DE19713612A1

DE19713612A1 - Stimulationsvorrichtung und Stimulationsverfahren für einen Netzhaut-Ersatz als Sehprothese

Info

Publication number: DE19713612A1
Application number: DE1997113612
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Phys Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Stimulationsverfahren gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 15 oder 16.

Die Erfindung betrifft eine Stimulationsvorrichtung und ein Stimulationsverfahren für einen Netzhaut-Ersatz als Sehprothese, insbesondere eine Laser-Apparatur zur Sti mulation retinaler Neurone. Die Laser-Apparatur dient der Stimulation retinaler Neurone zur Wiedergewinnung von Sehwahrnehmungen bei Patienten mit Netzhaut-Degene rationserkrankungen wie zum Beispiel Retinitis Pigmen tosa oder Macula Degeneration.

Als Stand der Technik ist die Entwicklung von Sehim plantaten für Patienten mit Netzhaut-Degenerations krankheiten Gegenstand der angewandten Forschung welt weit (Eck95, Riz96, Nor96, deJuan96, Cho94). Die visuelle Information über die Umwelt wird dabei mit Hilfe einer Anordnung von Photosensoren und einer Optik erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt. Zur Wie dergewinnung von Sehwahrnehmungen werden diese Signale weiterverarbeitet und mit Hilfe von Stimulationselek troden, wie zum Beispiel aus Mey94 bekannt, elektrisch an einer geeigneten Stelle entlang der Sehbahn in das zentrale Sehsystem eingekoppelt. Die verschiedenen An sätze unterscheiden sich zum einen in der Art und der Lage der anzukoppelnden Neurone entlang der Sehbahn wie zum Beispiel Netzhaut oder primäre Sehrinde, und zum anderen in der Art der Vorverarbeitung der visuellen Information. Erste Versuche der elektrischen Stimula tion der primären Sehrinde (Nor96) als auch der retina len Ganglienzellen (deJuan96) waren erfolgversprechend. Mit einer solchen elektrischen Stimulation beauf schlagte, blinde Patienten nahmen leuchtende Punkte und Kreise wahr.

Nachteilig in beiden Fällen ist allerdings ein erhebli cher, chirurgischer Aufwand zur Implantation notwendig. Zudem sollen alle mit biologischem Gewebe in Kontakt befindlichen Materialien biokompatibel sein, weshalb langwierige Tests notwendig sind. Diese invasiven Me thoden führen außerdem zum Verlust eines je nach Sta dium der Krankheit noch vorhandenen Sehvermögens, wie zum Beispiel der sogenannte Tunnelblick bei Retinitis Pigmentosa.

Als Stand der Technik sind beispielsweise aus Eck95 epi-retinale Implantate bekannt, die zur elektrischen Stimulation retinaler Ganglienzellen im Auge an der Membrana limitans interna des jeweiligen Auges befestigt und von außen mit Stimulationsinformationen und Energie versorgt werden.

Die endliche Ausdehnung der Stimulationselektroden und des Abstandes zweier Elektroden führt jedoch nachteilig zu einer eingeschränkten Ortsauflösung und korrelierten Stimulationen. Aufgrund der vergleichsweise starke Aus dehnung der Elektroden sind Zellen nicht einzeln stimu lierbar.

Es ist zudem als Stand der Technik aus Cho94 oder Zre96 bekannt, zur subretinalen Stimulation Mikrophotodioden zwischen der Netzhaut und dem Pigmentepithel des jewei ligen Auges einzubringen. Jedoch sind nachteilig die zu stimulierenden Photorezeptorzellkörper ebenfalls dege neriert. Außerdem sind aufgrund des beschränkten Wir kungsgrades der Photodioden hohe Lichtintensitäten er forderlich, um die Schwelle zur elektrischen Stimula tion zu überschreiten. Die Mikrophotodioden stellen zu dem Fremdkörper dar, die die durch die Krankheit ohne hin gestörte Nährstoffversorgung durch das Pigmentepithel nachteilig behindern.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges zu schaffen, sowie ein Verfahren zur Stimulation eines solchen Auges bereitzustellen, bei dem eine Redu zierung oder Vermeidung der genannten Probleme erreicht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Sti mulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges ge mäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Stimulierungsver fahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 15 oder 16. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Aus führungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteran sprüchen.

