WO2005000395A1 - Aktives retina-implantat mit einer vielzahl von bildelementen - Google Patents

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WO2005000395A1
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stimulation
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image
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Heinz Gerhard Graf
Alexander Dollberg
Bernd HÖFFLINGEN
Wilfried Nisch
Hugo Hämmerle
Alfred Stett
Martin Stelzle
Eberhart Zrenner
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Eberhard-Karls-Universität Tübingen Universitätsklinikum
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    • A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
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    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
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    • A61N1/0526—Head electrodes
    • A61N1/0543—Retinal electrodes

Definitions

  • the present invention relates to an active retina implant with a plurality of picture elements which convert incident light into electrical stimulation signals for cells of the retina to be contacted via stimulation electrodes, each picture element at least one picture cell which converts the incident light into electrical signals, and at least one amplifier has whose input is connected to the image cell and whose output is connected to at least one stimulation electrode to which it supplies a stimulation signal, and to an energy supply which provides externally coupled external energy as a supply voltage for the image cells and the amplifiers.
  • Such a retina implant is known for example from DE 197 05 988 AI.
  • Such a retina implant is known for example from DE 197 05 988 AI.
  • the known retina implant is used to counteract loss of vision due to retina degeneration.
  • the basic idea is to implant a microelectronic stimulation chip in the area of the degenerated retina, which is intended to replace the function of, for example, degenerate photoreceptors.
  • the stimulation chip has a large number of picture elements which, depending on the incident visible light, generate electrical impulses in the area of the retina and thereby stimulate cells in the retina.
  • the retina implant can be placed on the retina as an epiretinal implant, or else it can be inserted in or under the retina as a so-called subretinal implant.
  • a subretinal implant is known for example from EP 0 460 320 A2. With this implant, the incident ambient light should be sufficient to generate the necessary stimuli for the cells in the retina. With regard to the exact placement of a subretinal retina implant, reference is made to this document.
  • a subretinal implant which is provided with a photovoltaic layer which is effective for invisible electromagnetic radiation, the stimulation signals being switched locally using the voltage generated by the photovoltaic layer.
  • the idea lies with the well-known implant Reason, with the help of electromagnetic radiation from the invisible spectral range, namely infrared radiation, to provide external energy for the stimulation chip.
  • the photovoltaic layer acts like a kind of amplifier for the signals generated by the incident visible light. As a result, sufficiently strong stimulation signals can be generated even in poor light conditions in the visible spectral range.
  • DE 199 21 399 AI describes a retina implant in which at least one image element is provided which acts as a reference element, the amplifier forming the difference between the output signals of the reference element and the image cell, which detects the local brightness.
  • the stimulation signal generated in this way should be adapted to the ambient brightness.
  • the article Stelzle et al deals with the problem of the transmission of stimulation signals via the stimulation electrodes to cells of the retina to be contacted: "Electrical Properties of Micro-Photodiode Arrays for Use as Artificial Retina Implant", Bio edical Micro Devices 3: 2, 133 - 142, 2001.
  • the authors report that the coupling between the stimulation electrode and the tissue is capacitive in nature, so that only transient signals are used for the stimulation can. This capacitive coupling is based on the fact that a capacitance (Helmholz double layer) forms at the interface between the electrode and the electrolyte in the eye as a result of the electrode polarization.
  • a capacitance Helmholz double layer
  • the present invention is based on the object of further developing the active retina implant mentioned at the outset using simple circuitry means in such a way that an effective conversion of the incident light into the stimulation signals is achieved, and thus also an effective excitation of the cells in the retina is possible with different ambient lighting.
  • this object is achieved according to the invention on the one hand in that the image cell has a logarithmic characteristic curve, according to which incident light of a certain intensity is converted into electrical signals of a certain amplitude.
  • the object underlying the invention is completely achieved in this way.
  • the logarithmic image cell which as such has been known for many years from 'DE 42 09 536 AI, has a logarithmic amplifier behavior which, according to the inventors' knowledge, is similar to the light sensitivity of the eye and can therefore be used particularly efficiently as an image cell. In this way, a large brightness range can be converted into stimulation signals even without a reference element and reference amplifier, so that vision with sufficient contrast is possible both with low and high ambient lighting.
  • the object is achieved in the retina implant mentioned at the outset in that the stimulation signal is supplied in the form of analog voltage pulses of a certain pulse length and pulse spacing, the amplitude of which depends on the intensity of the incident light.
  • the two measures ie the image cell with the logarithmic characteristic and the voltage control, are used together.
  • the density of the picture elements and thus the stimulation electrodes can be increased significantly, so that overall a better local resolution is achieved than is possible with the complex circuits from the prior art. This higher density leads to more effective stimulation of the cells in the retina, since the local relationship between the number of stimulation electrodes and the number of cells to be stimulated increases.
  • the output of the amplifier is connected to a controllable discharge circuit.
  • An electrode polarization that builds up can be systematically broken down again via this discharge circuit, so that the charge and thus the voltage in the interfacial capacitance are prevented from increasing more and more, which in turn would lead to the stimulation signal becoming increasingly poor on the cells in the retina could be transferred.
  • the pulse length and pulse interval are determined via the externally coupled external energy. This measure has the advantage that the pulse length and pulse spacing, ie pulse rate, do not have to be generated by mechanically chopping the visible useful light as in the prior art or by means of frequency generators to be provided on the retina implant. The circuitry complexity of the retinal implant is also kept significantly low in this way.
  • pulse length and pulse interval can be individually adjusted to the physiological conditions of the patient after the retinal implant is inserted. It is also possible to change the pulse length and pulse interval depending on the respective lighting conditions. In other words, this measure also controls the functioning of the implant via the external energy supply.
  • the external energy supply can be, for example, coupled IR light or inductively coupled energy, for example in the HF range.
  • the discharge circuit is activated at the end of a voltage pulse in such a way that the output of the amplifier is connected to a discharge potential.
  • the advantage here is that the electrode polarization is automatically returned at the end of each stimulating voltage pulse, since the capacitance between the stimulation electrode and the surrounding tissue is discharged.
  • Each new voltage pulse thus encounters a completely discharged capacitor, so that a high stimulus at the beginning of the voltage pulse tion current through the capacitor into the tissue and to the cells of the retina. This current decreases over time due to the voltage building up in the interface capacitor.
  • the output of the amplifier is then connected to the discharge potential, which is usually the electrical mass of the Retina-I planet. This results in a large discharge current that completely discharges the boundary layer capacity again.
  • the pulse interval is preferably 50 ms, because a repetition frequency of 20 Hz has been found to be sufficient for flicker-free vision. This pulse interval is also sufficient to completely return the electrode polarization.
  • the image cells are supplied with a first voltage which is different from a second voltage with which the amplifiers are supplied, the second voltage preferably being switched on with the pulse length and the pulse spacing.
