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Diese
Anmeldung nimmt den Zeitrang der provisorischen US-Patentanmeldung
Seriennummer 60/125.875, eingereicht am 24. März 1999, in Anspruch.
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Netzhautprothesen und im Besonderen
eine Vorrichtung zur Erhöhung
der Wirksamkeit von Netzhautprothesen.
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Diese
Erfindung betrifft die direkte Modulation eines Photonenstrahls
von ausreichender Energie auf Netzhautprothesenimplantaten von Patienten, die
unter einer starken Sehbehinderung oder Blindheit leiden.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
gesundes Auge verfügt über lichtempfindliche
Netzhautzellen (also Stäbchen
und Zäpfchen),
die auf spezifische Wellenlängen
des Lichts reagieren, um die Nervenimpulse auszulösen. Komplexe
Verbindungen zwischen den Netzhautnerven ordnen diese Impulse an,
welche durch den Sehnerv zu den visuellen Zentren des Gehirns geleitet
werden, wo diese interpretiert werden. Bestimmte Sehbehinderungsformen
sind vor allem einer Funktionsstörung
der lichtempfindlichen Netzhautzellen zuzuschreiben. In solchen
Fällen
kann die Sehkraft durch in dem Auge des Patienten implantierte Netzhautprothesen
erhöht
werden. Michelson (
US-Patent
Nr. 4.628.933 ) und Chow (
US-Patent
Nr. 5.016.633 ,
5.397.350 ,
5.556.423 ) zeigen eine Netzhautprothese oder
Netzhautprothesen, in denen Photorezeptoren im Wesentlichen aus
dem Auge in Richtung der Pupille gerichtet sind, wobei jeder eine
Elektrode aufweist, die eine bipolare oder ähnliche Zelle mit einem elektrischen
Impuls stimulieren kann. Die Wirkung dieser bipolaren Zelle wird
durch den elektrischen Stimulus erzielt, um entsprechende Nervenimpulse im
Wesentlichen durch den Sehnerv zum Gehirn zu senden.
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Die
vorliegende Erfindung wird als eine notwendige Ergänzung dieses
Prothesentyps vorgeschlagen, da die Photorezeptoren für die herkömmlichen
ins Auge eintretenden Lichtintensitäten nicht ausreichend empfindlich
erscheinen, wobei nicht genug Strom erzeugt wird, um die Netzhautzellen
ausreichend zu stimulieren. Folglich würde ein Lichtverstärker oder
eine „Hilfsvorrichtung" benötigt werden. Diese
Vorrichtung ist die hierin beschriebene Vorrichtung, welche auch
spezielle charakteristische Implantate umfasst.
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Furness
et al. offenbaren eine „virtuelle
Netzhautanzeigevorrichtung" in
US-Patent Nr. 5.659.327 , wobei „Die virtuelle
Netzhautanzeigevorrichtung ... die Photonenerzeugung und -manipulation
verwendet, um ein weitwinkeliges, hochauflösendes und virtuelles Farbbild
zu erstellen, dass direkt auf die Netzhaut des Auges projiziert
wird ... wobei kein reelles Bild oder flächiges Bild vorliegt, dass über einen Spiegel
oder eine Optik betrachtet wird." Richard
et al. offenbaren im
US-Patent
Nr. 5.369.415 , „eine
direkte Netzhautabtastanzeigevorrichtung, umfassend die Schritte
des Bereitstellens eines gerichteten Lichtstrahls, des Modulierens
des Lichtstrahls, um Videoinformationen auf den Lichtstrahl zu prägen, des Ablenkens
des Strahls in zwei orthogonale Richtungen, des Bereitstellens eines
planaren Bildgebers, umfassend einen Eingang zum Empfang eines Lichtstrahls
ins Auge eines Anwenders, wobei ein diffraktives optisches Umleitungselement
zur Erzeugung eines virtuellen Bilds aus einem Lichtstrahl auf der Netzhaut
des Auges verwendet wird, und des Leitens des in zwei orthogonalen
Richtungen abgetasteten und modulierten Lichtstrahls in den Eingang
des planaren Bildgebers und den Ausgang des planaren Bildgebers
in das Auge eines Anwenders."
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Sehbehinderte
Personen können
diese oben erwähnten
Vorrichtungen für
deren beabsichtigten Zwecke verwenden. Sie scheinen jedoch nicht
für die Verwendung
durch blinde Personen mit implantierten Netzhautprothesen vom Photorezeptor-Elektrodentyp geeignet
zu sein. Es scheint, dass sie nicht genug Lichtleistung bereitstellen.
Ferner kann die Lichtamplitude nicht beliebig erhöht werden,
da, gemäß Slinly und
Wolbarscht, „Safety
with Lasers and Other Optical Sources", die Netzhautschadensschwelle 0,4 Joules
pro cm2 beträgt.
