Das Retina-Implantat - Blog.de
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http://begbie.blog.<strong>de</strong> Mikrosystemtechnik <strong>Das</strong> <strong>Retina</strong>-<strong>Implantat</strong><br />
<strong>Das</strong> <strong>Retina</strong>-<strong>Implantat</strong><br />
Bildquelle: IMI Intelligent Medical Implants GmbH. Webpage www.intmedimplants.<strong>de</strong>/imi-startseite.html, von<br />
<strong>de</strong>r Seite kopiert am 18. Juni 2007
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Glie<strong>de</strong>rung<br />
1. Einführung ……………………………………………………………………..<br />
2. Allgemeiner Aufbau <strong>de</strong>s Auges ………………………………………………..<br />
3. Blindheit ……………………………………………………………………….<br />
3.1 Retinitis Pigmentosa ( RP) …………………………………………….<br />
3.2 Alterbedingte Makula Degeneration ( AMD) …………………………<br />
4. <strong>Das</strong> retinale <strong>Implantat</strong> ………………………………………………………….<br />
4.1 Epiretinales <strong>Implantat</strong> ………………………………………………….<br />
4.2 Subretinales <strong>Implantat</strong> …………………………………………………<br />
4.3 Gegenüberstellung ……………………………………………………..<br />
5. Aufbau und Funktionsweise eines subretinalen <strong>Implantat</strong>es …………………..<br />
5.1 Die logarithmische Zelle ……………………………………………………..<br />
5.2 Die gesamte Verstärkerzelle …………………………………………...<br />
6. Quellen ………………………………………………………………………...
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1. Einführung<br />
Die Netzhaut besteht aus mehreren Zellschichten. Die oberste Zellschicht besteht aus<br />
Photorezeptoren, die das Licht je nach Helligkeit und Farbe in elektrische Signale wan<strong>de</strong>ln.<br />
Diese wer<strong>de</strong>n an die nachfolgen<strong>de</strong>n Schichten gesen<strong>de</strong>t und weiterverarbeitet, sodass zuletzt<br />
die Ganglienzellen erreicht wer<strong>de</strong>n. Sie vermitteln impulsartig die Informationen an das<br />
Gehirn.<br />
Krankheiten wie Retinitis Pigmentosa und die altersbedingte Makula-Degeneration bewirken<br />
die Degeneration jener Photorezeptoren, sodass Erblindung die Folge ist. Eine wirksame<br />
Behandlung dagegen ist bisher nicht bekannt und hat zur Folge, dass die jährlich 200.000<br />
durch die altersbedingte Makula-Degeneration betroffenen Augen unabwendbar erblin<strong>de</strong>n.<br />
Dagegen tritt Retinitis Pigmentosa erblich im Verhältnis 1:4.000 auf<br />
An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob nicht ersatzweise durch das Implementieren einer<br />
retinalen Prothese die Photorezeptoren ersetzt und somit die visuelle Wahrnehmung<br />
(teilweise) wie<strong>de</strong>rhergestellt wer<strong>de</strong>n kann. Statt <strong>de</strong>r <strong>de</strong>generierten Photorezeptorzellen könnte<br />
<strong>de</strong>mnach ein mikro-elektronisches <strong>Implantat</strong> das Licht in elektrische Signale umwan<strong>de</strong>ln und<br />
die Stimulation <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> übernehmen.<br />
Hierfür gibt es nun 2 verschie<strong>de</strong>ne Ansätze: das epiretinale sowie das subretinale <strong>Implantat</strong>.<br />
<strong>Das</strong> epiretinale <strong>Implantat</strong> wird oberhalb bzw. vor <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> platziert und leitet die<br />
Informationen direkt an die Schnittstelle zwischen Ganglienzellen und Sehnerv (die unterste<br />
Zellschicht) ab. Die innere <strong>Retina</strong> wird so direkt stimuliert, weshalb die elektronische<br />
Bildverarbeitung recht aufwendig ist, und macht die Verwendung <strong>de</strong>r Bipolarzellen unnötig.<br />
<strong>Das</strong> subretinale <strong>Implantat</strong> macht sich diese im Gegenzug zu Eigen. Es ersetzt die<br />