  • the advantage here is that the image cells are continuously supplied with the first voltage, for example, so that the electrical signals of the image cells are constantly available and no transient processes have to be waited for.
  • the amplifiers are supplied with the second voltage, which is switched on with the pulse length and the pulse interval. In this way, the electrical signals of the picture cells are converted into the voltage pulses via the clocked amplifier.
  • this is particularly simple because it is not necessary to connect an additional clock stage to the output of the amplifier; rather, the amplifier is switched on and then off again in time with the voltage pulses. Since the switching on and off of the second voltage over time is derived from the externally coupled external energy, the advantage already mentioned above results, namely that the retina implant can be controlled via the external energy.
  • the discharge circuit is connected to a third voltage which is derived from the second voltage.
  • the advantage here is that when the second voltage is switched off, the third voltage is generated, which activates the discharge circuit.
  • this type of control of the retina implant offers the advantage that all switching processes in the implant are controlled via a corresponding modulation of the externally coupled external energy, timing elements or frequency generator. Ren are not required in the implant itself for these purposes.
  • the implant described so far is very simple in terms of circuitry, so that a high density of the individual elements and thus also of the stimulation electrodes can be achieved. This high density enables good locally resolved stimulation of cells in the retina, and because of the pulsed excitation and the complete return of the electrode polarization, an effective stimulation of the cells is possible. Due to the logarithmic characteristic, the new retina implant can also cover many powers of ten in terms of image brightness.
  • each picture element has a logarithmic picture cell for local picture brightness and each picture element is assigned at least one logarithmic picture cell for global brightness, the amplifier preferably being designed as a differential amplifier, one input of which is connected to the picture cell of local picture brightness and the other of which connected to the global brightness image cell.
  • the present invention also relates to the use of an image cell with a logarithmic characteristic for an image element of an active retina implant, which has a multiplicity of image elements which convert incident light into electrical stimulation signals for cells of the retina to be contacted via stimulation electrodes.
  • Figure 1 is a schematic representation of the new retinal implant in a representation not to scale
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a human eye with a retina implant inserted, likewise not to scale; 3 shows the basic circuit diagram of the voltage supply for the retina implant from FIG. 1;
  • FIG. 5 shows the basic circuit diagram of an image cell for the stimulation chip of the retina implant from FIG. 1;
  • FIG. 6 shows the voltage and current profiles in the picture element from FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a more detailed illustration of the structure of the image cell from FIG. 5.
  • An active retinal implant 10 is shown schematically in FIG. 1, the dimensions not being shown to scale.
  • the retina implant 10 is formed on a flexible film 11 on which a stimulation chip 12 and an energy supply 14 are arranged.
  • the energy supply 14 comprises an IR receiver 15, which contains one or more photovoltaic elements 16, which convert incident IR light into electrical voltage. The external energy thus coupled in is transferred to a voltage supply 17.
  • the stimulation chip 12 comprises, for example, picture elements 18 arranged in rows and columns, of which the one in FIG For the sake of clarity, only four are shown.
  • Each picture element 18 comprises a logarithmic picture cell 19 for local picture brightness as well as an amplifier 21 which is connected at its output to a stimulation electrode 22.
  • an image cell 23 for global brightness is provided on the stimulation chip 12, which is connected to the amplifiers 21 of all the picture elements 18 on the stimulation chip 12. It goes without saying that the stimulation chip 12 can comprise a plurality of global image cells 23, or else only a single one of them.
  • the voltage supply 17 has a storage element 24 in which the external energy received by the IR receiver 15 is stored.
  • the memory element 24 is connected to a circuit part 25 which generates two different voltage supplies V c ⁇ l and V cc2 in a manner to be described in more detail.
  • the voltage supply 17, the IR receiver 15 and the stimulation chip 12 are connected to one another via lines 26 and 27.
  • the retina implant 10 from FIG. 1 is intended to be implanted in a human eye 31, which is shown very schematically in FIG. 2. For the sake of simplicity, only the lens 32 and the retina 33, into which the implant 10 has been implanted, are shown.
  • the implant 10 is preferably introduced into the so-called subretinal space that forms between the pigment epithelium and the photoreceptor layer. If the photoreceptor layer is degenerate or lost, the subretinal space is formed between the pigment epithelium and the layer of the bipolar and horizontal cells.
  • the retina implant 10 is placed so that the in 1 stimulation electrodes 22 stimulation signals can be exerted on cells in the retina 33.
  • Visible light indicated by an arrow 34 is directed via the lens 32 to the stimulation chip 12, where the visible light 34 is converted into electrical signals which are converted into stimulation signals via the amplifiers 21 from FIG. 1 become.
  • the IR receiver 15 lies outside the area of incidence of the visible light 34.
  • External energy 36 is directed onto the IR receiver 15 in the form of rays of IR light 37, which is converted in the IR receiver into an electrical voltage, which first reaches the voltage supply 17 via the lines 26, from where corresponding supply voltages result be generated.
  • These supply voltages then reach the stimulation chip 12 via the lines 26 and 27, where they are used to convert the incident, visible light 34 into stimulation signals in a manner to be described in more detail below.
  • the spatial separation of stimulation chip 12 and IR receiver 15 results in spatial decoupling, so that the undesired impairment of the image cells in the stimulation chip 12 by the IR light 37 is kept low.
  • the voltage supply 17 comprises a DC-DC converter, which is connected at its input 42 to the storage element 24.
  • This storage element 24 is connected via the lines 26 shown in broken lines to the photovoltaic element 16, which generates an electrical voltage from the IR light 37 and is stored as a charge in the storage element 24. From this charge, which represents a DC voltage, the DC-DC converter 41 generates a further DC voltage V ccl at its output 43, as is known per se for DC-DC converters.
  • the output 43 of the DC-DC converter 41 is also connected to an electronic switch 44, which is closed and opened via an inverter 45.
  • the inverter 45 is connected at its input to an RC element 47 and also to the photovoltaic elements 16 via the lines 26 shown in broken lines.
  • the electronic switch 44 outputs a voltage V cc2 , which is pulsed, as will now be explained with reference to FIG. 4.
  • the IR light 37 modulated in this way can either be completely switched off during the time period t x or can only be reduced to a lower intensity value.
  • the modulated IR light 37 reaches the inverter 45, the output 49 of which is at an L signal, as long as the IR light 37 is at intensity A x .
  • the electronic switch 44 is open, so that the supply voltage V co2 is at 0 V.
  • the input 46 of the inverter 45 goes low, which means that its output 49 goes high and the electronic switch 44 closes.
  • the supply voltage V cc2 thus goes, for example, to the same value as the supply voltage V ccl .
  • the output 48 of the electronic switch 44 thus supplies voltage pulses 50 with a pulse length t ⁇ and a pulse interval t 2 .
  • the picture element 18 comprises a differential amplifier 51, which is connected at its inverting input 52 to the picture cell 19 for local picture brightness.
