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Bionisches System zur Behandlung von Blindheit: Mikroelektronik für ein Augenimplantat

Das IMMS zeigt zur MEDICA noch bis zum 16. November auf der Messe Düsseldorf ein bionisches System zur Behandlung von Blindheit.

Augenimplantat des IRIS II-Systems. Der Chip des IMMS übersetzt die optischen Informationen in einen elektronischen Datenstrom. Dieser wird an einen Retina-Stimulator weitergegeben, der den Sehnerv anregt. Grafik: Pixium Vision

Das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH zeigt zur MEDICA vom 13. bis 16. November auf der Messe Düsseldorf ein bionisches System zur Behandlung von Blindheit. Im epi-retinalen IRIS®II-System des Partners Pixium Vision steckt ein biokompatibler, implantierbarer Mikroelektronik-Chip, den das IMMS für diese Anwendung entwickelt hat. Dieser Chip ist Teil eines Augenimplantats, mit dem Menschen, die aufgrund von Netzhautdegeneration erblindet sind, aber einen  intakten Sehnerv haben,  teilweise neu sehen lernen. Dazu tragen sie eine Brille mit integrierter Kamera, die Bilder der Umgebung aufnimmt. Diese Bilddaten werden durch die Pupille zum Netzhautimplantat übertragen. Dort übersetzt der IMMS-Chip die optischen Informationen in einen elektronischen Datenstrom. Dieser wird an einen Retina-Stimulator weitergegeben, der den Sehnerv anregt und im Gehirn eine visuelle Wahrnehmung hervorruft. Derzeit laufen europaweit klinische Studien, in denen Patienten mit diesem System innerhalb von Rehabilitationsprogrammen lernen, diese neue Wahrnehmung zu interpretieren. Das IMMS zeigt zur MEDICA die Systeme, mit denen die Patienten ausgestattet werden, und Videobeispiele aus den klinischen Studien mit Erfahrungsberichten von Patienten.

Herausforderung an die Mikroelektronik

 

„Solch ein Implantat ist ingenieurtechnisch eine große Herausforderung, nicht nur was die Miniaturisierung und die Funktionalität betrifft,“ sagt Khalid Ishaque, CEO von Pixium Vision, rückblickend auf 15 Jahre Forschung und Entwicklung. „Stellen Sie sich vor, Sie möchten unter Wasser einen Fernseher im Mittelmeer betreiben, das warm und sehr salzig ist und sich bewegt. Für ein Mikroelektronikimplantat im Auge sieht die Herausforderung ähnlich aus.“ Dieses elektronische Implantat muss flexibel gestaltet sein, so dass es bei einer Drehung des Augapfels weiterhin fehlerfrei funktioniert. Zudem muss die Elektronik energieeffizient arbeiten und innerhalb unkritischer thermischer Sicherheitsgrenzen. Im menschlichen Körper können auch nicht die für Schaltkreise notwendigen Gleichspannungen zur Energieversorgung verwendet werden. Daher musste ein Chip realisiert werden, der über Wechselspannung versorgt wird.

IMMS-Chip übersetzt Bilder in Signale für den noch intakten Sehnerv

Der am IMMS entwickelte Infrarot-Empfänger-Chip wird im Inneren des Augapfels eingesetzt und wandelt die über die optische Schnittstelle eintreffenden Informationen in ein Stromsignal, das an den Stimulator-Chip weitergegeben wird. Als wesentliche Elemente zur Umsetzung dieser Funktionalität hat das IMMS die Fotodiode, den Regelkreis zur Signaldetektion und den Ausgangstreiber realisiert und getestet. Für einen minimalen Energieverbrauch, geringste Wärmeentwicklung und ständige Betriebsbereitschaft hat das IMMS Schaltungskonzepte implementiert, mit denen eine Stromaufnahme von unter 120 µA  erreicht wird.

Das IMMS hat die Energieversorgung des Chips im menschlichen Körper mit einer Wechselspannung realisiert. Diese wird im Gleichrichter des Chips zu einer internen Gleichspannung gewandelt, die ausschließlich im hermetisierten Schaltkreis verwendet wird. Da aus diesem Grund der Versorgungsstrom nicht mit Standardmesstechnik analysierbar ist, hat das IMMS eine speziell angepasste Messmethode entwickelt. Dabei wird der Wert des Versorgungsstroms mit Hilfe eines induktiven Stromfühlers ermittelt.

„Das IMMS hat einen unverzichtbaren Beitrag zu unserem Ziel beigetragen, Menschen zu einer partiellen Wahrnehmung zu verhelfen, die ihr Augenlicht durch Retinitis Pigmentosa verloren haben. Der vom IMMS entwickelte Chip ist der entscheidende Teil der Verbindung zwischen der realen Welt über Augen und Sehnerv zum Gehirn des Patienten,“ so die Einschätzung von Khalid Ishaque. „Für ihn geht die harte Arbeit nach der Operation erst richtig los – das Gehirn muss neu trainiert werden.“ Dazu kooperiert Pixium Vision weltweit mit Experten vieler Disziplinen, unter anderem aus Neurowissenschaften, Physik, Optik und Mathematik, Mikro- und Augenchirurgie sowie Experten für Sehschwäche. „Dieses effiziente Netzwerk aus global agierenden Partnern ist entscheidend für den Erfolg auf unserer Reise, die vor nicht allzu langer Zeit für unmöglich gehalten wurde.“ 

Ein Blick in die Zukunft

Pixium Vision erhielt vor kurzem die Zulassung für den Start klinischer Studien am Menschen für das neue PRIMA-System. Dabei handelt es sich um ein sub-retinales miniaturisiertes drahtloses Implantat-System zur Behandlung von atrophischer Makuladegeneration, der trockenen und häufigsten Form der altersbedingten Zellrückbildung im Bereich des Gelben Flecks.