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Liu
et al stellen im Bericht der 19. Internationalen Konferenz IEEE/EMBS,
30.10.-02.11.1997, Chicago,
eine „visuelle
Doppelelement-Intraokularprothese" gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 dar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung
einer erhöhten
Wirksamkeit der Netzhautprothese. Insbesondere betrifft die Erfindung
einen Lichtverstärker
und einen elektrischen Schaltkreis zum Ansteuern einer implantierten Netzhautprothese,
um die elektrische Stimulation der Netzhautnerven oder -zellen zu
maximieren. Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verbesserung der
implantierten Netzhautprothesen, welche die Vorteile des Lichtverstärkers maximieren.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der Erfindung wird das von einem betrachteten Bild
(also dem Eingangsbild) reflektierte Licht durch einen Lichtverstärker geleitet,
um ein Ausgangsbild zu erzeugen, mit welchem die Photorezeptoranordnung einer
Netzhautprothese beaufschlagt wird. Die Verstärkung (oder die „Übergangsfunktion") des Lichtverstärkers ermöglicht es
der Photorezeptoranordnung die Ausgangselektroden zur Erzeugung
von Netzhaut-Nervenimpulsen mit ausreichender Größe anzusteuern, um die wahrgenommene
Sicht zu verbessern.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung komprimiert der Lichtverstärker den
Bereich der Lichtintensität
logarithmisch, um die Lichtverstärkung
ohne Übersteuerung
der Photorezeptoren der Prothese zu ermöglichen.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird vorzugsweise die elektrische Stimulation
der Netzhautnerven gepulst, also periodisch unterbrochen, um Schäden aufgrund
des Spitzenwerts der elektrischen Signale zu vermeiden. Periodische
Unterbrechungen können
durch eine Blende zum periodischen Unterbrechen des Lichteinfalls auf
die Photorezeptoranordnung mechanisch und/oder über einen entsprechenden Wellenformungsschaltkreis
elektrisch realisiert sein.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung erzeugen die Elektroden der
implantierten Prothese eine Sequenz von positiven und negativen
Impulsen, um die Erzeugung einer Nettoladung im Auge zu verhindern.
Aufeinanderfolgende Impulse sind vorzugsweise zeitlich durch ein
Intervall Δt
beabstandet.
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Vier
bevorzugte Ausführungsform
werden beschrieben. In Übereinstimmung
mit der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird eine einzelne Wellenlänge herangezogen, um eine implantierte Photodetektor-Elektronik-Elektroden-Kombinationseinheit
zu aktivieren, die dann einen negativen Impuls, gefolgt von einer
Zeitverzögerung,
gefolgt von einem positiven Impuls erzeugt. Ein in das Auge implantierter
Photorezeptor dient zur Erzeugung einer elektrischen Stimulation
mit einer gleichen Menge an positiver und negativer Ladung. Eine
einzelne Wellenlänge
wird durch den Photorezeptor aufgenommen. Diese einzelne Wellenlänge enthält extrahierbare
Energie. Sie enthält
ebenfalls Informationen, welche beispielsweise durch Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation,
Phasenverschiebungsverfahren oder Pulsbreitenmodulation verschlüsselt werden können. Die
Elektronik erzeugt einen negativen Impuls, gefolgt von einer Zeitverschiebung,
gefolgt von einem positiven Impuls. Eine Nettoladung von Null wird
ins Auge durch die aus der Elektrode stammenden elektrischen Impulse
eingegeben. Die bevorzugte Zeitverzögerung befindet sich im Bereich
von 0,1 Millisekunden bis 10 Millisekunden, wobei die Zeitverzögerung von
2 Millisekunden am meisten bevorzugt wird. Wenn die Netzhautzelle
nicht elektrisch stimuliert wird, kehrt diese in einen Ruhe- und
Erholungszustand zurück.
Sie befindet sich dann in einem – elektrischen – Zustand,
in dem sie sich vor der ersten elektrischen Stimulation befand.
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In Übereinstimmung
mit der zweiten Ausführungsform
wird eine erste Wellenlänge
verwendet, um einen ersten Satz „elektronischer" Photorezeptoren
zu verwenden. Diese Photorezeptoren sind so verbunden, dass die
Stimulation der beigefügten oder
der zugehörigen
Elektroden zu einem negativen Impuls führt. Dieser negative Impuls
stellt die Netzhautzellenstimulation bereit. Dann unterbricht die Blende
und hält
die Lichtübertragung
zum Auge an. Die Netzhautzelle befindet sich in einem Ruhe- und Erholungszustand,
so dass sie, elektrisch, wieder zu dem Zustand zurückkehrt,
in dem sie sich vor der Stimulation der ersten speziellen Lichtwellenlänge befand.
Eine zweite spezielle Lichtwellenlänge stimuliert dann einen zweiten
Satz Photorezeptoren, die für
diese Lichtwellenlänge
empfindlich sind; während der
erste Satz Photorezeptoren nicht beeinträchtigt wird. Dieser zweite
Photorezeptorensatz ist so verbunden, dass die Stimulation der befestigten
oder zugehörigen
Elektroden zu einem positiven Impuls führt. Die in die Netzhautzellen
eingeführte
Nettoladung muss ausgeglichen sein. Die durch den positiven Impuls
eingegebene positive Ladung muss ebenfalls gleich der durch den
negativen Impuls eingegebene negative Ladung sein. Die Blende unterbricht
erneut und hält
die Lichtübertragung
an. Wiederum kehren die Netzhautzellen in den Ruhe- und Erholungszustand
zurück
und die Wiederholung des Vorgangs erfolgt. Ein Aspekt der zweiten
Ausführungsform
verwendet eine elektrooptische, elektronische oder mechanische Blende,
um eine Periode ohne elektrische Stimulation für die Netzhautzellen, auf die
die elektrische Stimulation gerichtet ist, bereitzustellen.
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In Übereinstimmung
mit einer dritten Ausführungsform,
welche sozusagen eine Kombination aus erster und zweiter Ausführungsform
ist, werden zwei verschiedene Wellenlängen und zwei verschiedene Diodentypen
verwendet, wobei jeder auf eine entsprechende Wellenlänge responsiv
ist. In dieser Ausführungsform
wird eine Wellenlänge
verwendet, um eine hohe konstante Lichtintensität einzupumpen, um die elektronischen
Komponenten mit Leistung zu versorgen. Die andere Wellenlänge wird
zum Hineinsenden von Informationen mittels Amplituden, Frequenz,
Phase, Pulsbreitenmodulation oder Kombinationen derselben verwendet.