  • the differential amplifier 51 is connected to the image cell 23 for global brightness at its non-inverting input 53.
  • the differential amplifier 51 is connected to the stimulation electrode 22 at its output 54.
  • the output 54 is connected to an electronic switch 55, which is controlled via an inverter 56, which supplies the inverted signal of the supply voltage V cc2 at its output as a third voltage 57.
  • the image cells 19 and 23 and the inverter 56 are supplied with energy via the supply voltage V col .
  • the amplifier 51 is supplied with energy via the supply voltage V CC2 .
  • V D represents the difference between the output signals of the picture cells 19 and 23.
  • the differential amplifier 51 itself is supplied with energy only for the time period t x during the time period t 2 , so that it outputs a stimulation signal U s at its output 54 only during the on time of the voltage pulses 50 from FIG. 4. This relationship is shown in FIG. 6.
  • the inverter 56 goes high at its output and closes the electronic switch 55, which in this way connects the output 54 to electrical ground.
  • a Helmholz double layer is formed on the stimulation electrode 22, which ensures capacitive coupling of the stimulation electrode 22 to the surrounding tissue in the retina. This capacitive coupling is indicated in FIG. 5 by a coupling capacitor 58, which is likewise connected to electrical ground via a resistor 59, which represents the stimulated tissue / cells.
  • the strength of the stimulation current I s now decreases exponentially since the coupling capacitor 58 is charging, which is also referred to as electrode polarization.
  • the voltage pulse 50 switches off again, which means that the supply voltage V oc2 of the amplifier 51 is switched off.
  • the electronic switch 55 switches the output 54 to the electrical ground, so that the electronic switch 55 acts as a discharge circuit 60.
  • the charge stored in the coupling capacitor 58 is now discharged via the electronic switch 55, which is noticeable by a negative stimulation current I s ; see the jump in the time profile 61 of the stimulation current in FIG. 6 at the bottom.
  • the pulse length t x is 500 ⁇ s and the pulse interval t 2 is 20 ms.
  • Each image cell 19 has a photodiode 62 which is operated in the reverse direction.
  • the image cell 19 also has an nMOS transistor 63, the gate electrode 64 of which, when connected to the drain electrode 65, is at V o ⁇ l .
  • the nMOS transistor 63 is connected to the cathode of the photodiode 62, the anode of which lies on the electronic ground.
  • the nMOS transistor 63 is operated below the threshold value, so that the voltage drop across the nMOS transistor 63 depends exponentially on the photocurrent I photo , the strength of which is in turn determined by the intensity of the visible light 34 that is incident on the photodiode 62 falls.
  • This interconnection means that the output voltage V out of the image cell 19 from FIG. 7 logarithmically depends on the intensity of the light 34, as is shown by the characteristic curve 67 in FIG. 8.
  • a circuit comparable to the image cell 19 from FIG. 7 is used as the image cell 23 for global brightness.
  • the difference voltage V D in FIG. 5 thus represents the difference between the logarithm of the local and the global image brightness. Since the global image brightness is determined by the average brightness, which is a multiplicative variable in the local brightness, the average brightness can be eliminated as an additive variable by the difference between the logarithm of the local and the logarithm of the global brightness.
  • the respective image element 18 enhances the contrast, so that a high dynamic range is ensured and the retina implant can adapt to different ambient lighting.

Abstract

Ein aktives Retina-Implantat (10) enthält eine Vielzahl von Bildelementen (18), die einfallendes Licht in elektrische Stimulationssignale für über Stimulationselektroden zu kontaktierende Zellen der Retina umwandeln. Jedes Bildelement (18) ist mit zumindest eine Bildzelle (19) versehen, die einfallendes Licht in elektrische Signale umwandelt, wobei ferner zumindest ein Verstärker vorgesehen ist, dessen Eingang mit der Bildzelle (19) und dessen Ausgang mit zumindest einer Stimulationselektrode (22) verbunden ist, an die er ein Stimulationssignal liefert. Ferner ist eine Energieversorgung (14) vorgesehen, die extern eingekoppelte Fremdenergie als Versorgungsspannung (Vccl, Vcc2) für die Bildzellen (19) und die Verstärker bereitstellt. Die Bildzelle (19) hat in einer Ausgestaltung eine logarithmische Kennlinie, nach der einfallendes Licht bestimmter Intensität in elektrische Signale bestimmter Amplitude umgewandelt wird. In einer anderen Ausgestaltung wird das Stimulationssignal in Form von analogen Spannungspulsen bestimmter Pulslänge und Pulsabstände geliefert, deren Amplitude von der Intensität des einfallenden Lichtes abhängt.

Description

Aktives Retina-Implantat mit einer Vielzahl von Bildelementen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Retina-Implantat mit einer Vielzahl von Bildelementen, die einfallendes Licht in elektrische Stimulationssignale für über Stimulationselektroden zu kontaktierende Zellen der Retina umwandeln, wobei jedes Bildelement zumindest eine Bildzelle, die einfallendes Licht in elektrische Signale umwandelt, sowie zumindest einen Verstärker aufweist, dessen Eingang mit der Bildzelle und dessen Ausgang mit zumindest einer Stimulationselektrode verbunden ist, an die er ein Stimulationssignal liefert, und mit einer Energieversorgung, die extern angekoppelte Fremdenergie als Versorgungsspannung für die Bildzellen und die Verstärker bereitstellt.
Ein derartiges Retina-Implantat ist beispielsweise aus der DE 197 05 988 AI bekannt. Ein derartiges Retina-Implantat ist beispielsweise aus der DE 197 05 988 AI bekannt.
Das bekannte Retina-Implantat dient dazu, einem Verlust des Sehvermögens auf Grund von Retina-Degenerationen entgegenzuwirken. Grundgedanke ist es dabei, einem Patienten einen mikroelektronischen Stimulationschip im Bereich der degenerierten Retina zu implantieren, der die Funktion beispielsweise von degenerierten Fotorezeptoren ersetzen soll. Der Stimulationschip besitzt eine Vielzahl von Bildelementen, die in Abhängigkeit von dem einfallenden sichtbaren Licht elektrische Impulse im Bereich der Retina erzeugen und dabei Zellen in der Retina stimulieren.
Das Retina-Implantat kann als epiretinales Implantat auf die Retina aufgesetzt sein, oder aber es kann in bzw. unter der Retina als so genanntes subretinales Implantat eingesetzt sein.
Ein subretinales Implantat ist beispielsweise aus der EP 0 460 320 A2 bekannt. Bei diesem Implantat soll das auftreffende Umgebungslicht ausreichen soll, um die erforderlichen Stimuli für die Zellen in der Retina zu erzeugen. Bezüglich der genauen Platzierung eines subretinalen Retina-Implantates wird auf dieses Dokument verwiesen.