<strong>de</strong>generierten Photorezeptoren und stimuliert mit elektrischen Impulsen direkt die<br />
nachfolgen<strong>de</strong>n Zellschichten.<br />
Dies ist zugleich <strong>de</strong>r wichtigste Vor- aber auch ein Nachteil gegenüber <strong>de</strong>r epiretinalen<br />
Metho<strong>de</strong>. Da beim subretinalen <strong>Implantat</strong> eine intakte Netzhaut Voraussetzung ist- es wird in<br />
die Netzhaut eingefügt-, kann Patienten mit irreversible Netzhautschä<strong>de</strong>n hiermit nicht<br />
geholfen wer<strong>de</strong>n. Für sie kommt nur das epiretinale <strong>Implantat</strong> infrage, <strong>de</strong>ssen zusätzliche<br />
Bildverarbeitung natürlich nicht an die <strong>de</strong>r gesun<strong>de</strong>n Netzhaut herankommt. Dies hat aber<br />
auch <strong>de</strong>n Vorteil, dass die Bilddaten unabhängig vom „Auge“ komprimiert wer<strong>de</strong>n können,<br />
wohingegen das subretinale <strong>Implantat</strong> auf eine hohe Anzahl von Stimulationszellen<br />
angewiesen ist, da die die Anzahl Photorezeptoren enorm groß ist ( im Durchschnitt etwa 300<br />
Photorezeptoren auf je<strong>de</strong> Ganglienzelle).
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2. Allgemeiner Aufbau <strong>de</strong>s Auges<br />
Die untere Grafik zeigt einen Quernschnitt durch die Netzhaut <strong>de</strong>s menschlichen Auges. Zum<br />
Verständnis <strong>de</strong>r Thematik ist es unablässig, sich zumin<strong>de</strong>st einen groben Überblick über die<br />
verschie<strong>de</strong>nen Zellschichten und –funktionen anzueignen.<br />
Die Netzhaut o<strong>de</strong>r auch <strong>Retina</strong> genannt besteht hauptsächlich aus Ganglienzellen,<br />
Bipolarzellen und <strong>de</strong>n Zapfen und Stäbchen sowie zuletzt <strong>de</strong>m Pigmentepithel.<br />
Bildquelle: MedizInfo ® . Webpage www.medizinfo.<strong>de</strong>/augenheilkun<strong>de</strong>/bildseiten/retina.htm, von <strong>de</strong>r Seite<br />
kopiert am 18. Juni 2007<br />
<strong>Das</strong> wahregenommene Licht trifft zunächst auf die Ganglienzellen, gefolgt von <strong>de</strong>n<br />
Bipolazellen und im Anschluss auf die Photorezeptoren. An<strong>de</strong>rs als etwa anzunehmen nimmt<br />
das Licht direkt keinen Einfluss auf die Ganglien- beziehungsweise Bipolarzellen, son<strong>de</strong>rn<br />
durchdringt sie nur. Erst die Photorezeptoren <strong>de</strong>tektieren das Licht und sen<strong>de</strong>n ein<br />
elektrisches Signal an die Bipolarzellen. Diese stellen das Bin<strong>de</strong>glied zwischen<br />
Photorezeptoren und Ganglienzellen dar, aber verarbeiten das elektrische Signal über dies<br />
hinaus. Im nächsten Schritt wer<strong>de</strong>n die Ganglienzellen angesprochen, wobei diese bereits auf<br />
spezifische Mustermerkmale- also Farbe, Kontrast, Bewegung- reagieren. Durch dieses<br />
Auswertungsverfahren wer<strong>de</strong>n mehrere Verarbeitungsschritte zeitgleich und parallel<br />
abgearbeitet, bevor <strong>de</strong>ren Ergebnisse impulsartig über die Axone- dies sind lange, faserartige<br />
Fortsätze <strong>de</strong>r Nervenzellen; in diesem Fall: <strong>de</strong>r Ganglienzellen- unmittelbar an das<br />
Sehzentrum, <strong>de</strong>n visuellen Cortex, im Gehirn. Praktischerweise bün<strong>de</strong>ln sich die Axone an<br />
einer lokalen Stelle <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong>, welche allgemein als „blin<strong>de</strong>r Fleck“ bekannt ist, zum
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Sehnerven, <strong>de</strong>r die Wegstrecke <strong>de</strong>r Axone von <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> bis zum visuellen Cortex<br />