Der Stimulationsimpuls von der Elektronik zur Elektrode zur Netzhautzelle wird,
in einer ähnlichen
Weise wie die in der ersten Ausführungsform
erzeugten Impulse, mit einer einzelnen Wellenlänge erzeugt.
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Eine
vierte Ausführungsform
ist jene des logarithmischen Lichtverstärkers ohne speziell implantierbare
Photorezeptoren. Diese letzte Ausführungsform kann ein geringes
Tastverhältnis
benötigen, wenn
sie mit Photorezeptoren verwendet wird, die mit einer Diode ohne
jegliche Elektronik verbunden sind. Es kann möglich sein, sich in ausreichender
Weise auf die Eigenkapazität
einer oxidierbaren Elektrode zu stützen, welche die Kapazität mit dem
Aufbau einer isolierenden oxidierten Schicht in Richtung des ionisierbaren
Fluids erreicht, das sich im Auge als glasartiges Fluid oder als
direkt mit dem Auge verbundenes Fluid befindet.
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Ein
Bildempfänger
mit einem ersten Umwandler für
das Bild wandelt das Bild in elektrische Signale um. Die Signale
sind, im Wesentlichen logarithmisch verstärkt, um die Helligkeitskompression für den Patienten
bereitzustellen.
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Ein
Aspekt der Ausführungsformen
der Erfindung ist, dass ein verstärktes elektrisches Signal durch
einen zweiten Umwandler in eine auf Photonen basierende Anzeigevorrichtung
umgewandelt wird; die Photonen dieser Anzeigevorrichtung treten
in ein Auge durch die Pupille des Auges ein. Während die Ausführungsformen
des logarithmischen Verstärkers eine
ausreichende Ausgangslichtleistung aufweisen, bleibt die Ausgangslichtintensität vorteilhafterweise auf
einem sicheren Niveau. Dieser Aspekt der Erfindung entspricht den
Aspekten des Irisverhaltens sowie der Biochemie der Netzhautzellen
im menschlichen Auge, wodurch die Sicht über viele Grade der Umgebungshelligkeit
ermöglicht
wird.
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Ein
Aspekt der Ausführungsformen
der Erfindung ist der Einbau sowohl einer optischen als auch elektronischen
Vergrößerung des
Bilds, beispielsweise der Einbau eines optischen Zoomobjektivs sowie elektronischer
Vergrößerung.
Folglich ist Fokussierung auf besonders interessante oder wichtige
Elemente möglich.
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Mit
der entsprechenden Anpassung erreichen geeignete Schwellenamplituden
des Helligkeitseindrucks auch angenehme Maximalschwellenwerte des
Helligkeitseindrucks. Daher ist, um diese anzupassen, ein Anpassungsaspekt
in jeder Ausführungsform
eingebaut, so dass die geeignete Anpassung für die Schwellenamplituden und
die angenehmen Maximalschwellenwerte durchgeführt wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung, der in allen Ausführungsformen eingebaut sein
kann, richtet sich in Richtung der Verfügbarmachung des Farbensehens,
zumindest bis zu einem gewissen Grad. Bis zu dem Umfang, dass einzelne
Stimulationsstellen (also im Allgemeinen Netzhautzellen, im Besonderen bipolare
Zellen) verschiedene Farbwahrnehmungen nach der Stimulation ausgeben,
ist die Farbe der ausgewählten
Pixel der betrachteten Szene in Wechselbeziehung mit einer spezifischen
Photorezeptor-Elektronik-Elektrodeneinheit, die so positioniert ist,
dass ein spezifischer Typ einer bipolaren Zelle zur Bereitstellung
der Farbenwahrnehmung elektrisch stimuliert wird.
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Damit
die Implementierung sowohl der angenehmen Anpassung des Schwellenwerts
und der Maximalhelligkeit sowie des Farbensehens unterstützt wird,
ist im logarithmischen Lichtverstärker selbst auch eine Datenverarbeitungseinheit
eingebaut, die halbautomatisch einen Kreislauf durch die verschiedenen
Photodetektor-Elektroden und Kombinationen derselben durchläuft, den
Patienten befragt, was dieser sieht, wobei der Patient dann die Antworten
liefert, das Festlegen eines entsprechenden Helligkeitseindrucks,
geeigneter wahrnehmbarer Farben und entsprechender Wahrnehmung.
Dieser Festlegungsmodus wird unter Verwendung einer Tastatur, einer
Anzeigevorrichtung und eines Hilfsprozessors durchgeführt, welche
während
des Festlegungsvorgangs in die Datenverarbeitungseinheit des logarithmischen
Lichtverstärkers
eingesteckt sind.