In der eingangs genannten DE 197 05 988 AI ist ein subretinales Implantat beschrieben, das mit einer für nicht-sichtbare elektromagnetische Strahlung wirksamen, fotovoltaischen Schicht versehen ist, wobei die Stimulationssignale unter Ausnutzung der von der fotovoltaischen Schicht erzeugten Spannung lokal geschaltet werden. Dem bekannten Implantat liegt die Idee zu Grunde, mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung aus dem nicht-sichtbaren Spektralbereich, nämlich Infrarotstrahlung, eine Fremdenergie für den Stimulationschip bereitzustellen. Die fotovoltaische Schicht wirkt dabei wie eine Art Verstärker für die durch das einfallende sichtbare Licht erzeugten Signale. In Folge dessen können auch bei schwachen Lichtverhältnissen im sichtbaren Spektralbereich hinreichend starke Stimulationssignale erzeugt werden.
Bei dem bekannten Retina-Implantat ergibt sich jedoch das Problem, das einfallende sichtbare Licht über einen großen Intensitätsbereich, der bei natürlichen Lichtverhältnissen mehrere Zehnerpotenzen umfasst, in entsprechende elektrische Stimulationssignale umzusetzen.
Vor diesem Hintergrund beschreibt die DE 199 21 399 AI ein Retina-Implantat, bei dem mindestens ein Bildelement vorgesehen ist, das als Referenzelement wirkt, wobei der Verstärker die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Referenzelementes und der Bildzelle bildet, die die lokale Helligkeit erfasst. Auf diese Weise soll das so erzeugte Stimulationssignal an die Umgebungshelligkeit angepasst werden.
Mit der Problematik der Übertragung von Stimulationssignalen über die Stimulationselektroden auf zu kontaktierende Zellen der Retina beschäftigt sich der Artikel Stelzle et al.: "Electrical Properties of Miσro-Photodiode Arrays for Use as Artificial Retina Implant" , Bio edical Micro Devices 3:2, 133- 142, 2001. Die Autoren berichten, dass die Kopplung zwischen der Stimulationselektrode und dem Gewebe kapazitiver Natur ist, so dass zur Stimulation nur transiente Signale verwendet werden können. Diese kapazitive Kopplung beruht darauf, dass sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt im Auge eine Kapazität (Helmholz-Doppelschicht) in Folge der Elektrodenpolarisation ausbildet. Die Autoren zeigen für ein passives Implantat, also ein Implantat, wie es in der eingangs erwähnten EP 0 460 320 A2 beschrieben ist, dass ein Pulsen des sichtbaren Nutzlichtes zu einem Grenzzyklus führt, bei dem ein ausgeglichener Ladungstransport in die Kapazität hinein und aus dieser wieder heraus erfolgt. Um die mit dem passiven Implantat verbundenen Probleme zu lösen, schlagen die Autoren vor, Lichtpulse mit einer bestimmten Pulsrate zu verwenden. Ferner wird als wünschenswert angesprochen, eine externe Energieversorgung zu verwenden, um den Stimulationsström zu erzeugen. Weiter empfehlen sie die Verwendung einer aktiven Stromsenke, um die mittlere Elektrodenpolarisation zu verringern. Allerdings erwähnen sie, dass wegen der gepulsten Anregung eine vollständige Entladung der Elektrodenkapazität wohl nicht erreichbar ist.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, das eingangs erwähnte, aktive Retina- Implantat mit schaltungstechnisch einfachen Mitteln derart weiterzubilden, dass eine effektive Umsetzung des einfallenden Lichtes in die StimulationsSignale erreicht wird, damit eine effektive Anregung der Zellen in der Retina auch bei unterschiedlicher Umgebungsbeleuchtung möglich wird.
Bei dem eingangs genannten Retina-Implantat wird diese Aufgabe erfindungsgemäß einerseits dadurch gelöst, dass die Bildzelle eine logarithmische Kennlinie aufweist, nach der einfallendes Licht bestimmter Intensität in elektrische Signale bestimmter Amplitude umgewandelt wird. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die logarith isσhe Bildzelle, die als solche bspw. aus der' DE 42 09 536 AI seit vielen Jahren bekannt ist, hat ein logarithmisches Verstärkerverhalten, das nach Erkenntnis der Erfinder der Lichtempfindlichkeit des Auges ähnlich ist und daher besonders effizient als Bildzelle verwendet werden kann. Auf diese Weise kann auch ohne Referenzelement und Referenzverstärker ein großer Helligkeitsbereich in Stimulationssignale umgewandelt werden, so dass sowohl bei geringer als auch bei hoher Umgebungsbeleuchtung Sehen mit hinreichendem Kontrast möglich ist.
Andererseits wird die Aufgabe bei dem eingangs genannten Retina-Implantat dadurch gelöst, dass das Stimulationssignal in Form von analogen Spannungspulsen bestimmter Pulslänge und Pulsabstände geliefert wird, deren Amplitude von der Intensität des einfallenden Lichtes abhängt.
Auch auf diese Weise wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe vollkommen gelöst.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, dass es auch möglich ist, über die Stimulationselektroden analoge Spannungspulse an die Zellen in der Retina abzugeben, wenn eine hinreichende Stimulation der Zellen erreicht werden soll. Die Erfinder gehen damit gerade nicht den üblichen Weg, Strompulse mit Ladungskompensation zu verwenden, sondern verwenden eine Spannungssteuerung, obwohl dies auf Grund eines Vorurteils im Stand der Technik wegen der Elektrodenpolarisation Probleme bereiten sollte. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass die SpannungsSteuerung schaltungstechnisch sehr einfach zu realisieren ist und bei richtiger Auslegung dennoch die Probleme mit der Elektrodenpolarisation vermieden werden können.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Maßnahmen, also die Bildzelle mit der logarithmischen Kennlinie sowie die Spannungssteuerung, gemeinsam verwendet werden. Wegen des geringen schaltungstechnischen Aufwandes lässt sich hier nämlich die Dichte der Bildelemente und damit der Stimulationselektroden deutlich erhöhen, so dass hier insgesamt eine bessere örtliche Auflösung erreicht wird, als dies mit den aufwendigen Schaltungen aus dem Stand der Technik möglich ist. Diese höhere Dichte führt zu einer effektiveren Stimulation der Zellen in der Retina, da das lokale Verhältnis zwischen der Zahl der Stimulationselektroden und der Zahl der anzuregenden Zellen größer wird.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Ausgang des Verstärkers mit einer ansteuerbaren Entladungsschaltung verbunden ist.
Über diese Entladungsschaltung kann eine sich aufbauende Elektrodenpolarisation gezielt wieder abgebaut werden, so dass verhindert wird, dass die Ladung und damit die Spannung in der Grenzflächenkapazität immer mehr zunimmt, was im Gegenzug dazu führen würde, dass das Stimulationssignal immer schlechter auf die Zellen in der Retina übertragen werden könnte.
