Retina-Implantat von Begbie 8. Mai 2007

Gliederung 8. Mai 2007 1.Allgemeiner Aufbau des Auges 2. Blindheit 3. Das retinale Implantat 3.1 Epiretinales Implantat 3.2 Subretinales Implantat 4. Aufbau und Funktionsweise 8. Mai 2007

Hintergrund Die klassische Medizin kennt keine umfassende Behandlung gegen Blindheit jährlich erblinden allein in Deutschland 17.000 Menschen 8. Mai 2007

Das Auge Ganglienzellen die Nervenzellen im Zentralnervensystem, im Sympathicus und den Sinnesorganen. Das Axon FASERN ist der lange, faserartige Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Nervenimpulse vom Zellkörper wegleitet. Bipolarzellen sind Nervenzellen, welche sich in der Retina des Auges befinden. Sie leiten die Informationen der lichtempfindlichen Fotorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) vertikal an die Ganglienzellen weiter. Die Bipolarzelle verbindet somit die äußere und innere Synapsenschicht der Netzhaut. PIGMENT-EPITHEL : Trennschicht zwischen der Netzhaut und der Aderhaut - funktioneller Lichtfilter 8. Mai 2007

Blindheit Retinitis Pigmentosa Altersbedingte Makula Degeneration erblich, unheilbar Altersbedingte Makula Degeneration 8. Mai 2007

Blindheit Quelle: http://www.optron.de/html/augen.html 8. Mai 2007 normal Makula Degeneration Retinitis Pigmentosa Makula- Wenige Quadratmillimeter kleiner Bereich der Netzhaut Gelber Fleck Punkt des schärfsten Sehens Eine Folge der Ablagerung fettähnlicher Abfallstoffe- führt zur Zerstörung der Sinneszellen Meist erst ab 70 Jahren Retinitis Pigmentosa - Die Sehnerven sterben schon im jungen alter ab Quelle: http://www.optron.de/html/augen.html 8. Mai 2007

Ziel eines Implantates Die degenerierten Photorezeptoren mittels elektrischer Stimulation ersetzen 8. Mai 2007

Das retinale Implantat Einige große Probleme: Verträglichkeit/Biokompatibilität Fixierung an das neuronale Gewebe Die Energieversorgung Stimulationsparameter Die Elektronik muss den Angriffen von Körperzellen und Körperflüssigkeiten jahrelang standhalten Zwischen 0,5 und 1 Grad Erwärmung im Auge Dauerhafte, schädigungsfreie Ankopplung an das neuronale Gewebe => Netzhautchirurgen : GEWEBEKLEBER nicht geeignet, stattdessen KUNSTSTOFFNÄGEL durch die Netzhaut bis zur Lederhaut Die Art der Stimulation herausfinden, die es erlaubt, über längere Zeit zu reizen, ohne die Nervenzellen zu schädigen => 0, 5 Nanocoulomb pro Elektrode reichen aus , 10 mikroAmpere abhängig von jedem permanent implantierten intraocularen elektronischen Gerät 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Das Elektrodenmaterial wie auch das Siliziumoxid werden beschädigt Korrosion des darunter liegenden Si 8. Mai 2007

Das retinale Implantat Zwei Ansätze: epiretinales Implantat subretinales Implantat - Ziel eines Implantates ist es, die degenerierten Photorezeptoren mittels elektrischer Stimulation zu ersetzen 8. Mai 2007

epiretinales Implantat wird auf der Netzhaut platziert Bild von einer Kamera oder einem Sensor Umwandlung in Stimulationsimpulse gezielte Übertragung an Elektroden Wird auf der Netzhaut platziert Leitet elektrische Reize direkt an die Schnittstelle zwischen Ganglienzellen und Sehnerv ab Aufwendige elektronische Bildverarbeitung die Kamera wird auf ein Brillengestell befestigt Der Sensor anstelle der natürlichen Linse eigepflanzt 8. Mai 2007

Quelle: Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie 8. Mai 2007 Stimulation der retinalen Ganglienzellen: Im Augeninneren an der Oberfläche der Netzhaut Es besitzt keine lichtempfindlichen Flächen Erhält elektrische Signale von einem mit einer externen Kamera ausgestatteten Rechner, der außerhalb am Körper getragen wird Die Elektroden stimulieren direkt die Ganglienzellen oder deren Fasern zum Gehirn Quelle: Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie 8. Mai 2007

epiretinales Implantat Nachteil: Stimulation der Fasern zwischen Netzhaut und Sehnervaustritt erzeugt Probleme Die Stimulation der Ganglienzellen führt möglicherweise auch zu einer Stimulation der Fasern. 8. Mai 2007

Quelle: http://www.retina-implant.de/de/patients/articles/ 8. Mai 2007 Diese Art der Stimulierung führt zu ungewollten Verzerrungen WARUM? Wird eine Ganglienzelle stimuliert, so sendet diese ein elektrisches Signal über ihre Faser direkt zum Gehirn Das Gehirn ordnet dieses Signal einem bestimmten Punkt auf der Retina zu DAS PROBLEM: die Faser kann bis zum Sehnerven mehrfach durch andere Elektroden gereizt werden => Das Gehirn interpretiert das Bild falsch!!! >Es führt das Signal auf die Ursprungszelle zurück< Die Seheindruck wird unvorhersehbar Quelle: http://www.retina-implant.de/de/patients/articles/ 8. Mai 2007

epiretinales Implantat Lösung: Korrektur des Raumpunktes mithilfe eines komplexen, lernfähigen Encoders Der subretinale Ansatz vermeidet dieses Problem 8. Mai 2007

