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Anwendungsgebiet:
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruchs I.
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Stand der Technik:
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Gegenwärtiger
Stand der Technik im Bereich Sehprothesen ist, dass es erste erfolgreiche
Implantationen von funktionsfähigen Retina Implantaten (RI)
gibt, mit denen Sehwahrnehmungen erzeugt werden konnten, die z.
B. Lichtpunkte oder Striche darstellten. Die Entwicklung der Sehprothesen
wird es in den nächsten Jahren erblindeten Patienten ermöglichen,
Umgebungsbilder aufzunehmen (z. B. mit einer externen Kamera) und über
Multielektrodenarrays mittels elektrischer Mikrostimulation der
Retina über die Sehbahn an den visuellen Kortex des Gehirns
weiterzuleiten um dort die aufgenommenen Bilder entsprechend so
zu verarbeiten, dass der Retina Implantat Träger die aufgenommene
Bildinformation in Seheindrücke umsetzen kann.
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Es
gibt weltweit derzeit verschiedene Ansätze die Funktion
degenerierte Rezeptorzellen der Netzhaut künstlich zu ersetzen.
Das Funktionsprinzip ist aber im Wesentlichen identisch: Das vom
gesunden Menschen wahrgenommene Bild wird vom Auge aufgenommen,
in elektrische Impulse gewandelt und an die Nerven weitergegeben.
In den letzten Jahren wurden zwei erfolgversprechende Implantate
entwickelt, das
- 1. Subretinale Implantat
- 2. Epiretinale Implantat
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Das
subretinale Implantat wird im Auge unter der Netzhaut eingesetzt,
während das epiretinale Implantat auf die Netzhaut implantiert
wird.
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Im
Gegensatz zu den Implantaten des Hörorgans (Cochleaimplantat)
befinden sich die Retina-Implantate noch in einem experimentellen
Stadium, das allenfalls die Wahrnehmung von Licht und Schatten ermöglicht,
jedoch kein Erkennen von Gegenständen oder eine Orientierung
im Raum zuläßt. Ein routinemäßiger
klinischer Einsatz ist somit zur Zeit noch nicht in Sicht.
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Das
subretinale Retinaimplantat besteht im Wesentlichen aus Photodioden-Array,
Mikrochip, Stimulations-Elektroden-Array und Energieversorgungseinheit.
Vereinfacht dargestellt wandelt das Photodioden-Array das auf die
Netzhaut treffende Bild in eine 2-dimensonale Verteilung elektrischer
Impulse. Dabei liefert jedes Diodenelement einen Impuls, entsprechend
der Intensität des einstrahlenden Lichts. Die Ortsauflösung
des Bildes auf der Netzhaut hängt in erster Linie von der
räumlichen Dichte des Dioden-Arrays ab. Bei Retina-Implant
kommen Dioden-Arrays mit ca. 1500 Dioden auf einer Fläche
von ca. 3 × 3 mm2 zum Einsatz.
Die elektrischen Signale des Arrays werden dann durch die im Mikrochip
integrierte Schaltung verstärkt und durch die Stimulations-Elektroden
an die intakten Nervenzellen der Netzhaut weitergeleitet. Die für
den Verstärkungsprozess benötigte Energie wird
von außen durch Infrarotstrahlung oder induktiv in das
System eingekoppelt.
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Das
epiretinale Implantat besteht aus Videokamera (üblicherweise
in eine Brille integriert), Mikrochip, Übertragungseinheit
zur Übermittlung von prozessierten Kameradaten zum Implantat
Stimulations-Elektroden-Array und Energieversorgungseinheit.
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Beim
epiretinalen Implantat wird das Bild durch eine externe Videokamera
aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt. Diese werden dann
drahtlos an ein implantiertes Elektroden-Array übertragen,
welches die Nerven in der Netzhaut entsprechend stimuliert. Der
größte Nachteil des epiretinalen Implantats ist,
dass das Bild nicht im Auge aufgenommen wird, sondern durch eine
externe Kamera. Dadurch kann nicht die natürliche Beweglichkeit des
Auges genutzt werden um die Umgebung zu erfassen. Es muss die Kamera
gedreht werden um seine Änderung der Blickrichtung zu erreichen.
Darüberhinaus erfolgt beim epiretinalen Implantat die Signalverarbeitung
extern vor der Übermittlung der Signale zum Elektroden-Array
während beim subretinalen Implantat die ”Signalverarbeitung” vom
Auge selbst durchgeführt wird. Dies führt zu einer
erhöhten Komplexität des Systems.
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Allen
derzeit verfügbaren Sehprothesensystemen ist gemeinsam,
dass das Gehirn des Patienten eine Lernleistung erbringen muß,
um die mittels optoelektronischer Schaltungstechnik aus der Umgebung
aufgenommene Bildinformationen in Seheindrücke umzuwandeln.