Dabei ist es bevorzugt, wenn Pulslänge und Pulsabstand über die extern eingekoppelte Fremdenergie bestimmt werden. Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass Pulslänge und Pulsabstand, also Pulsrate, nicht über ein mechanisches Zerhacken des sichtbaren Nutzlichtes wie im Stand der Technik oder über auf dem Retina-Implantat vorzusehende Frequenzgeneratoren erzeugt werden müssen. Der schaltungstechnische Aufwand des Reti- na-Implantates wird auch auf diese Weise deutlich gering gehalten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Pulslänge und Pulsabstand nach dem Einbringen des Retina-I plantates individuell an die physiologischen Bedingungen bei dem jeweiligen Patienten angepasst werden können. Ferner ist es möglich, Pulslänge und Pulsabstand in Abhängigkeit von den jeweiligen Lichtverhältnissen zu verändern. Mit anderen Worten, durch diese Maßnahme wird über die externe Energieversorgung gleichzeitig auch eine Steuerung der Funktionsweise des Implantates bewirkt.
Die externe Energieversorgung kann dabei beispielsweise eingekoppeltes IR-Licht oder aber induktiv eingekoppelte Energie beispielsweise im HF-Bereich sein.
Weiter ist es bevorzugt, wenn die Entladungsschaltung am Ende eines Spannungspulses derart angesteuert wird, dass der Ausgang des Verstärkers mit einem Entladepotenzial verbunden wird.
Hier ist von Vorteil, dass automatisch am Ende eines jeden stimulierenden Spannungspulses die Elektrodenpolarisierung zurückgeführt wird, da die Kapazität zwischen Stimulationselektrode und umgebendem Gewebe entladen wird. Jeder neue Spannungspuls trifft damit auf einen vollständig entladenen Kondensator, so dass zu Beginn des Spannungspulses ein hoher Stimula- tionsstrom durch den Kondensator in das Gewebe und zu den Zellen der Retina gelangen kann. Dieser Strom nimmt auf Grund der sich aufbauenden Spannung in dem Grenzflächenkondensator über der Zeit ab. Nach dem Ausschalten des Spannungspulses wird der Ausgang des Verstärkers dann mit dem Entladepotenzial verbunden, das in der Regel die elektrische Masse des Retina-I plan- tates ist. Dadurch ergibt sich ein großer Entladestrom, der die Grenzschichtkapazität vollständig wieder entlädt.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Pulslänge von ca. 500 μs ausreichend ist, um die Zellen in der Retina hinreichend zu stimulieren. Über die Amplitude des Spannungspulses wird dabei die anfängliche Stärke des Einschaltstromes bestimmt.
Der Pulsabstand beträgt dabei vorzugsweise 50 ms, denn eine Wiederholfrequenz von 20 Hz hat sich als ausreichend für flimmerfreies Sehen herausgestellt. Dieser Pulsabstand ist ferner ausreichend, um die Elektrodenpolarisation vollständig zurückzuführen.
Allgemein ist es dabei bevorzugt, wenn die Bildzellen mit einer ersten Spannung versorgt werden, die von einer zweiten Spannung verschieden ist, mit der die Verstärker versorgt werden, wobei die zweite Spannung vorzugsweise mit der Pulslänge und dem Pulsabstand eingeschaltet wird.
Hier ist von Vorteil, dass die Bildzellen beispielsweise ständig mit der ersten Spannung versorgt werden, so dass die elektrischen Signale der Bildzellen ständig zur Verfügung stehen und keine Einschwingvorgänge abgewartet werden müssen. Andererseits werden die Verstärker mit der zweite Spannung versorgt, die mit der Pulslänge und dem Pulsabstand eingeschaltet wird. Auf diese Weise werden die elektrischen Signale der Bildzellen über den getakteten Verstärker in die Spannungspulse umgewandelt. Dies ist schaltungstechnisch besonders einfach, weil es nicht erforderlich ist, eine zusätzliche Taktstufe an den Ausgang des Verstärkers zu schalten, der Verstärker wird vielmehr im Takt der Spannungspulse ein- und dann wieder ausgeschaltet. Da das zeitliche Ein- und Ausschalten der zweiten Spannung von der extern eingekoppelten Fremdenergie abgeleitet wird, ergibt sich der bereits oben erwähnte Vorteil, dass nämlich über die Fremdenergie das Retina-Implantat gesteuert werden kann.
Weiter ist es bevorzugt, wenn die Entladungsschaltung mit einer dritten Spannung verbunden ist, die aus der zweiten Spannung abgeleitet ist.
Hier ist von Vorteil, dass mit dem Abschalten der zweiten Spannung die dritte Spannung generiert wird, die die Entladungsschaltung aktiviert.
Auf diese Weise wird also beim Einschalten der zweiten Spannung der jeweilige Verstärker eingeschaltet und die positive Flanke des Spannungspulses generiert. Mit dem Ausschalten der zweiten Spannung wird die Entladungsschaltung aktiviert, was die negative Flanke des Spannungspulses liefert.
Insgesamt bietet diese Art der Steuerung des Retina-Implantates den Vorteil, dass über eine entsprechende Modulation der extern eingekoppelten Fremdenergie sämtliche Schaltvorgänge in dem Implantat gesteuert werden, Zeitglieder oder Frequenzgenerato- ren sind im Implantat selbst für diese Zwecke nicht erforderlich.
Das insoweit beschriebene Implantat ist damit schaltungstechnisch sehr einfach aufgebaut, so dass eine hohe Dichte der einzelnen Elemente und damit auch der Stimulationselektroden erreicht werden kann. Diese hohe Dichte ermöglicht eine gute lokal aufgelöste Stimulation von Zellen in der Retina, wobei wegen der gepulsten Anregung und der jeweils vollständigen Rückführung der Elektrodenpolarisation eine effektive Stimulierung der Zellen möglich ist. Wegen der logarithmischen Kennlinie kann das neue Retina-Implantat darüber hinaus viele Zehnerpotenzen an Bildhelligkeit abdecken.
Es ist jedoch bevorzugt, wenn jedes Bildelement eine logarithmische Bildzelle für lokale Bildhelligkeit aufweist und jedem Bildelement zumindest eine logarithmische Bildzelle für globale Helligkeit zugeordnet ist, wobei vorzugsweise der Verstärker als Differenzverstärker ausgebildet ist, dessen einer Eingang mit der Bildzelle für lokale Bildhelligkeit und dessen anderer Eingang mit der Bildzelle für globale Helligkeit verbunden ist.
Diese Maßnahme ist aus der eingangs erwähnten DE 199 21 399 AI an sich bekannt, wenn auch für Bildzellen mit linearer Kennlinie.