Es wurde erkannt, erfindungsgemäß die Neurone mittels eines Laserstrahls zu stimulieren, der von außen durch die Linse in das Auge auf die Netzhaut projiziert wird. Auf diese Weise werden vorteilhaft viele Neurone selek tiv und unabhängig mit den vom zentralen Sehsystem er warteten Signalen versorgt, ohne das Auge und insbeson dere die Netzhaut durch Einbringen von Fremdkörpern zu schädigen.

Gemäß Anspruch 2 ermöglicht in vorteilhafter Weise der Einsatz einer Laserapparatur die selektive, voneinander unabhängige Stimulation einzelner oder einiger weniger, retinaler Neurone mit hoher Informations-Übertragungs rate und hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung bei geringem Energieverbrauch. Außerdem wird sehr vorteil haft die im Stand der Technik notwendige Implantation von elektronischen, mikrostrukturierten, biokompatiblen Komponenten zur Signal- und Energieübertragung und zur Elektro-Stimulation vermieden.

Es ist im Rahmen der Erfindung gemäß Anspruch 1 jedoch vorstellbar, daß auch andere Mittel als die Laserstrah lung der Laserapparatur geeignet sind, soweit solche Mittel eine selektive optische Stimulation einzelner oder einiger weniger, retinaler Neurone ermöglichen. Zum Beispiel wäre es im Rahmen der Erfindung vorstell bar, die Stimulation der Neuronen mit Lichtstrahlung einer Lichtquelle geeigneter Wellenlänge in geeignet fokussierter Form zu bewirken.

Die visuelle Information über die Außenwelt kann mit Hilfe eines Photosensorarrays aufgezeichnet und weiter verarbeitet werden. Dazu können anderweitig entwickelte Modelle zur Nachbildung der retinalen Informationsver arbeitung verwendet werden. Sie können auf handelsübli chen oder spezialisierten Mikrocomputern oder auf spe ziell angefertigten, gemischt digital-analogen Mikro chips in Echtzeit implementiert werden. Die simulierte, retinale Informationsverarbeitung kann in einem Opti mierungsprozeß individuell an den Patienten angepaßt sein. Durch die Messung des Pupillenortes wird die ak tuelle Blickrichtung des Patienten erfaßt und bei der Weiterverarbeitung der Bilddaten berücksichtigt.

Vorteilhafterweise wird durch die Stimulation der Ner venfasern mittels Laserstrahlung einerseits eine hö here, räumliche und zeitliche Auflösung erreicht. Ande rerseits sind retinale Neurone unabhängig voneinander und selektiv stimulierbar. Außerdem ist die Anzahl der in Echtzeit einkoppelbaren Informationskanäle um 1 bis 2 Größenordnungen größer als bei elektrischer Stimula tion. Darüber hinaus sind aufwendige opthalmo-chirurgi sche Eingriffe zur Implantation und Wartung von in das Auge implantierten Komponenten nicht notwendig und wer den zudem Gefahren durch derartige Fremdkörper vermie den. Schließlich ist sehr vorteilhaft, daß der Ansatz der erfindungsgemäßen optischen Stimulation von Nerven zellen des zentralen Sehsystems durch gebündeltes, ko härentes Licht zudem die Nutzung von vorhandenem Rest sehvermögen des Auges erlaubt.

Die Laserapparatur kann ein portabler Laser geeigneter Wellenlänge (z. B. UV, IR) mit einer Optik zur Variation der Strahlparameter und einer Vorrichtung zur Änderung der Strahlrichtung sein. Dabei kann der Laser ortsfest sein und gegebenenfalls der durch die Optik geformte Strahl mittels schnell bewegbarer Miniatur-Spiegel wie zum Beispiel mittels Piezo-Technologie gerichtet wer den. Falls der Laser nicht vor dem Auge in einem Bril lengestell untergebracht ist, kann ein Lichtleiter für die optische Strecke zwischen Laser und Ablenkeinrich tung verwendet werden. Der Strahl wird durch die Linse des Auges auf die Netzhaut projiziert.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges;

Fig. 2 Brillengestell mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges.