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Eine
Abtastlaserrückkopplung
wird in verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung bereitgestellt, um das Abtasten der korrekten Stellen
durch den Abtastlaser aufrechtzuerhalten. Eine Bilderzeugung des
reflektierten Abtastlasers, der vom Netzhautimplantat zurück reflektiert,
wird verwendet, um Echtzeit-Rückkopplungsinformationen
bereitzustellen, wobei ein zweiter Bildgeber zum Hineinsehen ins Auge
und eine in der Abtastlaser-Abtaststeuereinheit befestigte Datenverarbeitungsvorrichtung
verwendet werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
oben erwähnten
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der
nun folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, worin:
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1 den
logarithmischen Lichtverstärker mit
Blende darstellt, welcher die eintretende Szene oder zu sehenden
Photonen auf der rechten und das Auge auf der linken Seite zeigt;
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2a einen
Laser zeigt, der durch ein Videosignal moduliert wird und die volle
Erstreckung der implantierten Netzhautprothese abtastet;
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2b einen – mit der
Elektronik verbundenen – Photorezeptor
und eine dazugehörige
Elektrode zeigt;
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2c die
Vorrichtung von 2b darstellt, aber in einer
runderen, glatteren Gehäuseform,
die wahrscheinlich geeigneter für
die Implantation ins Auge ist;
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3 abgestimmte Photodetektoren auf einer
implantierten Netzhautprothese zeigt;
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4 eine
Probewellenform zeigt, die mit der in 3 abgebildeten
Vorrichtung anwendbar ist;
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5 zwei
verschiedene Wellenlängen,
eine zum Hineinsenden von Leistung, die andere zum Hineinsenden
von Informationen, an einer einzigen Einheit mit zwei verschiedenen
empfindlichen Photorezeptoren, ein Elektronik-Gehäuse und
eine Elektrode zeigt;
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6 drei
zuvor dargestellte Ausführungsformen
zusammenfasst;
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7 den
Außenlogarithmusverstärker (als „Brillen"), einen tragbaren
Computer mit Maus und Joystick als Festlegungshilfen zeigt;
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8 eine
Implantateinheit (Stand der Technik) mit einem Photorezeptor und
einer Elektrode zeigt;
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9a einen
Lichtelektronik-Rückkopplungskreis
zur Erkennung der Stelle auf dem abzutastenden Implantat darstellt;
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9b eine
der verschiedenen möglichen Bezugsmarkierungen,
einschließlich
Punkten und Linien, zur Erkennung der Stelle des abzutastenden Implantats
zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
folgende Beschreibung ist die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform
zur Durchführung der
Erfindung. Diese Beschreibung ist nicht in einem einschränkendem
Sinne aufzufassen, sondern wird lediglich zum Zweck der Beschreibung
der generellen Prinzipien der Erfindung ausgeführt. Der Schutzumfang der Erfindung
sollte mit Bezug auf die Ansprüche
bestimmt werden.
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Diese
Erfindung stellt verstärktes
Licht für künstliche
Photorezeptoren bereit, die ins Auge des Patienten implantiert sind,
der seine normalen Photorezeptor-Netzhautzellen nicht mehr verwenden
kann. Der Zweck dieses verstärkten
Lichts ist die effektive Stimulation durch dazugehörige Elektroden,
herkömmlicherweise über Elektronik,
an den Netzhautzellen, welche sonst durch natürliche Netzhautphotorezeptoren,
wie etwa Stäbchen
und Zäpfchen,
stimuliert werden. Die Netzhautzellen, die die elektrische Stimulation
mithilfe von künstlichen
Photorezeptoren erhalten, sind üblicherweise
bipolare Zellen. Diese Stimulation dieser Nicht-Photorezeptor-Netzhautzellen
ermöglicht
dem Patienten zumindest etwas von dem wahrzunehmen, was ein normales
Auge sehen würde.
Damit die Netzhautzellen nicht beschädigt werden, wird den Photorezeptor-Elektroden-Stimulatoren
auf die folgenden Arten Licht zugeführt.
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Vier
bevorzugte Ausführungsformen
werden beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird eine einzelne
Wellenlänge
dazu verwendet, um eine implantierte Photodetektor-Elektronik-Elektroden-Kombinationseinheit
zu aktivieren, die dann einen negativen Impuls, gefolgt von einer
Zeitverzögerung,
gefolgt von einem negativen Impuls erzeugt. In der ersten Ausführungsform
wirkt ein in das Auge implantierter Photore zeptor als eine elektrische
Stimulation mit einer gleichen Menge an positiver und negativer
Ladung. Eine einzelne Lichtwellenlänge wird vom Photorezeptor
aufgenommen. Der Photorezeptor aktiviert eine Elektrode mit der
dazugehörigen Elektronik.
Die Elektronik produziert einen negativen Impuls gefolgt von einer
Zeitverzögerung,
gefolgt von einem positiven Impuls. Eine Nettoladung von Null wird
ins Auge durch die aus der Elektrode stammenden elektrischen Impulse
eingegeben. Die bevorzugte Zeitverzögerung befindet sich im Bereich
von 0,1 Millisekunden bis 10 Millisekunden, wobei die Zeitverzögerung von
2 Millisekunden am meisten bevorzugt wird. Wenn die Netzhautzelle
nicht elektrisch stimuliert wird, kehrt sie in einen Ruhe- und Erholungszustand
zurück.
Sie befindet sich dann, elektrisch, in einem Zustand, in dem sie
sich vor der Stimulation durch die erste elektrische Stimulation
befand.
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Beginnend
mit dem logarithmischen Verstärker
wandelt ein Bildgeber mit einem ersten Umwandler für das Bild
das Bild in elektrische Signale um. Die Signale werden, im Wesentlichen
logarithmisch, verstärkt,
um die Helligkeitskompression für
den Patienten bereitzustellen. Das verstärkte elektrische Signal wird
durch einen zweiten Umwandler in eine photonenbasierte Anzeigevorrichtung
umgewandelt; worin die Photonen der Anzeigevorrichtung durch eine
Pupille des Auges ins Auge eintreten.
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Die
Photonen (102), aus einer betrachteten Szene (nicht abgebildet),
treten in den logarithmischen Verstärker (1000) durch
die Linse (101) ein. Der Lichtverstärker (1000) verfügt über einen
Bildempfänger
(1), einen ersten Umwandler (103) des Bilds in
elektrische Signale, einen Verstärker
(2) der elektrischen Signale, womit die Gesamtverstärkung der
elektrischen Signale gemäß einer
bestimmten funktionalen Beziehung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal
vom Verstärker
erfolgt, einen zweiten Umwandler (107) des verstärkten elektrischen
Signals in eine photonenbasierte Anzeigevorrichtung (7),
so dass die Anzeigevorrichtungsphotonen (108) in ein Auge
(5) durch die Pupille (105) des Auges (5)
eintreten. In dem Fall ist der Bildgeber (1) vom Typ einer
Videokamera, der Bildempfänger
und die Umwandlung in elektrische Signale können in einer Einheit (Stand
der Technik) geschehen.