Wenn dieses "Differenzverstärkerprinzip", bei dem die Differenz zwischen der lokalen Bildhelligkeit und der über eine oder mehrere Referenzelemente genommenen globalen Helligkeit verstärkt und als Stimulationssignal weitergegeben wird, bei logarithmischen Bildzellen verwendet wird, so ergibt sich der be- sondere Vorteil, dass hier eine reine Kontrastverstärkung vorliegt, die mittlere Helligkeit eliminiert sich durch die Differenzbildung, denn sie ist im Logarithmus der Bildhelligkeit lediglich eine additive Größe.
Vor diesem Hintergrund betrifft die vorliegende Erfindung ebenfalls die Verwendung einer Bildzelle mit logarithmischer Kennlinie für ein Bildelement eines aktiven Retina-Implantates, das eine Vielzahl von Bildelementen aufweist, die einfallendes Licht in elektrische Stimulationssignale für über Stimulationselektroden zu kontaktierende Zellen der Retina umwandeln.
Weiter Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des neuen Retina- Implantates in nicht maßstabsgetreuer Darstellung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines menschlichen Auges mit eingesetztem Retina-Implantat, ebenfalls nicht maßstabgetreu; Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Spannungsversorgung für das Retina-Implantat aus Fig. 1;
Fig. 4 die Ableitung der zweiten Spannung von dem extern eingekoppelten IR-Licht;
Fig. 5 das prinzipielle Schaltbild einer Bildzelle für den Stimulationschip des Retina-Implantates aus Fig. 1;
Fig. 6 die Spannungs- und Stromverläufe bei dem Bildelement aus Fig. 5;
Fig. 7 eine detailliertere Darstellung des Aufbaus der Bildzelle aus Fig. 5; und
Fig. 8 die Kennlinie der Bildzelle aus Fig. 7.
In Fig. 1 ist schematisch ein aktives Retina-Implantat 10 dargestellt, wobei die Abmaße nicht maßstabgetreu wiedergegeben sind.
Das Retina-Implantat 10 ist auf einer flexiblen Folie 11 ausgebildet, auf der ein Stimulationschip 12 sowie eine Energieversorgung 14 angeordnet sind. Die Energieversorgung 14 umfasst einen IR-Empfänger 15, der ein oder mehrere fotovoltaische Elemente 16 enthält, die auftreffendes IR-Licht in elektrische Spannung umwandeln. Die so eingekoppelte Fremdenergie wird an eine Spannungsversorgung 17 übergeben.
Der Stimulationschip 12 umfasst beispielsweise in Reihen und Spalten angeordnete Bildelemente 18, von denen in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich vier dargestellt sind. Jedes Bildelement 18 umfasst eine logarithmische Bildzelle 19 für lokale Bildhelligkeit sowie einen Verstärker 21, der an seinem Ausgang mit einer Stimulationselektrode 22 verbunden ist. Ferner ist auf dem Stimulationschip 12 eine Bildzelle 23 für globale Helligkeit vorgesehen, die mit den Verstärkern 21 sämtlicher Bildelemente 18 auf dem Stimulationschip 12 verbunden ist. Es versteht sich, dass der Stimulationschip 12 mehrere globale Bildzellen 23, oder aber auch nur eine einzige davon, umfassen kann.
Die Spannungsversorgung 17 weist ein Speicherelement 24 auf, in dem die von dem IR-Empfänger 15 aufgenommene Fremdenergie gespeichert wird. Das Speicherelement 24 ist mit einem Schaltungsteil 25 verbunden, das zwei verschiedene Spannungsversorgungen Vcαl und Vcc2 in noch näher zu beschreibender Weise erzeugt. Über Leitungen 26 und 27 sind die Spannungsversorgung 17, der IR-Empfänger 15 und der Stimulationschip 12 miteinander verbunden .
Das Retina-Implantat 10 aus Fig. 1 ist dazu bestimmt, in ein menschliches Auge 31 implantiert zu werden, das in Fig. 2 sehr schematisch dargestellt ist. Der Einfachheit halber sind nur die Linse 32 sowie die Retina 33 gezeigt, in die das Implantat 10 eingepflanzt wurde. Das Implantat 10 wird dabei vorzugsweise in den so genannten subretinalen Raum eingebracht, der sich zwischen dem Pigment-Epithel und der Fotorezeptorschicht bildet. Sofern die Fotorezeptorschicht degeneriert oder verloren ist, bildet sich der subretinale Raum zwischen dem Pigment- Epithel und der Schicht der Bipolar- und Horizontalzellen. Das Retina-Implantat 10 wird dabei so platziert, dass über die in Fig. 1 gezeigten Stimulationselektroden 22 Stimulationssignale auf Zellen in der Retina 33 ausgeübt werden können.
Durch einen Pfeil 34 angedeutetes sichtbares Licht, dessen Strahlengang bei 35 zu sehen ist, wird über die Linse 32 auf den Stimulationschip 12 geleitet, wo das sichtbare Licht 34 in elektrische Signale umgewandelt wird, die über die Verstärker 21 aus Fig. 1 in Stimulationssignale gewandelt werden.
In Fig. 2 ist zu erkennen, dass der IR-Empfänger 15 außerhalb des Einfallbereiches des sichtbaren Lichtes 34 liegt. Auf den IR-Empfänger 15 ist Fremdenergie 36 in Form von Strahlen von IR-Licht 37 gerichtet, das in dem IR-Empfänger in eine elektrische Spannung umgewandelt wird, die über die Leitungen 26 zunächst zu der Spannungsversorgung 17 gelangt, wo aus ihr entsprechende VersorgungsSpannungen erzeugt werden. Diese Versorgungsspannungen gelangen dann über die Leitungen 26 und 27 zu dem Stimulationschip 12, wo sie verwendet werden, um das einfallende, sichtbare Licht 34 in noch näher zu beschreibender Weise in Stimulationssignale umzuwandeln.
Durch die räumliche Trennung von Stimulationschip 12 und IR- Empfänger 15 findet eine räumliche Entkopplung statt, so dass die unerwünschte Beeinträchtigung der Bildzellen im Stimulationschip 12 durch das IR-Licht 37 gering gehalten wird.
Wie aus dem IR-Licht 37 die erforderlichen VersorgungsSpannungen generiert werden, wird jetzt an Hand von Fig. 3 beschrieben, wo die Spannungsversorgung 17 aus Fig. 1 detaillierter, aber dennoch sσhematisch dargestellt ist. Die Spannungsversorgung 17 umfasst einen DC-DC-Wandler, der an seinem Eingang 42 mit dem Speicherelement 24 verbunden ist. Dieses Speicherelement 24 ist über die gestrichelt dargestellten Leitungen 26 mit dem fotovoltaischen Element 16 verbunden, das aus dem IR-Licht 37 eine elektrische Spannung generiert, die als Ladung in dem Speicherelement 24 gespeichert wird. Aus dieser Ladung, die eine Gleichspannung repräsentiert, erzeugt der DC-DC-Wandler 41 an seinem Ausgang 43 eine weitere Gleichspannung Vccl, wie dies für DC-DC-Wandler an sich bekannt ist.