Fig. 3 Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem Auge, im Querschnitt dargestellt;

Fig. 4 Detail des Netzhautaufbaus aus der Fig. 3.

Ausführungsbeispiel

In der Fig. 1 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netz haut eines Auges schematisch dargestellt. In der Fig. 2 ist in Aufsicht ein Brillengestell mit einer er findungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nerven zellen der Netzhaut eines Auges dargestellt.

Im einzelnen sind dabei in einer herkömmlichen Brille ein Photosensorarray PA und eine Laserapparatur LA un tergebracht. Das Photosensorarray PA speist einen Mi krocomputer, der in einer externen Verarbeitungskompo nente EV zum Beispiel von der Größe eines Walkmans un tergebracht sein kann und die Daten entsprechend des gewählten Modells der retinalen Informationsverarbei tung individuell für jedes der beispielsweise 10.000 zu stimulierenden Neurone aufbereitet. Die Verarbeitungs komponente EV kann dabei außerhalb des Körpers, z. B. am Gürtel, getragen werden. Die Verarbeitungskomponente EV ist mit dem Photosensorarray PA und der Laserapparatur LA über elektrische oder optische Datenleitungen verbunden.

Alternativ kann die Laserapparatur LA auch in der Ver arbeitungskomponente EV enthalten sein und die in der Laserapparatur LA erzeugte Laserstrahlung mittels Lichtleiter zum Brillengestell geleitet werden. Aus der Messung des Pupillenortes ist die Blickrichtung ermit telbar und berechenbar. Mit dieser Datenerfassung kann damit die Optik des Photosensorarrays PA gesteuert wer den.

Das Photosensorarray PA kann dabei beispielsweise über 6 Leuchtdichte-Dekaden empfindlich ausgebildet sein und einen lokalen Arbeitsbereich von beispielsweise 1 bis 2 Dekaden bei 8 bit digitaler Auflösung haben. Die CPU des Mikrocomputers ist speziell hinsichtlich des ver wendeten, anderweitig entwickelten Modells der retina len Informationsverarbeitung optimiert und berechnet raum-zeitliche Filteroperationen innerhalb weniger Takte. Die zeitliche Konstanz der Stimulationsorte des Laserstrahls wird durch regelmäßiges Messen der Lage von ca. 3 auf der Retina markierten Punkten und ent sprechender Steuerung der Ablenkeinrichtung gewähr leistet. Die Markierung kann z. B. mit Laserstrahlung erhöhter Intensität erfolgen.

Aus der Fig. 3 ist die Anordnung einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung zu einem Auge, im Querschnitt darge stellt, entnehmbar. Dabei ist an einem Brillengestell befestigt eine Ablenkvorrichtung für einstellbare Spie gelpositionen für von einem Laser kommende Laserstrah lung. Die Laserstrahlung trifft nach der Ablenkung der art auf im Brillengestell angebrachte Spiegel, daß nach Reflektion das Laserlicht durch die Linse des Auges auf eine ausgewählte Stelle der Netzhaut des Auges trifft um dort bestimmte Neurone selektiv optisch zu stimulie ren. Insbesondere in den Bereichen der Fovea Centralis und der Macula, in denen viele Neurone liegen kann eine optische Stimulation selektiv mit hoher Genauigkeit erfolgen.

In der Fig. 4 ist ein Ausschnitt der in Fig. 3 ent nehmbaren Netzhaut im Querschnitt dargestellt. Von der Lichteinstrahlungsseite her trifft das Laserlicht auf die Membrana Limitans Interna und erreicht sodann die retinalen Nervenzellen, um diese optisch selektiv zu stimulieren. Die Axone der Ganglienzellen als Unterklasse der retinalen Nervenzellen bilden den optischen Nerv und leiten die Antwort auf ein solches optisches Signal als elektrisches Signal in das Gehirn weiter.