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Eine
Anzeigevorrichtung (7), die eine Quelle von Photonen ist,
wie etwa ein Laser (kohärente Lichtquelle)
(7), oder eine nicht kohärente Quelle, wie etwa Farb-LEDs
(7), oder eine Plasmaanzeigevorrichtung (7), wird
zum direkten Senden der Photonen zu einem Implantat nahe der Netzhaut
verwendet. In den vorliegenden Fällen
weist der Patient eine ausreichende Netzhautdegeneration auf, um
ohne die Hilfe einer Netzhautprothese nicht mehr sehen zu können. In
dem Fall wird, wenn die Anzeigevorrichtung (Photonenquelle) ein
Laser (7) ist, der Laser zur Abtastung über der implantierten Photodetektor-Elektronik-Elektroden-Anordnung
(2, (8)) in Übereinstimmung
mit der dem Auge angezeigten Szene eingesetzt. Ein Abtastlaser ist
ein Laser mit Abtastmitteln (Stand der Technik).
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Unter
Bezugnahme auf 2a wird das Videosignal (6)
an den Abtastlaser (7) angelegt, wobei ein Abtastlaser
ein Laser mit Abtastmitteln (Stand der Technik) ist. Die Abtastung
des Abtastlasers (7) über die
Netzhautprothese erfolgt, mit genauer Anpassung an die Prothese
(8), in einem quadratischen oder rechteckigen Muster oder
in einem Rastermuster. Das Videosignal (6) speist eine
Amplitude vom Datenprozessor (1, (2)),
und wenn gewünscht (siehe 1),
Farbinformationen der betrachteten Szene, von den einzelnen Farbverstärkern (3)
dem Laser (7) ein, wobei die Informationen zur Modulation des
Lasers verwendet werden.
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Der
Lichtverstärker
(1000) ist ein logarithmischer Verstärker. In einem anderen Modus,
nicht gemäß der Erfindung,
verstärkt
der Verstärker
gemäß einer
zur logarithmischen Funktion oder zu einer modifizierten logarithmischen
Funktion unterschiedlichen Funktion, beispielsweise einer algebraischen Funktion,
wie etwa einer durch die logarithmische Funktion multiplizierten
Polynomfunktion.
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Der
Bildgeber oder die Kameralinse wird schematisch als (101)
dargestellt. Das Signal wird als Ganzes am elektronischen Prozessor
(2) logarithmisch verstärkt
oder die einzelnen RGB-(rot, grün, blau)
oder RGBY-(rot, grün,
blau, gelb) Farbkomponenten werden einzeln logarithmisch verstärkt (3). Ein
anderer Farbkomponentenmix aus weißem Licht kann verwendet werden.
Die einzelne Verstärkung (3)
der separaten Farbkomponenten ermöglicht die relative Superverstärkung einer
Farbe, auf die die Photorezeptoren besonders empfindlich reagieren. Wenn
nur ein „Schwarz-Weiß-Kontrastbild" angezeigt wird,
wird der „weiße" Teil des Bildes
logarithmisch in die Farbe, also die Wellenlänge, übertragen, auf die die Photorezeptoren
besonders empfindlich reagieren. Dieses Merkmal umfasst die Verschiebung
der Wellenlänge
in Richtung des oder zum nächsten
Infrarot oder in Richtung des oder zum nächsten UV in Übereinstimmung
mit dem, was zur Optimierung der Reaktion der implantierten lichtempfindlichen
Elemente benötigt
wird. Folglich ist ein Mapping der eintretenden Bilddaten in eine
entsprechende Ausgabe möglich.
Dieses Mapping könnte komplex
sein, beispielsweise zur Erzeugung von Zweiphasen-Wellenformen,
wie in 4 dargestellt, durch genaue Zeitsteuerung von
zwei Lasern, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, und von lichtempfindlichen
Elementen, die nur auf diese Wellenlängen empfindlich reagieren.
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In
einem bevorzugten Modus werden einzelne RGB-(rot, grün, blau)
Farbkomponenten einzeln (3) oder gemeinsam (2)
verstärkt
und nach der Verstärkung
abgetrennt (3). Diese Farbkomponenten können zur Stimulation besonderer
lichtempfindlicher Elemente des Netzhautimplantats (der Netzhautimplantate)
verwendet werden. Beispielsweise eine Zelle („Blauempfindung"), die eine Empfindung
der blauen Farbe erzeugt, wird stimuliert, wenn die ins Auge übertragene
Szene blau enthält,
welches in der (ins Auge) projizierten Szene blau in der Nähe dieser Blauempfindungszelle
haben würde.
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Die
logarithmische Verstärkung
ist nötig,
um den Bereich der ursprünglichen
Helligkeit zu komprimieren. Das normale Auge führt dies automatisch durch
Reduzieren der Pupillengröße, Strabismus oder
Verwenden anderer elektrochemischer Zellenmechanismen durch. Dieser
Lichtverstärker
erzielt diese notwendige Aufgabe durch elektronische logarithmische
Lichtverstärkung.
Der Lichtverstärker
umfasst ebenfalls einen einstellbaren Wandler oder die Vergrößerung der
Bildgröße. Eine
Blende oder elektronisches Schalten des Abtastlasers auf Ein oder Aus
sind kein notwendiger Teil dieser Ausführungsform.