Da sich die Retina Implantate derzeit noch im Entwicklungsstadium
befinden, gibt es noch kein entsprechendes Trainingssystem, mit dem
der Patient die gewonnenen Seheindrücke objektiv an das
Implantat zurückmelden kann. Im Falle des Retina Implantates
ersetzt ein technisches Sensorsystem ein irreversibel geschädigtes
biologisches Sinnesorgan. Da das technische System nicht die Ortsauflösung
bieten kann und auch die Reizübertragung unspezifisch (elektrisch
statt optisch) erfolgt, muss das Zielorgan die unspezifische Reizung
mit schlechterer Ortsauflösung interpretieren lernen. Dieses
Lernvermögen hat das menschliche Gehirn. Lernen geschieht
durch Wiederholung.
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Das
Retina Implantat Trainings System (RITS) ermöglicht über
ein Monitorsystem (z. B. PDA Bildschirm oder PC Monitor) die Präsentation
definierter optischer Reize, die vom Patienten mit dem Retina Implantat
aufgenommen werden. Der vom Patienten empfundene Seheindruck (z.
B. Strich mit entsprechender räumlicher Orientierung) wird
in das Computersystem des RITS über eine geeignete Schnittstelle
(manuell oder auditiv) zurückgemeldet. Das RITS lernt die
Sehempfindungen des Patienten und passt die Stimulationssignale
entsprechend an.
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Nachteile des Stands der Technik:
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Ein
wesentlicher Nachteil des Stands der Technik ist, dass es derzeit
kein entsprechendes Trainingsparadigma und auch kein Trainingssystem für
Patienten mit implantierten Sehprothesen gibt. Dies liegt daran,
dass sich die Retina Implantate selbst noch im Entwicklungsstadium
befinden und bisher kein Bedarf für ein solches Trainingssystem bestand.
Die Nachfrage nach solchen Trainingssystemen wird steigen, sobald
die Implantation von aktiven Sehprothesen routinemäßig
erfolgt, z. B. auch schon im Verlauf von größeren
klinischen Studien, die für die nächsten Jahre
zu erwarten sind.
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In
der Literatur ist ein Retina Encoder beschreiben, der lernfähige
Retina Implantate zum Ziel hat (Eckmiller et al., 2005; Eckmiller
et al., 2003). Bei diesem System wird versucht, die Lernintelligenz
in das Retina Implantat zu integrieren und damit ein lernfähiges
Retina Implantat zu schaffen. Wesentlicher Nachteil dieses Ansatzes
ist, dass das Implantat sehr komplex wird und nach gegenwärtigem
Stand der Technik noch nicht funktioniert.
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Der
Ansatz des RITS ist daher die vorhandene Lernfähigkeit
und Anpassbarkeit des menschlichen Gehirns auszunutzen, anstatt
die Lernintelligenz in ein Implantat zu integrieren. Mit dem RITS Prinzip
nutzt und trainiert man die im Vergleich zu technischen Rechnersystemen
wesentlich höhere und flexiblere Rechenleistung des menschlichen
Gehirns. Ein weiterer Vorteil des RITS gegenüber dem Retina
Encoder ist, dass mit dem RITS z. B. der Stimulationsparameter Reizstromstärke
so angepasst werden kann, dass mit geringsten Reizstromstärken entsprechende
Reize ausgelöst werden können.
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Aufgaben der Erfindung:
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Aufgabe
der Erfindung ist es, dem Implantatträger definierte optische
Reize zu präsentieren, die über das Kamerasystem
des Implantates aufgenommen und durch die Implantatelektronik in
elektrische Reize umgesetzt werden. Neben einfachen Reizmustern
wie Balken oder Punkte kann das RITS auch komplexe 3D-Bilder (z.
B. Gesichter) projizieren. Die vom Implantat applizierten elektrischen
Reize in der Retina erzeugen beim Implantatträger individuelle Sehempfindungen.
Die Eindrücke unterscheiden sich stark von denen eines
vollfunktionsfähigen Auges, da die optische Auflösung
durch die vergleichsweise geringe Zahl der Elektroden stark eingeschränkt
ist. Ein Normalsehender kann mit diesen Sinneseindrücken wenig
anfangen. Der neurologische Mechanismus für die Verarbeitung
von optischen Reizen ist aber so flexibel, dass eine Anpassung an
die Empfindungen stattfindet. Ein intensives, langes Sehtraining
nach der Operation ist für die ersten Seheindrücke
zwar nicht notwendig (diese sind in der Regel nach der ersten Einstellung
des Implantates vorhanden), dem Patienten muß aber die
Möglichkeit gegeben werden, diese neuen Signale den bekannten
Sehmustern zuzuordnen. Der Zeitraum, der für die Interpretation
der Seheindrücke benötigt wird, ist individuell
unterschiedlich und kann im Moment noch nicht abgeschätzt
werden.