Der Ausgang 43 des DC-DC-Wandlers 41 ist ferner mit einem elektronischen Schalter 44 verbunden, der über einen Inverter 45 geschlossen und geöffnet wird. Der Inverter 45 ist an seinem Eingang mit einem RC-Glied 47 sowie über die gestrichelt dargestellten Leitungen 26 auch mit den fotovoltaischen Elementen 16 verbunden. An seinem Ausgang 48 gibt der elektronische Schalter 44 eine Spannung Vcc2 ab, die gepulst ist, wie dies jetzt an Hand von Fig. 4 erläutert wird.
In Fig. 4 oben ist der zeitliche Verlauf des IR-Lichtes 37 gezeigt, das periodisch für die Zeitdauer tx von der Amplitude AI auf die Amplitude A0 geschaltet wird. Diese "negativen Lichtpulse" der Dauer tx wiederholen sich in Zeitabständen t2. Es versteht sich, dass das derart modulierte IR-Licht 37 während der Zeitdauer tx entweder ganz ausgeschaltet oder aber lediglich auf einen geringeren Intensitätswert abgesenkt werden kann.
Diese Modulation des IR-Lichtes 37 wird durch das Speicherelement 24 geglättet, so dass die Versorgungsspannung Vccl kon- stant einen bestimmten Wert einnimmt, wie es in Fig. 4 unten gezeigt ist.
Über das RC-Glied 47 gelangt das modulierte IR-Licht 37 auf den Inverter 45, dessen Ausgang 49 auf L-Signal ist, solange das IR-Licht 37 auf Intensität Ax ist. Während dieser Zeit ist der elektronische Schalter 44 geöffnet, so dass die Versorgungsspannung Vco2 auf 0 V liegt.
Während der Zeitspanne t geht der Eingang 46 des Inverters 45 auf L-Signal, was bedeutet, dass sein Ausgang 49 auf H-Signal geht und der elektronische Schalter 44 schließt. Während der Zeitspanne tx geht damit die VersorgungsSpannung Vcc2 bspw. auf den selben Wert wie die Versorgungsspannung Vccl. Der Ausgang 48 des elektronischen Schalters 44 liefert damit Spannungspulse 50 mit einer Pulslänge tλ und einem Pulsabstand t2.
Wie diese Spannungspulse 50, die aus der Modulation des IR- Lichtes 37 abgeleitet werden, dazu eingesetzt werden, um den Stimulationschip 12 zu steuern, wird nun an Hand von Fig. 5 erläutert.
In Fig. 5 ist ein Bildelement 18 detaillierter, aber dennoch schematisch dargestellt.
Das Bildelement 18 umfasst einen Differenzverstärker 51, der an seinem invertierenden Eingang 52 mit der Bildzelle 19 für lokale Bildhelligkeit verbunden ist. An seinem nicht-invertierenden Eingang 53 ist der Differenzverstärker 51 mit der Bildzelle 23 für globale Helligkeit verbunden. An seinem Ausgang 54 ist der Differenzverstärker 51 mit der Stimulationselektrode 22 verbunden. Ferner ist der Ausgang 54 mit einem elektronischen Schalter 55 verbunden, der über einen Inverter 56 angesteuert wird, der an seinem Ausgang als dritte Spannung 57 das invertierte Signal der VersorgungsSpannung Vcc2 liefert. Die Bildzellen 19 und 23 sowie der Inverter 56 werden über die VersorgungsSpannung Vcol mit Energie versorgt. Der Verstärker 51 dagegen wird über die Versorgungsspannung Vcc2 mit Energie versorgt.
An den Eingängen 52, 53 des Differenzverstärkers 51 steht somit eine Differenzspannung VD an, die die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Bildzellen 19 und 23 repräsentiert.
Der Differenzverstärker 51 selbst ist während der Zeitdauer t2 jeweils nur für die Zeitdauer tx mit Energie versorgt, so dass er an seinem Ausgang 54 nur während der Ein-Zeit der Spannungspulse 50 aus Fig. 4 ein Stimulationssignal Us abgibt. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 6 gezeigt.
Am Ausgang 24 des Verstärkers 51 steht also während der Zeitspanne von t = t0 bis t = t0 + tx ein Spannungspuls an, dessen Amplitude aVD der Intensität des auf die Bildzellen 19, 23 fallenden sichtbaren Lichtes entspricht.
Am Ende des Spannungspulses 50 geht der Inverter 56 an seinem Ausgang auf H-Signal und schließt den elektronischen Schalter 55, der auf diese Weise den Ausgang 54 mit elektrischer Masse verbindet. Wie bereits eingangs erwähnt, bildet sich an der Stimulationselektrode 22 eine Helmholz-Doppelschicht, die für eine kapazitive Ankopplung der Stimulationselektrode 22 an das umgebende Gewebe in der Retina sorgt. In Fig. 5 ist diese kapazitive Ankopplung durch einen Kopplungskondensator 58 angedeutet, der über einen Widerstand 59, der das stimulierte Gewebe/die stimulierten Zellen repräsentiert, ebenfalls mit elektrischer Masse verbunden ist.
Zu Beginn des Spannungspulses 50 schaltet der Verstärker 51 an seinem Ausgang 54 auf die Spannung Us = aVD, was dazu führt, dass ein Stimulationsstrom Is durch den Kopplungskondensator 58 in den Widerstand 59 fließt, wie dies in Fig. 6 unten dargestellt ist. Die Stärke des Stimulationsstromes Is nimmt jetzt exponentiell ab, da sich der Kopplungskondensator 58 auflädt, was auch als Elektrodenpolarisation bezeichnet wird. Zum Zeitpunkt t = t0 + tx schaltet der Spannungspuls 50 wieder ab, was bedeutet, dass die Versorgungsspannung Voc2 des Verstärkers 51 weggeschaltet wird. Gleichzeitig schaltet der elektronische Schalter 55 den Ausgang 54 auf die elektrische Masse, so dass der elektronische Schalter 55 als Entladungsschaltung 60 wirkt. Die in dem Kopplungskondensator 58 gespeicherte Ladung wird nun über den elektronischen Schalter 55 abgeführt, was sich durch einen negativen Stimulationsstrom Is bemerkbar macht; siehe den Sprung im zeitlichen Verlauf 61 des Stimulationsstromes in Fig. 6 ganz unten. Der Kondensator 58 entlädt sich exponentiell, bis die Ladung in dem Kopplungskondensator 58 vollständig gelöscht wurde. Es sei noch erwähnt, dass die Stärke des Stimulationsstromes Is zum Einschaltzeitpunkt t = t0 proportional zur Amplitude aVD der StimulationsSpannung ist.
Durch das Ein- und Ausschalten der VersorgungsSpannung Vcc2, was über die Modulation des eingekoppelten IR-Lichtes erreicht wird, wird also zunächst die positive Flanke der Stimulationsspannung Us eingeschaltet, woraufhin ein Stimulationsström ls fließt. Beim Ausschalten der Versorgungsspannung Vco2 fließt ein negativer Stimulationsstrom Is, was zu einer Entladung des Kondensators 58 führt.