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In
der zweiten bevorzugten Ausführungsform des
Lichtverstärkers
werden zwei oder mehr Wellenlängen
verwendet, um Lichtenergie zum Auge zu kommunizieren, um eine ausgeglichene
Zweiphasen-Stimulation ohne Nettoladungsinjektion ins Auge zu ermöglichen.
Eine erste Wellenlänge
wird zur Stimulation eines ersten Satzes Photorezeptoren verwendet.
Diese Photorezeptoren sind so verbunden, dass die Stimulation der
befestigten oder verbundenen Elektroden zu einem negativen Impuls
führt.
Dieser negative Impuls stellt die Netzhautstimulation zur Verfügung. Dann
unterbricht die Blende und hält
die Lichtübertragung
zum Auge an. Die Zeit dieser Lichtunterbrechung befindet sich bevorzugt
im Bereich von 0,1 Millisekunden bis 10 Millisekunden, wobei die Zeitspanne
von 2 Millisekunden am meisten bevorzugt wird. Die Netzhautzelle
befindet sich in einem Ruhe- und Erholungszustand, so dass sie,
elektrisch, wieder zu dem Zustand zurückkehrt, in dem sie sich vor
der Stimulation durch die erste besondere Lichtwellenlänge befand.
Eine zweite Lichtwellenlänge
stimuliert dann einen zweiten Satz Photorezeptoren, welche auf diese
Lichtwellenlänge
empfindlich reagieren; während
der erste Satz Photorezeptoren nicht beeinträchtigt wird. Dieser zweite
Satz Photorezeptoren ist so verbunden, dass die Stimulation der befestigten
oder verbundenen Elektroden zu einem positiven Impuls führt. Die
in die Netzhautzellen eingeführte
Nettoladung muss ausgeglichen oder gleich der durch den negativen
Impuls eingeführten
Nettoladung sein. Wiederum kehren die Netzhautzellen in einen Ruhe-
und Erholungszustand zurück
und die Wiederholung des Vorgangs beginnt erneut.
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In
der zweiten bevorzugten Ausführungsform, 3a,
werden zwei Abtastlaser (9) und (10) mit Videosignalen
versorgt, wobei jeder Laser mit einer unterschiedlichen Wellenlänge arbeitet.
Vorteilhafterweise sind zwei oder mehr Photorezeptoren (13),
(14) auf dem Implantat vorhanden. Diese beiden Typen an
Photorezeptoren (13), (14) sind auf verschiedene
Lichtfrequenzen abgestimmt, wobei jede Frequenz eine der emittierenden
Frequenzen des externen Lasers (9), (10) ist. 3B stellt
zwei eintretende Lichtfrequenzen (301) und (302)
dar. Die Lichtquelle für
die Doppellichtfrequenzen (301), (302) ist eine
Einheit (304), die sich stromabwärts im Informationsfluss vom
Bildgeber (1 (101), (1),
(103)) und den Verstärkern
(1 (2), (3)) befindet. Das Endausgangssignal
aus den Verstärkungsschritten ist
elektrisch oder elektromagnetisch mit den Doppellichtfrequenzquellen
(304) verbunden, insbesondere mit Doppelabtastlasern, die
mit verschiedenen Wellenlängen
des Lichtausgangssignals arbeiten. Paare (303) verschiedener
Frequenz-(also Wellenlängen) Photorezeptoren
sind auf dem Auge-Implantat positioniert, wobei jedes Paar mit einer
Elektrode (nicht abgebildet) verbunden ist.
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Zusammen
führen
zwei Typen von Photorezeptoren (beispielsweise Photodioden) eine
Zunahme eines Zweiphasenstroms (4) an jeder
Elektrode (nicht abgebildet) herbei. Anfänglich tritt der Ruhezustand
(40) auf. Als Nächstes
wird einer der Photorezeptoren (13) durch seinen jeweiligen
Laser (9) aktiviert. Die Stromamplitude (41) ist
negativ. Nach einer Zeitspanne (42) werden der Laser (9)
und der Photorezeptor (13) hinuntergefahren und die Amplitude
kehrt auf Null zurück.
Als Nächstes
aktiviert der andere Laser (10) seinen (in Lichtwellenlänge) entsprechenden
Photorezeptor (14) und die Amplitude ist um ein Ausmaß (43)
und für
eine Dauer (44) positiv. Nominal in absoluten Werten ist
(41) = (43) und (42) = (44).
Wenn dies jedoch nicht exakt ist, dann können die Parameter (44)
und (43) so geändert
werden, dass (41)*(42) = (43)*(44)
ist, wobei * die Multiplikation anzeigt. Dies kann durch Messen von
(41) und (42) und dann durch Ändern von (43) und
(44) oder beiden erzielt werden, um das Ladungsgleichgewicht
zu halten.
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Eine
Blende (4) ist Teil der zweiten Ausführungsform. Die Blende (1 (4))
ist vom mechanischem Typ (Stand der Technik) oder als eine elektronische
Blende (4) (Stand der Technik oder eine elektrooptische
Blende (4) (Stand der Technik) ausgebildet. Die Blende
(4) trennt das Licht vom logarithmischen Lichtverstärker (1000)
zur Pupille (105) des Auges (5). Dies führt zu einer
Abnahme der Gesamtzeit des Auftreffens von Licht auf den Photorezeptoren
(3a (13), (14)), (3b,
(303). Folglich nimmt die Zeitspanne, in der die bipolaren
oder ähnlichen
Zellen stimuliert werden, ab. Da das Auge nicht so funktioniert,
wie ursprünglich
beabsichtigt, wird vermutet, dass die bipolaren oder ähnlichen
Zellen diese „Stillstandszeit" benötigen, um
ordnungsgemäß zu funktionieren.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist die Verwendung von zwei oder mehr Wellenlängen, um
eine ausgeglichene Zweiphasenstimulation ohne Nettoladungsinjektion
ins Auge zu ermöglichen.