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Zur
sinnvollen Nutzung des Retina Implantates ist eine Rehabilitationsphase
mit entsprechendem Sehtraining nach einem speziellen Trainingsparadigma
zwingend notwendig. Anfangs wird dieses Sehtraining in speziellen
ausgestatteten Trainingszentren durch entsprechend qualifiziertes
medizinisches-psychologisches Fachpersonal mit Hilfe des RITS durchgeführt.
Nach einer entsprechenden Einführungsphase soll der Patient
mit Hilfe des RITS das Sehtraining dann zu Hause weiterführen.
Die RI-Patienten werden in den RI-Trainingszentren unter Einsatz
des RITS in regelmäßigen Abständen in
der Erkennung verschiedener Seheindrücke unterwiesen. Außerdem
ist eine regelmäßige Anpassung (Einstellung) und
Kontrolle des Retina Implantat-Systems notwendig. Die Therapie mit
dem Retina Implantat hat Ähnlichkeit mit dem Erlernen von
Höreindrücken mit einem Cochlea Implantat (CI).
Hier wird das Hörtraining mit dem CI oft mit dem Erlernen
einer Fremdsprache verglichen. Entscheidende Kriterien für
die Therapiedauer bei Cochlea Implantaten sind u. a. der Ertaubungszeitpunkt
(vor oder nach Spracherwerb) und die Taubheitsdauer. Erwachsene,
die gerade ertaubt sind und frühzeitig mit einem Cochleaimplantat versorgt
werden, benötigen gewöhnlich eine kürzere Rehabilitationsphase. Ähnliches
gilt auch für Patienten, die für die Implantation
eines Retina Implantats in Frage kommen. Diese Patienten müssen
vor der Erblindung bereits gesehen haben, um die Seheindrücke
die ihnen das RI vermittelt überhaupt interpretieren zu
können. Ähnlich dem Hörtraining bei Cochlea
Patienten soll mit dem RITS ein Sehtraining bei Retina Implantat
Trägern durchgeführt werden. Die Software des
RITS kann dem Trainingszustand des Retina Implantat Trägers
angepasst werden.
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Lösung der Aufgabe:
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Die
Aufgabe wird durch ein Retina Implantat Trainingssystem (RITS) gelöst,
indem einem Patienten mit implantierter Sehprothese ein definierter
optischer Reiz über ein Monitorsystem (z. B. PDA Bildschirm
oder PC Monitor) präsentiert wird. Der vom Patienten empfundene
Seheindruck (z. B. Strich mit entsprechender räumlicher
Orientierung) wird in das Computersystem des RITS über
eine geeignete Schnittstelle (manuell oder auditiv) zurückgemeldet. Das
RITS lernt die Sehempfindungen des Patienten und passt die Pulsparameter
des Stimulationssignals (z. B. Intensität, Dauer, usw.)
entsprechend an. Die Ausgabe der Information an den Patienten erfolgt
sowohl optisch über den Monitor als auch akustisch über
eine Sprachausgabe, die bei Bedarf auch abgeschaltet werden kann.
Das Erlernen des Sehens, bzw. die Interpretation des physiologischen
Reizmusters erfolgt nach ausreichendem Training mit dem RITS durch
entsprechende Prägung des neuronalen Netzes im Sehkortex
des Patientengehirns.
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Vorteile der Erfindung:
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Die
Erfindung weist folgende Vorteile auf:
- 1) Die
Erfindung ermöglicht die softwaregesteuerte Präsentation
von standardisierten, visuellen Reizen auf einem Bildschirm. Dies
ist die Basis für eine objektive Beurteilung des Seheindruckes
des Patienten und eine entsprechende Reizanpassung.
- 2) Die präsentierten Bilder werden vom Retina Implantat
aufgenommen und erzeugen Seheindrücke beim Patienten, die über
eine Interpretation des Seheindruckes ein Erlernen ermöglichen.
- 3) Ein weiterer Vorteil des RITS ist, dass der Lernfortschritt
des Patienten erfasst werden kann, was den behandelnden Augenärzten
wichtige Informationen für die medizinische Nachsorge zur
Implantation liefern kann (z. B. wie gut das Implantat an die individuelle
Patientensituation angepasst ist und funktioniert).
