DE19713612A1

DE19713612A1 - Apparatus for promoting selective stimulation of defective retina

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

Abstract

An apparatus for selectively stimulating one or a number of nerve cells in the defective retina of a human eye employs a portable laser source whose beam is projected onto the retina via the natural lens of the eye. The laser unit and system controller can be conveniently carried in a small container at the waist with connections made by coaxial and fibre-optics cables to a prosthetic assembly in the form of conventional spectacles. These incorporate a photosensor array for detecting the wearer's forward environment, a fixed focusing mirror and a beam steering reflector responding to signals from a pupil position sensor which combine to regulate stimulation of the appropriate retinal neurons.

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.The invention relates to a device for stimulation of retinal nerve cells according to the The preamble of claim 1 also relates to Invention a stimulation method according to the Oberbe handle of claim 15 or 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.The invention relates to a stimulation device and a stimulation procedure for a retinal replacement as Visual prosthesis, in particular a laser device for sti mulation of retinal neurons. The laser apparatus serves stimulation of retinal neurons for recovery of visual perceptions in patients with retinal degenes ration diseases such as retinitis pigmen tosa or 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.The development of Sehim is state of the art implants for patients with retinal degeneration diseases Subject of applied research world wide (Eck95, Riz96, Nor96, deJuan96, Cho94). The visual information about the environment is included With the help of an arrangement of photosensors and optics detected and converted into electrical signals. How These signals are used to obtain visual perceptions processed and with the help of stimulation electronics tread, as known for example from Mey94, electrically at a suitable point along the optical path in the central vision system coupled. The different types sentences differ on the one hand in type and in Position of the neurons to be coupled along the optical path like for example retina or primary visual cortex, and for others in the way of preprocessing the visual Information. First attempts at the electrical stimula tion of the primary visual cortex (Nor96) as well as the retina len ganglion cells (deJuan96) were promising. With such an electrical stimulation struck, blind patients took glowing spots and Circles true.

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.A disadvantage in both cases, however, is considerable Surgical effort required for implantation. In addition, everyone should be in contact with biological tissue materials are biocompatible, which is why lengthy tests are necessary. This invasive me methods also lead to the loss of one depending on the state dium of the disease still existing eyesight, such as for example the so-called tunnel vision in 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.The state of the art is, for example, from Eck95 epi-retinal implants known for electrical Stimulation of retinal ganglion cells in the eye at the Membrana limitans interna of the respective eye attached and externally with stimulation information and energy are supplied.

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.The finite extent of the stimulation electrodes and the distance between two electrodes leads however disadvantageously to a limited spatial resolution and correlated Stimulations. Because of the comparatively strong out Elongation of the electrodes does not stimulate cells individually can be used.

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.It is also state of the art from Cho94 or Zre96 known, for subretinal stimulation microphotodiodes between the retina and the pigment epithelium of each to bring in your eyes. However, they are disadvantageous too stimulating photoreceptor cell body also dege nerated. In addition, due to the limited We efficiency of the photodiodes high light intensities required to cross the threshold to the electrical stimula tion to exceed. The microphotodiodes feed the foreign body which is caused by the disease without disturbed nutrient supply by the Adversely obstruct pigment epithelium.

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.It is therefore an object of the invention to provide a device for stimulation of retinal nerve cells Eye, as well as a procedure for stimulation to provide such an eye in which a Redu adornment or avoidance of the problems mentioned becomes.

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. The problem is solved by a device for Sti simulation of nerve cells of the retina of an eye according to the entirety of the features according to claim 1. Die The task is also solved by a stimulation ver drive according to the entirety of the features according to claim 15 or 16. Further expedient or advantageous leadership forms or variants can be found in the one of these claims related subordinate sayings.

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.It was recognized that the neurons according to the invention to stimulate a laser beam from the outside the lens is projected into the eye on the retina. In this way, many neurons are advantageously selected tiv and independent with the central vision system waited for signals supplied without the eye and especially the retina by introducing foreign bodies damage.

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.According to claim 2 advantageously allows Use a laser apparatus that is selective, from each other independent stimulation of one or a few, retinal neurons with high information transmission rate and high spatial and temporal resolution low energy consumption. It will also be very beneficial the implantation required in the prior art of electronic, microstructured, biocompatible Components for signal and energy transmission and for Avoid electrical stimulation.

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.It is within the scope of the invention according to claim 1, however imaginable that other means than the laser beam tion of the laser apparatus are suitable, insofar as such Means selective optical stimulation of individuals or a few, retinal neurons. For example, it would be within the scope of the invention bar, the stimulation of the neurons with light radiation a light source of suitable wavelength focused form.

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.The visual information about the outside world can be with Recorded with the help of a photosensor array and further are processed. This can be done otherwise Models to simulate the retinal information ver work can be used. You can on handelsübli Chen or specialized microcomputers or on spe purpose-built, mixed digital-analog micro chips are implemented in real time. The simulated retinal information processing can be done in one option mation process individually adapted to the patient be. By measuring the pupil location, the ac the patient's current line of sight is detected and at the Further processing of the image data is taken into account.

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.Advantageously, the stimulation of the ner vein fibers using laser radiation on the one hand a height here, spatial and temporal resolution achieved. Ande on the other hand, retinal neurons are independent of one another and selectively stimulable. In addition, the number of Information channels that can be coupled in real time by 1 to 2 orders of magnitude larger than with electrical stimula tion. In addition, there are elaborate opthalmo-surgeons Interventions for implantation and maintenance of the Eye implanted components are not necessary and who which also avoids dangers from such foreign bodies the. Finally, the approach is very beneficial the optical stimulation of nerves according to the invention cells of the central visual system through bundled, knockout inherent light also the use of existing rest eyesight allowed.