Solange ein Zweiphasentyp elektrischer Stimulation, mit gleichen Mengen
an positiver und negativer Ladung in Form von Ionenträgern oder
Elektronen oder anderen Ladungsträgern, in die Glasflüssigkeit
des Auges eintreten, ist die elektrische Wirkung auf das Auge nicht schädlich. Wenn
Gleichstrom ins Auge, ins Innere, zugeführt wird, hat dies ein Ladungsungleichgewicht zur
Folge. Dieser Ladungsüberschuss
hat sich als schädlich
für die
Zellen herausgestellt. Daher kann Gleichstrom die bipolaren und
anderen Zellen schädigen.
Vorteilhafterweise tendiert die elektrische Zweiphasenstimulation
dazu, diese Schädigungen der
Zellen zu verhindern, da sich kein Ladungsüberschuss ansammelt.
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Eine
dritte Ausführungsform,
die sozusagen eine Kombination aus erster und zweiter Ausführungsform
ist, verwendet zwei unterschiedliche Wellenlängen und zwei verschiedene
Diodentypen, wobei jede auf eine entsprechende Wellenlänge responsiv
ist. In dieser Ausführungsform
wird eine Wellenlänge
verwendet, um eine hohe konstante Lichtintensität einzupumpen, um die Elektronikkomponente
mit Leistung zu versorgen. Die andere Wellenlänge wird verwendet, um Informationen
mittels Amplitude, Frequenz, Phase, Pulsbreitenmodulation oder Kombinationen
derselben hineinzusenden. Der Stimulationsimpuls von der Elektronik
zur Elektrode zur Netzhautzelle wird in einer ähnlichen Weise wie die in der
ersten Ausführungsform
erzeugten Impulse, mit einer einzelnen Wellenlänge, erstellt.
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Die
dritte Ausführungsform
verwendet zwei verschiedene Wellenlängen und zwei verschiedene Diodentypen,
wobei jeder auf eine entsprechende Wellenlänge responsiv ist. (Siehe 3b (301), (302).)
In dieser Ausführungsform
wird eine Wellenlänge
(5 (501)) verwendet, um eine hohe konstante
Lichtintensität
einzupumpen, um die Elektronikkomponente (502) mit Leistung
zu versorgen. Die andere Wellenlänge
(503) wird verwendet, um Informationen mittels Amplitude,
Frequenz, Phase, Pulsbreitenmodulation oder Kombinationen derselben
in die Elektronikkomponente (502) hineinzusenden. Der Stimulationsimpuls
von der Elektronik (502) zur Elekt rode (504) zur
Netzhautzelle wird in einer ähnlichen
Weise wie die in der ersten Ausführungsform erzeugten
Impulse, mit einer einzelnen Wellenlänge, erstellt.
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Siehe 6. 6 fasst
im Blockformat die vorhergehenden drei Ausführungsformen zusammen. In der
ersten Ausführungsform
ist ein Einzel-Wellenlängen-(601)
Eingang zu einer einzelnen Diode (602) mit Elektronik (603)
und einer Elektrode (604) vorhanden. Ein nach der Absorption
der Photonen durch den Photorezeptor auftretendes Gleichstromsignal
wird entweder durch digitale oder analoge Mittel (Stand der Technik)
durch die Elektronik zu einem Signal (600) des in 4 dargestellten
Typs an der Elektrode umgewandelt. In der zweiten Ausführungsform
für zwei
verschiedene Wellenlängen (610),
(611), die beide Leistung und Informationen übertragen,
die auf zwei verschiedene Photorezeptoren (612), (613)
auftreffen, erzeugt die Elektronik (6033), digital oder
analog, wieder die Wellenform (600) von 4 an
der Elektrode (604). In der dritten Ausführungsform
wird für
zwei verschiedene Photorezeptoren (620), (621),
wobei die erste eine Dauerleistungswellenlänge (622) und die
zweite eine Signalwellenlänge
(623) empfängt,
von der Elektronik (6034), digital oder analog, das Signal
(600) von 4 an der Elektrode (64)
erzeugt. Der elektronische Schaltkreis von (603), (6033)
und (6034) kann unterschiedlich sein.
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Eine
vierte Ausführungsform
ist jene des logarithmischen Lichtverstärkers (1000) selbst
ohne speziell implantierbare Photorezeptoren. Diese letzte Ausführungsform
kann eine geringe Einschaltdauer benötigen, wenn sie mit Photorezeptoren
(8 (81)) verwendet wird, die mit einer
Elektrode (82) ohne jegliche Elektronik verbunden sind.
Sie stützt sich
in ausreichender Weise auf die Eigenkapazität einer oxidierbaren Elektrode,
welche die Kapazität mit
dem Aufbau einer isolierenden oxidierten Schicht in Richtung des
ionisierbaren Fluids erreicht, das sich im Auge als glasartiges
Fluid oder als direkt mit dem Auge verbundenes Fluid befindet.
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In
einem ersten Satz der Ausführungsformen stellt
die Hinzufügung
einer Blende (1 (4)) mit einer Ausschaltzeit
von 0,5 ms bis 10 ms, vorzugsweise 2 ms, einen Mechanismus zur Bereitstellung
dieser Ausschaltzeit (4 (47), (48))
bereit. In ei nern zweiten Satz Ausführungsformen kann das Eingeschaltetsein
jedes Lasers durch elektronische Mittel (Stand der Technik) im Inneren
des Lasers gesteuert werden, um gleiche positive und negative Impulse bereitzustellen,
also gleich in Bezug auf die gesamte in eine Netzhautzelle eingeführte Größenladung.