Quelle: Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie 8. Mai 2007 Um die Bildinformationen bzw. Stimulationsimpulse an die Elektroden zu senden muss die Elektrodenfolie dauerhaft befestigt werden. Sie reicht vom vorderen bis zum hinteren Augenpol. Quelle: Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie 8. Mai 2007

subretinales Implantat Arrays von Mikro-Photodioden zwischen Netzhaut und dem Pigment-Epithel der Retina anstelle der Zapfen und Stäbchen Arrays von Mikro-Photodioden werden zwischen Netzhaut und dem Pigment-Epithel der Retina implantiert Trennschicht zwischen der Netzhaut und der Aderhaut - funktioneller Lichtfilter Silikonplättchen, auf dem sich 1000ende lichtempfindliche Mikrophotodioden befinden 8. Mai 2007

Quelle: http://www.retina-implant.de/de/patients/articles/ 8. Mai 2007 Licht Photodiode jede Mikrophotodiode ist mit einer Stimulationselektrode versehen die verbliebenen Nervenzellen werden stimuliert Quelle: http://www.retina-implant.de/de/patients/articles/ 8. Mai 2007

subretinales Implantat Vorraussetzung: restliche Netzhaut intakt Vorteil: Bildverarbeitung durch die Netzhaut Keine Vorverarbeitung der Bilder notwendig NACHTEIL: Höhere Anzahl von Stimulationszellen erforderlich => 110 Millionen photorezeptoren müssen ersetzt werden und deren Signale an 1,2 Mio. Fasern weitergeleitet werden 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Logarithmische Zelle Die logarithmische Zelle Ihre Funktion ist es das einfallende Licht in einen Ausgangsimpuls zu wandeln Hierzu wird eine Photodiode verwendet, deren Sperrstrom (~100 mikroA) wird in den MOS-Transistor eingeprägt Dieser MOS-Transistor ist selbstsperrend, d.h. er wird unterhalb der Schwellspannung betrieben Die Spannung am MOS-Transistor ist exponentiell abhängig vom Strom => lineare Abhängigkeit der Spannung vom Logarithmus der Lichtstärke =>entspricht dem Helligkeitsempfinden des menschlichen Auges Logarithmische Zelle Quelle: „Ein Retinaimplantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung“, A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner, B. H¨offlinger 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Ausgangsspannung als Funktion des Photostroms Aufgrund der Reihenschaltung mit MOS-Transistor ist Vout umgekehrt proportional zum Logarithmus der Helligkeitsstärke Ausgangsspannung als Funktion des Photostroms Quelle: „Ein Retinaimplantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung“, A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner, B. H¨offlinger 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Die gesamte Verstärkerzelle Eingänge des Differenzverstärkers -------lokale logarithmische Zelle= lokale Helligkeit globale II = mittlere (ÜBER DEM GESAMTEN IMPLANTAT) Hohe lokale Helligkeit => geringere neg. Eingangsspannung am Diff. => größere Differenzverstärkung => hohe Ausgangswerte(0,2 bis 2V) DIFFERENZVERSTÄRKER, da normales Licht zu schwach => zu geringer Reizstrom an Elektroden Das PullDown Signal  erwirkt ein schnelles Entladen der Stimulationselektroden an den Verstärkerausgängen wenn die Betriebsspannung (mit 20 Hz )abgeschaltet ist ----- Die Betriebsspannung arbeitet mit ca. 20 Hz Schaltfrequenz => der Gleichspannungspegel an den Ausgängen wird so gesichert Das komplette Retina-Implantat besteht aus 38x38 Zellen und zwei weiteren Zeilen zu je 28 Zellen Die gesamte Verstärkerzelle Quelle: „Ein Retinaimplantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung“, A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner, B. H¨offlinger 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Die gesamte Verstärkerzelle LAYOUT Lokale Photodiode Sub-Treshold Transistor – Unterschwellspannungstransistor Verstärker Output 72 mal 72 quadratmikrometer => ein Implantat kommt auf ungefähr 1500 dieser Differenzverstärkerzellen Inverter und das NAND werden zur Auswahl des Zelltyps benötigt Die gesamte Verstärkerzelle Quelle: „Ein Retinaimplantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung“, A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner, B. H¨offlinger 8. Mai 2007

8. Mai 2007 Chipfoto mit Testbeschaltung Testschaltung Sägekante Matrix mit Verstärkerzellen Das komplette Retina-Implantat besteht aus 38x38 Zellen und zwei weiteren Zeilen zu je 28 Zellen Ungefähre Kanentlänge des Mikro-Photo-Diodenarrays 3mm 1/10 mm dick Sehfeld von 12 Grad Chipfoto mit Testbeschaltung Quelle: „Ein Retinaimplantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung“, A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner, B. H¨offlinger 8. Mai 2007