bezeichnet. Am Ran<strong>de</strong> sei noch die letzte Schicht <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> erwähnt- das sogenannte<br />
Pigmentepithel erwähnt, das die <strong>Retina</strong> von <strong>de</strong>r Le<strong>de</strong>rhaut trennt. Ihre Funktion besteht in <strong>de</strong>r<br />
Filterung <strong>de</strong>s Lichts und <strong>de</strong>r Erhaltung und Regeneration <strong>de</strong>r Photorezeptoren.<br />
3. Blindheit<br />
Für die Erblindung beziehungweise funktionelle Störung <strong>de</strong>s menschlichen Sehapparates<br />
lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Ursachen fin<strong>de</strong>n, <strong>de</strong>ren Behebung entsprechen<strong>de</strong><br />
Behandlungsmaßen erfor<strong>de</strong>rn. Oftmals ist eine medizinische Therapie aber nicht möglich, da<br />
das Auge, insbeson<strong>de</strong>re die <strong>Retina</strong>, irreparabel geschädigt sind.<br />
Die zwei häufigsten, aus medizinsicher Sicht unheilbaren Krankheitsbil<strong>de</strong>r sind die Makula<br />
Degeneration sowie die Retinitis Pigmentosa. Bei<strong>de</strong> zeigen sich in jeweils unterschiedlichen<br />
Formen. Die näheren Abläufe sind daher nicht im Detail beschrieben.<br />
3.1 Retinitis Pigmentosa ( RP) [1]<br />
Bei <strong>de</strong>r Retinitis Pigmentosa han<strong>de</strong>lt es sich um eine erbliche Krankheit, von <strong>de</strong>r weltweit<br />
etwa drei Millionen Menschen Menschen betroffen sind. Sie gilt bis zum gegenwärtigen<br />
Stand als unheilbar.<br />
Zum Krankheitsverlauf: Bereits in <strong>de</strong>r ersten Lebenshälfte macht sich die Retinitis<br />
Pigmentosa schleichend bemerkbar. Beginnend mit Symptomen wie Nachtblindheit, einer<br />
sich mehr und mehr verschlechtern<strong>de</strong>n Sicht bewirkt sie eine fortschreiten<strong>de</strong><br />
Sehfeldverengung mit finaler Erblindung.<br />
• Einengung und Ausfälle <strong>de</strong>s Gesichtsfel<strong>de</strong>s<br />
• gestörtes Dämmerungssehen und Nachtblindheit<br />
• verlängerte Anpassungszeit an unterschiedliche Lichtverhältnisse<br />
und Störungen <strong>de</strong>s Kontrastsehens<br />
• Blendungsempfindlichkeit<br />
• Störung <strong>de</strong>s Farbsehens [1]<br />
Während <strong>de</strong>s Krankheitsverlaufs sterben die Photorezeptoren ab. Dem zu Grun<strong>de</strong> liegt eine<br />
Verän<strong>de</strong>rung in Erbsubstanz, die Auswirkungen auf die Protein- und Enzymbildung hat. In<br />
einer Verkettung von Abläufen, bewirkt dies die Anhäufung von Stoffwechselprodukten in<br />
<strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> und in direkter Folge zu Zerstörung <strong>de</strong>r Sinneszellen.<br />
3.2 Alterbedingte Makula Degeneration ( AMD) [2]<br />
Allein in Deutschland sind schätzungsweise zwei Millionen Menschen an einer Form <strong>de</strong>r<br />
Makula<strong>de</strong>generation betroffen. Die häufigste Form ist die AMD. Der Krankheitsverlauf ist<br />
durch das stetige Absterben <strong>de</strong>r Makula gekennzeichnet. Diese ist besser bekannt als <strong>de</strong>r<br />
„gelbe Fleck“ und bezeichent jenen quadratmillimeter kleinen Bereich <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong>, an <strong>de</strong>m die
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Dichte <strong>de</strong>r Photorezeptoren beson<strong>de</strong>rs hoch ist. Die Erblindung geschieht in diesem Fall<br />
vorwiegend infolge <strong>de</strong>r Ablagerung fettähnlicher Abfallstoffe und kann bis hin zum<br />
flächenmäßigem Absterben <strong>de</strong>s Pigmentepithels führen.<br />
Die betroffene Person nimmt die Krankheit dahingehend war, dass sich im Zentrum ihrer<br />
