarten lässt (● siehe Abbildung 4). Alle Komponenten müssen natürlich biokompatibel - also für den Körper gut verträglich - und langzeitstabil über viele Jahre sein. Dies ist eine enorme technologische Herausforderung, welche unter anderem auch den Einsatz neuer Materialien und deren Kombinationen erforderlich macht. Die verwendeten Bauteile müssen an der Kontaktfläche zum umgebenden Gewebe mit einer hermetischen Schutzschicht versehen sein, die vielfältige Tests durchläuft um die Widerstandsfähigkeit gegenüber der korrosiven Umgebung im Körper nachzuweisen.

Bild des subretinalen Implantates

 

 

Abbildung 4) Implantatsystem der nächsten Generation mit implantierbarem Keramikgehäuse zur induktiven Stromversorgung

 

Literatur

[1] E. Zrenner, Will retinal implants restore vision? Science, Vol. 295, No. 5597 Feb. 2002, pp. 1022 - 1025
[2] H.G. Graf, C. Harendt, T. Engelhardt, C. Scherjon, K. Warkentin, H. Richter, J. N. Burghartz, High dynamic range CMOS imager technologies for biomedical applications. IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 44, No. 1, Jan. 2009, pp. 281 - 289