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.The laser equipment can be a portable laser more suitable Wavelength (e.g. UV, IR) with optics for variation the beam parameters and a device for change the beam direction. The laser can be stationary be and possibly the one formed by the optics Beam by means of quickly moving miniature mirrors such as for example using piezo technology the. If the laser is not in front of the eye in glasses frame is housed, a light guide for the optical path between the laser and the deflection device tion can be used. The beam is through the lens projected onto the retina.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:The invention is further based on figures and Embodiment explained in more detail. It shows:

Fig. 1 Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges; Fig. 1 Schematic structure of the apparatus of the invention for the stimulation of nerve cells in the retina of an eye;

Fig. 2 Brillengestell mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stimulation von Nervenzellen der Netzhaut eines Auges. Fig. 2 glasses frame with a device according to the invention for stimulating nerve cells of the retina of an eye.

Fig. 3 Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einem Auge, im Querschnitt dargestellt; Fig. 3 arrangement of a device according to the invention to an eye, shown in cross section;

Fig. 4 Detail des Netzhautaufbaus aus der Fig. 3. Fig. 4 Detail of the retina structure of FIG. 3.

Embodiment

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.In Fig. 1, the structure of the device according to the invention for stimulating nerve cells of the retina of an eye is shown schematically. In Fig. 2, an eyeglass frame with a device according to the invention for stimulating nerve cells of the retina of an eye is shown in supervision.

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.The details are in conventional glasses a photosensor array PA and a laser apparatus LA un brought. The photosensor array PA feeds a Mi krocomputer in an external processing compo nente EV for example the size of a Walkman and can be brought and the data according to the selected model of retinal information processing individually for each of the 10,000, for example processed stimulating neurons. The processing component EV can be outside the body, for. B. on Belt to be worn. The processing component EV is with the photosensor array PA and the laser equipment LA via electrical or optical data lines connected.

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.Alternatively, the laser apparatus LA can also be used in the Ver work component EV to be included in the Laser apparatus LA generates laser radiation by means of Light guides are guided to the glasses frame. From the The direction of the gaze is determined by measuring the pupil location telable and predictable. With this data acquisition can so that the optics of the photosensor array PA can be controlled the.

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.The photosensor array PA can, for example, via 6 luminance decades to be sensitive and a local work area of 1 to 2, for example Have decades at 8 bit digital resolution. The CPU of the microcomputer is special with regard to ver used, otherwise developed model of the retina len information processing optimized and calculated spatial-temporal filtering operations within a few Bars. The temporal constancy of the stimulation sites of the Laser beam is measured by regularly measuring the position of approx. 3 points marked on the retina and ent speaking control of the deflector accomplishes. The marking can e.g. B. with laser radiation increased intensity.

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.From Fig. 3, the arrangement of a device according to the invention to an eye, in cross-section Darge, can be seen. A deflection device for adjustable mirror positions for laser beam coming from a laser is attached to an eyeglass frame. After the deflection of the art, the laser radiation strikes mirrors mounted in the spectacle frame, that after reflection the laser light through the lens of the eye hits a selected point on the retina of the eye in order to selectively stimulate certain neurons there. Especially in the areas of the fovea centralis and the macula, in which there are many neurons, optical stimulation can be carried out selectively with high accuracy.

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. In FIG. 4 a detail of the ingestible ent in Fig. 3 retina is shown in cross section. From the light irradiation side, the laser light hits the internal limitans and then reaches the retinal nerve cells in order to selectively stimulate them. The axons of the ganglion cells as a subclass of the retinal nerve cells form the optical nerve and transmit the response to such an optical signal to the brain as an electrical signal.

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Claims

1. Device for stimulating nerve cells of the retina of an eye, characterized by means for selective optical stimulation of individual or a few retinal neurons.

2. Device according to the preceding claim, ge characterized by selective stimulation by means of laser radiation in such a way that outside the Au The laser radiation generated by the lens of the Au is projected onto the retina.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized by an optic for shaping the laser radiation.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized by one or more controllable, in particular miniaturized mirrors for projection and direction formation of the radiation on the retina.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized by further processing the information recorded by means of photo sensors stimulation originating from the visual environment tion signals.

6. Device according to the preceding claim, ge characterized by one on a model of the retinal information processing based Wei processing.

7. Device according to the preceding claim, ge characterized by a modified model retinal information processing, which the Perception of the patient, especially in dialogue with this patient, optimized.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Action potentials of the retinal neurons with the help of a biochemical transmitter due to the on effect of the laser radiation can be triggered.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized by means of transmitter concentration at the stimulation site.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized by means that cause that the beam shape and beam direction at a Eye movement can be controlled so that the assignment between stimulation channel and stimulated neurons remains in time.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized by an individual on the Measure or type of disease of a patient's eye adapted model of retinal information processing work.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at Augenbe the patient's current line of sight is tangible and in the further processing of the information recorded via photo sensors the visual environment is taken into account.

13. Vision prosthesis for a diseased eye with a front Direction according to one of the preceding claims.

14. Vision protesis integrated in glasses according to before going claim.

15. Procedure for stimulating nerve cells of the network skin of an eye, characterized, that individual nerve cells are optically stimulated the.

16. Procedure for stimulating nerve cells of the network skin of an eye, characterized, that laser radiation is used, the Laser radiation generated outside of the eye and through the lens of the eye is projected onto the retina becomes.