Sehwahrnehmung enorm verschlechtert, während sich in <strong>de</strong>n umliegen<strong>de</strong>n äußeren Bereichen,<br />
( Anmerkung: dort sitzen vorwiegend die Stäbchen, während in <strong>de</strong>r Makula vor allem Zapfen<br />
vertreten sind) die Sehschärfe nicht verän<strong>de</strong>rt. Des Weiteren erschwert sich für <strong>de</strong>n<br />
Betroffenen auch die selektive Farb- und und Helligkeitswahrnehmung, was in Anbetracht<br />
<strong>de</strong>ssen, dass die Degeneration hauptsächlich die Zäpfchen erfasst, nachvollziehbar ist.<br />
Die beschriebenen Symptome treten ungefähr ab <strong>de</strong>m 50. Lebensjahr auf<br />
4. <strong>Das</strong> retinale <strong>Implantat</strong><br />
<strong>Das</strong> retinale <strong>Implantat</strong> verfolgt einen vollkommen neuen Ansatz, <strong>de</strong>n variablen Ursachen <strong>de</strong>r<br />
Blindheit entgegenzuwirken und die Sehkraft wie<strong>de</strong>rherzustellen. Der natürliche Sehvorgang<br />
wird durch eine visuelle Prothese ersetzt beziehungsweise ergänzt, <strong>de</strong>nn blind ist nicht gleich<br />
blind. Abhängig von <strong>de</strong>r Ursache <strong>de</strong>r Erblindung sind die Schä<strong>de</strong>n an <strong>de</strong>r Netzhaut<br />
unterschiedlich stark ausgeprägt. Ein <strong>Implantat</strong> könnte bezeihungsweise kann die<br />
<strong>de</strong>generierten Bereiche funktionell ersetzen, in<strong>de</strong>m es die elektrische Stimulation <strong>de</strong>s<br />
visuellen Cortex übernimmt. Hierbei ist zu berücksichtigen inwiefern die <strong>Retina</strong> geschädigt<br />
ist. Sind etwa „nur“ die Photorezeptoren zu ersetzen o<strong>de</strong>r gar die gesamte Netzhaut?<br />
Die Umsetzung erfor<strong>de</strong>rt entsprechend <strong>de</strong>n komplexen Vorgängen <strong>de</strong>s natürlichen Sehens die<br />
Berücksichtigung zahlreicher Faktoren.<br />
So muss die Verträglichkeit <strong>de</strong>s <strong>Implantat</strong>es gewährleistet sein. Es darf zu keinerlei<br />
Entzündungen o<strong>de</strong>r Verletzungen <strong>de</strong>s Körperinneren kommen. Ebenso muss die Elektronik<br />
<strong>de</strong>n Angriffen von Körperzellen und Körperflüssigkeiten auf Jahre standhalten.<br />
Desweiteren stellt sich die Frage welche Stimulationsparameter zu wählen sind, um über<br />
längere Zeit die Nervenzellen zu reizen, ohne dass sie dadurch geschädigt wer<strong>de</strong>n.<br />
Und wie ist ein solches <strong>Implantat</strong> schädigungsfrei an das neuronale Gewebe anzukoppeln?<br />
Netzhautchirurgen verwen<strong>de</strong>n hierzu beispielsweise Kunststoffnägel, die durch die Netzhaut<br />
bis zur Le<strong>de</strong>rhaut reichen, nach<strong>de</strong>m sich <strong>de</strong>r sogenannte Gewebekleber als unpraktisch<br />
erwiesen hat.<br />
Und nicht zuletzt stellt sich die Frage nach <strong>de</strong>r Energieversorgung einer solchen Prothese.<br />
Kann diese etwa ohne externe Zufuhr von Energie sichergestellt wer<strong>de</strong>n?<br />
4.1 Epiretinales <strong>Implantat</strong> [3]<br />
Bei <strong>de</strong>m epiretinalen Ansatz wird das <strong>Implantat</strong> auf <strong>de</strong>r Innenseite <strong>de</strong>r Netzhaut platziert, wo<br />
es elektrische Reize unmittelbar an die Schnittstelle zwischen Ganglienzellen und Sehnerv<br />
leitet. Präziser ausgedrückt; die Axone wer<strong>de</strong>n über die Elektro<strong>de</strong>n <strong>de</strong>s epiretinalen<br />
<strong>Implantat</strong>s künstlich stimuliert und führen das Signal zum visuellen Cortex, wo das Gehirn<br />
die entsprechen<strong>de</strong> Auswertung übernimmt.