Der erste und zweite Satz Ausführungsformen
können komplett
oder teilweise übereinstimmen.
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Ein
weiterer Aspekt aller Ausführungsformen ist
der Einbau sowohl optischer als auch elektronischer Vergrößerung des
Bilds, wie beispielsweise der Einbau eines optischen Zoomobjektivs
sowie elektronischer Vergrößerung.
Optische Vergrößerung des
Bilds (siehe 1) wird durch die Verwendung
eines Zoomobjektivs für
die Kameralinse (101) erzielt. Elektronische Vergrößerung wird
elektronisch in einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit (2) oder
(3) erzielt. Folglich ist die Fokussierung auf Elemente
von besonderem Interesse oder Bedarf möglich.
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Mit
der entsprechenden Anpassung erhalten geeignete Schwellenamplituden
des Helligkeitseindrucks auch angenehme Maximalschwellenwerte des
Helligkeitseindrucks. Daher ist, um diesen anzupassen, ein sechster
Anpassungsaspekt in jeder Ausführungsform
eingebaut, so dass die geeignete Anpassung für die Schwellenamplituden und
die angenehmen Maximalschwellenwerte durchgeführt wird.
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Damit
das Sehen von Farben, bis zu einem gewissen Grad, ermöglicht wird,
wird ein weiterer Aspekt eingebaut. Bis zu dem Umfang, dass einzelne Stimulationsstellen
(also bipolare Zellen) verschiedene Farbwahrnehmungen nach der Stimulation
ausgeben, ist die Farbe der ausgewählten Pixel der betrachteten
Szene in Wechselbeziehung mit einer spezifischen Photorezeptor-Elektronik-Elektrodeneinheit,
die so positioniert ist, dass ein spezifischer Typ einer bipolaren
Zelle zur Bereitstellung der Farbenwahrnehmung elektrisch stimuliert
wird.
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Damit
die Implementierung dieser letzten beiden Aspekte der bevorzugten
Ausführungsformen dieser
Erfindung, wahrnehmbare Helligkeitssteuerung und Vorhandensein erkennbarer
Farbe, unterstützt
wird, ist im logarithmischen Lichtverstärker selbst auch eine Datenverarbeitungseinheit
eingebaut, die elektrische Impulse verschiede ner Amplituden und/oder
Frequenzen und/oder Phasen und/oder Pulsbreiten durch die verschiedenen
Photodetektor-Elektroden und Raumkombinationen derselben durchläuft, und
den Patienten befragt, der dann die Antworten liefert, wodurch der
Helligkeitseindruck und der Farbeindruck eingestellt werden. Ein
anderer Aspekt der Ausführungsform
verwendet einen Einschub im Zusatzdatenprozessor (7 (71))
mit Anzeigevorrichtung (72) und Dateneingabevorrichtung(en),
wie etwa Tastatur (73), Maus (74) oder Joystick
(75). 7 stellt eine Einschubeinheit (71)
dar, die in den logarithmischen Lichtverstärker (1000) eingesteckt
(76) wird, um zusätzliches
Datenverarbeitungsvermögen
sowie erweitertes Dateneingabe- und Datenanzeigevermögen bereitzustellen.
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Damit
der Abtastlaser die Prothesenphotorezeptoren des Netzhautimplantats
korrekt abtastet, ist es hilfreich, wenn eine gewisse Rückkopplung
dafür bereitgestellt
ist. Ein Aspekt der verschiedenen Ausführungsformen ist das Vorhandensein
eines Rückkopplungskreises
unter Verwendung einer gewissen Menge an reflektiertem Licht vom
Abtastlaser selbst. Ein Aspekt des Rückkopplungskreises ist die
Verwendung von Bereichen mit unterschiedlichem Reflektionsvermögen auf
der Oberfläche
des Netzhautimplantats, welches die Positionierung oder relative Positionierung
des zu bestimmenden Abtastlaserlichtstrahls ermöglicht.
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Eine
Abtastlaserrückkopplung
wird in den verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung bereitgestellt. Eine Bilderzeugung (9a)
des Netzhautimplantats von dem reflektierten (92) eintretenden
Abtastlaserstrahl (91), siehe 9a, (1 und 2a (7)),
(3a (9), (10)), der vom Netzhautimplantat
(9 (8)) zurückreflektiert
wird, kann verwendet werden, um Echtzeit-Rückkopplungsinformationen bereitzustellen,
wobei ein zweiter Bildgeber (93), der ins Auge (5)
sieht, und eine Datenverarbeitungseinheit (94) verwendet
wird, die in die Abtaststeuereinheit (95) des Abtastlasers
eingebunden ist.
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Ein
anderer Aspekt der Ausführungsformen (9b)
verwendet mehrere Reflektionsbezugs- oder Lichtabsorptionspunkte
(96) und/oder Linien (97) auf dem Netzhautimplantat
(8), so dass die Frequenz- und Signalmuster, im Allgemeinen
(98), (99), (100) des hohen Reflektionsvermögens aus
diesen reflektiven oder absorptiven Linien/Punkten für ein gegebenes
Verhältnis
des Abtastens durch den Abtastlaser (7) verwendet werden
kann, um die Abtastrichtung von den verschiedenen Frequenzmustern zu
korrigieren, von denen einige das korrekte Abtasten und andere das
unkorrekte Abtasten anzeigen.
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Während die
hierin offenbarte Erfindung anhand von spezifischen Ausführungsformen
und Anwendungen derselben beschrieben wurde, können zahlreiche Modifikationen
und Änderungen
von Fachleuten auf dem Gebiet an dieser vorgenommen werden, ohne
vom Schutzumfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.