Literaturliste

[NeuRep] R. Eckmiller et al., Neurotechnologie-Report, Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn, April 1994
[Eck95] R. Eckmiller, Towards retina implants for im provement of Vision in humans with Retinitis Pigmen tosa - challenges and first results, Proc. WCNN 1995 vol. 1, p 228-233, Lawrence Earlbaum Assoc. 1995
[Riz96] J. Wyatt, J. Rizzo, Ocular implants for the blind, IEEE Spectrum, 5 (1996) 47-53
[deJuan96] M. S. Humayun, E. de Juan, G. Dagnelie, R. Greenberg, R. Probst, Artificial Vision, Invest. Ophthal. & Vis. Sci. 37 (1996) S 451
[Zre96] E. Zrenner, Subretinal microphotodiodes for retinal degenerations, in:New approaches in the diagno sis and therapy of macula and retinal diseases, Kluwer Academic Publishers 1996
[Cho94] A.Y. Chow, Independent photoelectric artifi cial retina device and method of using the same, US Pa tent, No. 5556423, 20.04.1994
[Nor96] R. A. Norman, E. M. Maynard, K. S. Guillory, D. J. Warren, Cortical implants for the blind, IEEE Spectrum, 5 (1996) 54-59
[VRD] T. A. Furness, J. S. Kollin, Virtual retinal display, US Patent, No. 5467104
[Wil96] D. R, Williams, J. Liang, Adaptive optics for high resolution retinal imaging, Invest. Ophthal. & Vis. Sci. 37 (1996) S 232
[Mey94] J.-U. Meyer, Retina-Implantat, DE-PS 44 24 753

Claims

1. Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges, gekennzeichnet durch Mittel zur selektiven optischen Stimulation einzel ner oder einiger weniger retinaler Neurone.

2. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, ge kennzeichnet durch eine selektive Stimulation mittels Laserstrahlung derart, daß außerhalb des Au ges erzeugte Laserstrahlung durch die Linse des Au ges auf die Netzhaut projiziert wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Optik zur Formung der Laserstrahlung.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen oder mehrere steuerbaren, insbesondere miniaturisierten Spiegel zur Projektion und Richtungsbildung der Strahlung auf die Netzhaut.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch der Weiterverarbeitung der mittels Photosensoren aufgezeichneten Informa tion über die visuelle Umwelt entstammende, Stimula tionssignale.

6. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, ge kennzeichnet durch eine auf einem Modell der retinalen Informationsverarbeitung basierende Wei terverarbeitung.

7. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, ge kennzeichnet durch ein modifiziertes Modell der retinalen Informationsverarbeitung, welches die Wahrnehmung des Patienten, insbesondere im Dialog mit diesem Patienten, optimiert.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktionspotentiale der retinalen Neurone mit Hilfe eines biochemischen Transmitters aufgrund der Ein wirkung der Laserstrahlung auslösbar sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur Transmitter konzentration am Stimulationsort.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, daß die Strahlform und Strahlrichtung bei einer Augenbewegung so steuerbar sind, daß die Zuordnung zwischen Stimulationskanal und stimulierten Neuronen zeitlich erhalten bleibt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein individuell an dem Maß oder Art der Erkrankung des Auges eines Patien ten angepaßtes Modell der retinalen Informationsver arbeitung.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Augenbe wegung die aktuelle Blickrichtung des Patienten er faßbar ist und bei der Weiterverarbeitung der mit tels Photosensoren aufgezeichneten Information über die visuelle Umwelt Berücksichtigung findet.

13. Sehprotese für ein erkranktes Auge mit einer Vor richtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. In einer Brille integrierte Sehprotese nach vorher gehendem Anspruch.

15. Verfahren zur Stimulation von Nervenzellen der Netz haut eines Auges, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Nervenzellen optisch stimuliert wer den.

16. Verfahren zur Stimulation von Nervenzellen der Netz haut eines Auges, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahlung eingesetzt wird, wobei die Laserstrahlung außerhalb des Auges erzeugt und durch die Linse des Auges auf die Netzhaut projiziert wird.