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Die Schwierigkeit bei diesem Ansatz besteht nun in <strong>de</strong>r notwendigerweise aufwendigen<br />
elektronischen Bildverarbeitung.<br />
Ein nachweisbarer Seheindruck kann nur entstehen, wenn <strong>de</strong>r visuelle Cortex die gesen<strong>de</strong>ten<br />
Informationen erfolgreich selektieren und auswerten kann. Der elektrischen Stimulation <strong>de</strong>r<br />
Axone muss also klar ersichtlich eine aufwendige Verarbeitung <strong>de</strong>s Bildmaterials<br />
vorausgehen. Jenes Bildmaterial kann beispielsweise durch eine externe Kamera <strong>de</strong>m<br />
epiretinalen <strong>Implantat</strong> zugeführt wer<strong>de</strong>n. Diese wird auf einem Brillengestell befestigt und<br />
stellt, wie in <strong>de</strong>r nachfolgen<strong>de</strong>n Grafik gezeigt, die Bildquelle dar.<br />
Bildquelle: Technische Universität Ilmenau, FG Nanotechnologie. Webpage www.tuilmenau.<strong>de</strong>/fakei/fileadmin/template/fg/fke_nano/Lehre/Vorlesung/Bionanotechnologie/11BionanoWS2005.pdf,<br />
von <strong>de</strong>r Seite kopiert am 03. Mai 2007<br />
Die Übertragung <strong>de</strong>r Bildinformationen erfolgt in diesem Beispiel drahtlos an einen Sensor,<br />
<strong>de</strong>r anstelle <strong>de</strong>r natürlichen Linse eingepflanzt wur<strong>de</strong>. Des Weiteren ist <strong>de</strong>r sogenannte<br />
<strong>Retina</strong>-Enco<strong>de</strong>r zu sehen, <strong>de</strong>ssen Aufgabe es ist, die komplexe Bildprozessierung<br />
durchzuführen. Dieser Verarbeitungsschritt ist eine dringen<strong>de</strong> Notwendigkeit, wenn man<br />
be<strong>de</strong>nkt, dass die Informationen in Echtzeit übertragen wer<strong>de</strong>n müssen.<br />
Darüber hinaus führt diese Art <strong>de</strong>r Stimulierung zu ungewollten Verzerrungen im räumlichen<br />
Sehen <strong>de</strong>s Patienten.<br />
Die Begründung ist ebenso schlicht wie komplex; wird eine Ganglienzelle stimuliert, so<br />
sen<strong>de</strong>t diese ein elektrisches Signal über ihre Faser direkt zum visullen Cortex. <strong>Das</strong> Gehirn<br />
ordnet dieses Signal einem bestimmten Punkt auf <strong>de</strong>r <strong>Retina</strong> zu- jenem Punkt, <strong>de</strong>m das Axon<br />
entstammt. Allerdings kann die Faser bis zum Sehnerven mehrfach durch an<strong>de</strong>re Elektro<strong>de</strong>n<br />
gereizt wer<strong>de</strong>n. <strong>Das</strong> Gehirn interpretiert dann das Bild falsch, in<strong>de</strong>m es das Signal auf die<br />
Ursprungszelle zurückführt und <strong>de</strong>r Seheindruck unvorhersehbar wird. Zur Lösung <strong>de</strong>s<br />
Problems wird eine komplexer, lernfähiger Enco<strong>de</strong>r eingesetzt. [3]<br />
Die Stimulationselektronik dieses ist mit keinerlei photoempfinlichen Flächen ausgestattet,<br />
die eine externe Energieversorgung unnötig machen wür<strong>de</strong>n. Allerdings konnte „Die Gruppe<br />
um Alan Chow von <strong>de</strong>r Universität Chicago [..] bei bislang zehn Patienten zwar zeigen, dass<br />
solche dünnen, passiven Siliziumchips über Jahre hinweg […] sehr gut vertragen wer<strong>de</strong>n. […]
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Der kleine passive Solarzellenschip konnte jedoch nicht genügend Stimulationsstrom<br />
erzeugen, um <strong>de</strong>n Patienten zu einem ausreichen<strong>de</strong>n Sehen zu verhelfen. […] Unsere<br />
Arbeitsgruppe [ Anmerkung: es han<strong>de</strong>lt sich hierbei um die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.<br />