- 4) Durch Ankopplung des Retina Implantat Rechners an das RITS
kann eine optimierte Einstellung der Reizparameter (z. B. Stimulationsströme)
erfolgen, damit mit der kleinstmöglichen Stimulationsladung
stimuliert werden kann, was die Elektroden-Gewebeübergänge
schont und Gewebsnekrosen aufgrund zu hoher Elektrodenspannungen
verhindert und so die Implantations- und Funktionsdauer des Implantates
verlängert.
- 5) Durch Ankopplung des Retina Implantat Rechners an das RITS
kann eine optimierte Einstellung der Reizparameter (z. B. Stimulationsströme)
erfolgen, damit mit der kleinstmöglichen Stimulationsladung
stimuliert werden kann, was die Energieaufnahme des Retina Implantates
minimiert und die Implantations- und Funktionsdauer des Implantates
verlängert.
- 6) Durch den Einsatz von Software im RITS kann das Lernprogramm
an den Trainingszustand des Patienten individuell angepasst werden.
- 7) Mit dem RITS können neben einfachen Reizmustern
auch komplexe 3D Bilder projiziert werden.
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Reference List
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- Eckmiller R, Baruth O, Neumann D. Retina encoder tuning
and data encryption for learning retina implants. In: Proceedings
of the International Joint Conference an Neural Networks 2003. 2003.
p. 1249–1252.
- Eckmiller R, Neumann D, Baruth O. Tunable retina encoders
for retina implants: why and how. Journal of Neural Engineering
2005; 2: 91–104.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beiliegenden
Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Es
zeigt
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1:
Schematische Darstellung des Retina Implantat Trainings Systems
(RITS) Das Retina Implantat Trainings System (RITS) besteht aus
einer Rechner Einheit 1 mit den üblichen Eingabegeräten 10 (z.
B. Tastatur, Maus, Scanner, usw) und Ausgabegeräten 9 (z.
B. Monitor), einem Patientenmonitor 2, einem digitalen
Beleuchtungsmesser 3, einer taktilen Eingabeeinheit 4,
einer akustischen Ausgabe über einen elektroakustischen
Wandler 5, und einer akustischen Eingabe über
ein Mikrofon 6.
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Der
Retina Implantat Träger (erblindeter Patient) 8 ist
mit einem Retina Implantat 7 ausgestattet und bekommt über
den Patientenmonitor 2 entsprechende optische Stimuli (Reizmuster)
präsentiert. Der Patientenmonitor 2 kann ein handelsüblicher
PC Monitor oder ein anderes optisches Ausgabegerät sein,
das für diese Zwecke geeignet ist. Mit Hilfe eines Beleuchtungsmessers 3 kann
die Strahlungsintensität des präsentierten optischen
Reizes gemessen werden, damit ein Einstellungskriterium für
das Bildaufnahmesystem des Retina Implantates 6 zur Verfügung
steht. Über einen elektroakustischen Wandler 5 (z.
B. Lautsprecher) können dem Patienten akustische Informationen über
die jeweils ausgegebenen optischen Reize gegeben werden, die ihn bei
der Interpretation der Bildinformation helfen sollen. Eine taktile
Eingabe Einheit 4 und eine akustische Eingabe über
ein Mikrofon 6 ermöglichen es dem Patienten sein
Feedback bezüglich des wahrgenommenen Seheindruckes an
die Rechenreinheit zurückzumelden.
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Die
Rechner Einheit 1 des RITS erfasst die Eingaben der verschiedene
Peripheriegeräte (z. B. 3, 6, 4)
und passt die Parameter des präsentierten optischen Reizes
(z. B. Lichtintensität) entsprechend den im Lernparadigma
festgelegten Grenzwerten an. Das Lernparadigma wird vom medizinisch-psychologischen
Fachpersonal 11 vorgegeben und über entsprechende
Software in der Rechner Einheit des RITS realisiert.
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Der
Retina Implantat Träger 8 erfasst über sein
Retina Implantat 7 den optischen Reiz der über den
Patientenmonitor 2 des RITS ausgegeben wird. Parallel zur
optischen Reizausgabe kann vom RITS auch eine akustische Ausgabe
mit Erklärungen zum präsentierten optischen Reiz
ausgegeben werden. Der Seheindruck wird vom Retina Implantat Träger 8 entsprechend
interpretiert und sein Feedback wird dann akustisch über
ein Mikrofon 6 oder manuell über die taktile Eingabe
Einheit 4 an das RITS zurückmeldet.
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Durch
entsprechende Reizwiederholung im Rahmen des vom medizinisch-psychologischen Fachpersonal 11 vorgegebenen
Lernparadigmas kann sich der neurologische Mechanismus für
die Verarbeitung von optischen Reizen im visuellen Kortex des Patienten
so verändern, dass eine Anpassung an die Empfindungen stattfindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Eckmiller
et al., 2005 [0012]
- - Eckmiller et al., 2003 [0012]