Die Pulslänge tx beträgt dabei 500 μs und der Pulsabstand t2 20 ms.
In Fig. 7 ist eine Bildzelle 19 detaillierter dargestellt. Jede Bildzelle 19 weist eine Fotodiode 62 auf, die in Sperrichtung betrieben wird. Die Bildzelle 19 weist ferner einen nMOS- Transistor 63 auf, dessen Gate-Elektrode 64 mit der Drain- Elektrode 65 zusammengeschaltet auf Voαl liegt. An seiner Sour- ce-Elektrode 66 ist der nMOS-Transistor 63 mit der Kathode der Fotodiode 62 verbunden, deren Anode auf der elektronischen Masse liegt.
Durch die gezeigte Verschaltung wird der nMOS-Transistor 63 unterhalb des Schwellwertes betrieben, so dass der Spannungsabfall über dem nMOS-Transistor 63 exponentiell von dem Fotostrom Iphoto abhängt, dessen Stärke wiederum durch die Intensität des sichtbaren Lichtes 34 bestimmt wird, das auf die Fotodiode 62 fällt. Diese Verschaltung führt dazu, dass die Ausgangsspannung Vout der Bildzelle 19 aus Fig. 7 logarithmisch von der Intensität des Lichtes 34 abhängt, wie dies durch die Kennlinie 67 in Fig. 8 dargestellt ist.
Eine der Bildzelle 19 aus Fig. 7 vergleichbare Schaltung wird als Bildzelle 23 für globale Helligkeit verwendet.
Die Differenzspannung VD in Fig. 5 repräsentiert damit die Differenz zwischen dem Logarithmus der lokalen und der globalen Bildhelligkeit. Da die globale Bildhelligkeit durch die mittlere Helligkeit bestimmt ist, die eine multiplikative Größe in der lokalen Helligkeit ist, lässt sich die mittlere Helligkeit durch die Differenz zwischen dem Logarithmus der lokalen und dem Logarithmus der globalen Helligkeit als additive Größe eliminieren.
Auf diese Weise verstärkt das jeweilige Bildelement 18 den Kontrast, so dass ein hoher Dynamikbereich gewährleistet ist und sich das Retina-Implantat an unterschiedliche Umgebungsbeleuchtungen anpassen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Aktives Retina-Implantat mit einer Vielzahl von Bildelementen (18), die einfallendes Licht (34) in elektrische Stimulationssignale (Us) für über Stimulationselektroden (22) zu kontaktierende Zellen der Retina (33) umwandeln, wobei jedes Bildelement (18) zumindest eine Bildzelle (19), die einfallendes Licht (34) in elektrische Signale (Vout) umwandelt, sowie zumindest einen Verstärker (51) aufweist, dessen Eingang (52) mit der Bildzelle (19) und dessen Ausgang (54) mit zumindest einer Stimulationselektrode (22) verbunden ist, an die er ein Stimulationssignal (Us) liefert, und mit einer Energieversorgung (14), die extern eingekoppelte Fremdenergie (36) als Versorgungsspannung (Vccl, Vco2) für die Bildzellen (19) und die Verstärker (51) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzelle (19) eine logarithmische Kennlinie (67) aufweist, nach der einfallendes Licht (34) bestimmter Intensität in elektrische Signale (Vout) bestimmter Amplitude umgewandelt wird.
2. Retina-Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationssignal (Us) in Form von analogen Spannungspulsen bestimmter Pulslänge (tx) und Pulsabstände (t2) geliefert wird, deren Amplitude (aVD) von der Intensität des einfallenden Lichtes (34) abhängt.
3. Aktives Retina-Implantat mit einer Vielzahl von Bildelementen (18), die einfallendes Licht (34) in elektrische Stimulationssignale (Us) für über Stimulationselektroden (22) zu kontaktierende Zellen der Retina (33) umwandeln, wobei jedes Bildelement (18) zumindest eine Bildzelle (19), die einfallendes Licht (34) bestimmter Intensität in elektrische Signale (Vout) umwandelt, sowie zumindest einen Verstärker (51) aufweist, dessen Eingang (52) mit der Bildzelle (19) und dessen Ausgang (54) mit zumindest einer Stimulationselektrode (22) verbunden ist, an die er ein Stimulationssignal (Us) liefert, und mit einer Energieversorgung ( 14 ) , die extern eingekoppelte Fremdenergie (36) als Versorgungsspannung (Vccl, Vco2) für die Bildzellen (19) und die Verstärker (51) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Stimulationssignal (Us) in Form von analogen Spannungspulsen bestimmter Pulslänge (tx) und Pulsabstände (t2) geliefert wird, deren Amplitude (aVD) von der Intensität des einfallenden Lichtes (34) abhängt.
4. Retina-Implantat nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (54) des Verstärkers (51) mit einer ansteuerbaren EntladungsSchaltung (60) verbunden ist.
5. Retina-Implantat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Pulslänge (tx) und Pulsabstand (t2) über die extern eingekoppelte Fremdenergie (36) bestimmt werden.
6. Retina-Implantat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungsschaltung (60) am Ende eines Spannungspulses derart angesteuert wird, dass der Ausgang (54) des Verstärkers (51) mit einem Entladepotenzial verbunden wird.
7. Retina-Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildzellen (19) mit einer ersten Spannung (Vccl) versorgt werden, die von einer zweiten Spannung (Vcc2) verschieden ist, mit der die Verstärker (51) versorgt werden.
8. Retina-Implantat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannung (Vcc2) mit der Pulslänge (t und dem Pulsabstand (t2) eingeschaltet wird.
9. Retina-Implantat nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungsschaltung (60) mit einer dritten Spannung (57) verbunden ist, die aus der zweiten Spannung (Voo2) abgeleitet ist.
10. Retina-Implantat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bildelement (18) eine logarithmische Bildzelle (19) für lokale Bildhelligkeit aufweist, und dass jedem Bildelement (18) zumindest eine logarithmische Bildzelle (23) für globale Helligkeit zugeordnet ist.
11. Retina-Implantat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (51) als Differenzverstärker ausgebildet ist, dessen einer Eingang (52) mit der Bildzelle (19) für lokale Bildhelligkeit und dessen anderer Eingang (53) mit der Bildzelle (23) für globale Helligkeit verbunden ist.
12. Verwendung einer Bildzelle (19) mit logarithmischer Kennlinie (67) für ein Bildelement (18) eines aktiven Retina- Implantates (10), das eine Vielzahl von Bildelementen (18) aufweist, die einfallendes Licht (34) in elektrische Stimulationssignale (Us) für über Stimulationselektroden (22) zu kontaktierende Zellen der Retina (33) umwandeln.
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