Eberhart Zrenner und Dr. Hugo Hämmerle] hat <strong>de</strong>shalb vor vier Jahren begonnen, ein<br />
„aktives“ <strong>Implantat</strong> zu entwickeln, <strong>de</strong>m Energie von außen zugeführt wird. Dies geschieht<br />
durch da Einkoppeln von Energie, wie bei einem Cochlea-<strong>Implantat</strong>, o<strong>de</strong>r durch die<br />
Einspeisung von Infrarotlicht […].“ [3]<br />
4.2 Subretinales <strong>Implantat</strong><br />
Der zuletzt beschriebene Versuch, das <strong>Retina</strong>-<strong>Implantat</strong> von einer äußeren Energieversorgung<br />
unabhängig zu machen, betrifft vor allem die Realisierung <strong>de</strong>s subretinalen <strong>Implantat</strong>s.<br />
Entsprechend seinem Namen, wird dieses nicht an <strong>de</strong>r Oberfläche <strong>de</strong>r Netzhaut befestigt,<br />
son<strong>de</strong>rn innerhalb dieser eingesetzt, genauergesagt in die Trennschicht zwischen <strong>de</strong>m<br />
Pigementepithel und <strong>de</strong>n Bipolarzellen, da sich dort die <strong>de</strong>generierten Photorezeptoren<br />
lokalisiert sind.<br />
Bei <strong>de</strong>m subretinalen <strong>Implantat</strong> han<strong>de</strong>lt es sich um ein Silikonplättchen, auf <strong>de</strong>m sich<br />
tausen<strong>de</strong> lichtempfindliche Mikrophotodio<strong>de</strong>n befin<strong>de</strong>n. [3] Ihr Zweck besteht aber nicht<br />
darin das <strong>Implantat</strong> mit Energie zu versorgen, son<strong>de</strong>rn die lokale beziehungsweise lokale<br />
Helligkeit zu ermitteln. Im Gegensatz zum epiretinalen Ansatz wer<strong>de</strong>n bei <strong>de</strong>r supretinalen<br />
Prothese alle intakten Schichten, dass heisst die Bipolarzellen und die Ganglienzellen, in die<br />
Bildverarbeitung integriert. Die zerstörten Photorezeptoren wer<strong>de</strong>n praktisch durch die<br />
Stimulationselektro<strong>de</strong>n <strong>de</strong>s mikroelektronischen <strong>Implantat</strong>s ersetzt.<br />
Bildquelle: Eberhart Zrenner, Hugo Hämmerle: Sehchips – Hoffnung für Blin<strong>de</strong> Spektrum <strong>de</strong>r Wissenschaft<br />
Spezial 02/2004 Mo<strong>de</strong>rne Medizin
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4.3 Gegenüberstellung<br />
<strong>Das</strong> epiretinale <strong>Implantat</strong> bietet folgen<strong>de</strong> Vor- und Nachteile:<br />
‣ Es ersetzt die <strong>Retina</strong> komplett und macht die Wie<strong>de</strong>rherstellung <strong>de</strong>s Sehvermögens<br />
unabhängig von <strong>de</strong>n Schä<strong>de</strong>n an <strong>de</strong>r Netzhaut<br />
‣ Aufgrund<strong>de</strong>ssen <strong>de</strong>ckt dieser Ansatz ein großes Spektrum blindheitverursachen<strong>de</strong>r<br />
Krankheiten ab<br />
‣ Nachteil hier: die unbeschädigten Zellschichten <strong>de</strong>r Netzhaut bleiben ungenutzt<br />
‣ kommt mit einer geringen Anzahl an Stimulationszellen aus<br />
‣ es kommt zu fehlerhaften Darstellungen, die durch eine komplexe und aufwendige<br />
Bildprozessierung ausgeglichen wer<strong>de</strong>n müssen<br />
‣ Die 1,2 Millionen Fasern sind möglichst ortsgetreu zu stimulieren<br />
‣ Dies muss in Echtzeit erfolgen und begrenzt daher aus technischen Grün<strong>de</strong>n die<br />
Auflösung <strong>de</strong>s wahrnehmbaren Bil<strong>de</strong>s<br />
Im Vergleich die Vor- und Nachteile <strong>de</strong>s subretinales <strong>Implantat</strong>:<br />
‣ es ersetzt nur die Schicht <strong>de</strong>r Photorezeptoren und erfor<strong>de</strong>rt damit eine weitgehend<br />
intakte Netzhaut<br />
‣ die Anwendung ist damit auf jene Krankheitsverläufe begrenzt, die ein Sterben <strong>de</strong>r<br />
Photozellen bewirken<br />
‣ die Bildverarbeitung geschieht auf <strong>de</strong>m natürlichem Weg<br />
‣ es gilt die rund 110 Millionen Photorezeptoren <strong>de</strong>r Netzhaut zu ersetzen und <strong>de</strong>ren<br />
Signale an 1,2 Mio. Fasern weiterzuleiten<br />
‣ Die Auflösung ist abhängig von <strong>de</strong>r Anzahl <strong>de</strong>r Stimulationszellen (<strong>de</strong>rzeit 1500<br />
Pixel)<br />
‣ Es bedarf keiner Fixierung, das <strong>Implantat</strong> wird einfach in die <strong>Retina</strong> eingeschoben
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5. Aufbau und Funktionsweise am Beispiel eines subretinalen <strong>Implantat</strong>s [4]<br />
5.1 Die logarithmische Zelle<br />
Logarithmische Zelle<br />
Bildquelle: A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K.<br />
Schumacher, E. Zrenner, B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer<br />
Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund,<br />
AG Mikroelektronik<br />
Die obere Grafik zeigt eine logarithmische Photozelle, <strong>de</strong>ren Funktion es ist, das einfallen<strong>de</strong><br />
Licht in einen Ausgangsimpuls zu wan<strong>de</strong>ln. Wie anhand <strong>de</strong>r Grafik zu sehen ist, wird ein<br />
MOS-Transistor verwen<strong>de</strong>t, in <strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Sperrstrom (~100 mikroA) einer Photodio<strong>de</strong><br />
eingeprägt wird.<br />
„Da die Spannung am MOS Transistor in diesem Bereich Betriebsbereich exponentiell<br />
abhängig vom Strom ist, ergibt sich eine lineare Abhängigkeit <strong>de</strong>r Spannung vom<br />
Logarithmus <strong>de</strong>r Lichtstärke. Dieser logarithmische Verlauf entspricht in etwa <strong>de</strong>m<br />
Helligkeitsempfin<strong>de</strong>n <strong>de</strong>s menschlichen Auges. […]Aufgrund <strong>de</strong>r Reihenschaltung mit einem<br />
MOS-Transistor ist die Ausgangsspannung umgekehrt proportional zum Logarithmus <strong>de</strong>r<br />
Bleuchtungsstärke.“ [4]
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Ausgangsspannung als Funktion <strong>de</strong>s Photostroms<br />
Bildquelle: A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K.<br />
Schumacher, E. Zrenner, B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer<br />
Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund,<br />
AG Mikroelektronik<br />
5.2 Die gesamte Verstärkerzelle<br />
Die gesamte Verstärkerzelle<br />
Bildquelle: A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K.<br />
Schumacher, E. Zrenner, B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer<br />
Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund,<br />
AG Mikroelektronik<br />
<strong>Das</strong> hier vorgestellte, subretinale <strong>Implantat</strong> besteht aus 1500 Differenzverstärkerzellen, <strong>de</strong>ren<br />
schematischer Aufbau in <strong>de</strong>r obigen Grafik schematisch dargestellt ist. An <strong>de</strong>n Eingängen <strong>de</strong>s
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Differenzverstärkers sind je zwei Photozellen angeschlossen, wobei eine für die Ermittlung<br />
<strong>de</strong>r lokalen Helligkeit, die an<strong>de</strong>re aber zur Bestimmung <strong>de</strong>r globalen Helligkeit dient. [4]<br />
Natürlich besitzt nicht je<strong>de</strong> <strong>de</strong>r 1500 Differenzverstärkerzellen eine eigene globale<br />
Photodio<strong>de</strong>. Zur Ermittlung <strong>de</strong>r mittleren Helligkeit genügen 50, die über das ganze <strong>Implantat</strong><br />
verteilt sind.<br />
Eine beispielsweise hohe lokale Helligkeit bewirkt eine geringe negative Eingangsspannung<br />
am Differenzverstärker. Bei konstanter globaler Helligkeit ergibt sich somit eine erhöhte<br />
Ausgangsspannung- die Elektro<strong>de</strong> stößt einen entsprechen<strong>de</strong>n elektrischen Impuls ab. Ohne<br />
Differnzverstärker wäre dieser Impuls zu schwach- die Stärke <strong>de</strong>s einstrahlen<strong>de</strong>n Lichtes<br />
reicht hierfür einfach nicht aus. [3]<br />
Mit <strong>de</strong>r gleichen Begründung lässt sich auf die Frage argumentieren, warum das <strong>Implantat</strong><br />
nicht etwa mit Solarzellen betrieben wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Zwischen <strong>de</strong>m Ausgang <strong>de</strong>s Differenzverstärkers und <strong>de</strong>r Elektro<strong>de</strong> ist noch das PullDown-<br />
Signal geschaltet. Es bezweckt „ein schnelles Entla<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Stimulationselektro<strong>de</strong>n an <strong>de</strong>n<br />
Verstärkerausgängen wenn die gepulste Betriebsspannung [Anmerkung: sie arbeitet mit etwa<br />
20 Hz Schaltfrequenz] abgeschaltet ist. [4]<br />
Somit wird gewährleistet, dass es zu keinerlei grenwertübergreifen<strong>de</strong>n Impulsen kommen<br />
kann und die Netzhaut unbeschädigt bleibt. Tests haben gezeigt, dass 0,5 Nanocoulomb pro<br />
Elektro<strong>de</strong> ausreichen. [3]<br />
Im Nachfolgen<strong>de</strong>n ist das entsprechen<strong>de</strong> Layout zur Verstärkerzelle zu sehen:<br />
Die gesamte Verstärkerzelle<br />
Bildquelle: A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K.<br />
Schumacher, E. Zrenner, B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer<br />
Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund,<br />
AG Mikroelektronik<br />
Die Maße einer solchen Zelle betragen 72 mal 72 Quadratmikrometer. Der Inverter und das<br />
NAND wer<strong>de</strong>n zur Auswahl <strong>de</strong>s Zelltyps benötigt. [4]
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Testschaltung<br />
Sägekante<br />
Matrix mit<br />
Verstärkerzellen<br />
Chipfoto mit Testbeschaltung<br />
Bildquelle: A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K.<br />
Schumacher, E. Zrenner, B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer<br />
Verstärkermatrix und separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund,<br />
AG Mikroelektronik<br />
<strong>Das</strong> komplette <strong>Retina</strong>-<strong>Implantat</strong> besteht aus 38x38 Zellen und zwei weiteren Zeilen zu je 28<br />
Zellen. Die ungefähre Kanentlänge <strong>de</strong>s Mikro-Photo-Dio<strong>de</strong>narrays beträgt 3mm, die Dicke ist<br />
ein Zehntel mm. [4]<br />
6. Quellen<br />
[1] Pro <strong>Retina</strong> Deutschland e.V. Webpage: /www.pro-retina.<strong>de</strong>/downloads/Retinitis-<br />
Pigmentosa.pdf , Verweis auf <strong>de</strong>n Stand vom 06. Mai 2007<br />
[2] Pro <strong>Retina</strong> Deutschland e.V. Webpage: www.proretina.<strong>de</strong>/<strong>de</strong>u/forschung/netzhauterkrankungen/makula<strong>de</strong>generation.html,<br />
Verweis auf <strong>de</strong>n<br />
Stand 06. Mai 2007<br />
[3] Eberhart Zrenner, Hugo Hämmerle: Sehchips – Hoffnung für Blin<strong>de</strong> Spektrum <strong>de</strong>r<br />
Wissenschaft Spezial 02/2004 Mo<strong>de</strong>rne Medizin<br />
[4] A. Dollberg, H. G. Graf, W.Nisch, J.D. Schulze Spuentrup, K. Schumacher, E. Zrenner,<br />
B. Höfflinger: Ein <strong>Retina</strong>implantat mit vollständig testbarer Verstärkermatrix und<br />
separierbarer Testschaltung (2003), University of Dortmund, AG Mikroelektronik