DE29924944U1

DE29924944U1 - Visuelle Prothese

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Publication number: DE29924944U1
Application number: DE29924944U
Authority: DE
Original assignee: Johns Hopkins University
Current assignee: Johns Hopkins University
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2009-03-12
Also published as: JP2002505910A; EP1702646A1; EP1061874A1; JP3926564B2; DE69931761T3; EP1702645A1; DE29924943U1; EP1702647A1; DE29924942U1; DE69931761D1; ATE328559T1; US5935155A; DE69931761T2; EP1723984A1; EP1061874B1; DE29924946U1; EP1625874A1; AU751995B2; AU3077099A; CA2323550C

Abstract

Visuelle Prothese, die folgendes umfasst:
a) eine Einrichtung zum Wahrnehmen eines visuellen Bilds, wobei die genannte Einrichtung als Reaktion darauf eine visuelle Signalausgabe erzeugt;
b) eine Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung, die eine Elektrodenanordnung (22) umfasst, die Netzhautzellen stimulieren kann, um Phosphene in einem Muster zu erzeugen, dass das Sehvermögen stimuliert, wobei sich die genannte Elektrodenanordnung (22) auf der Oberfläche einer Netzhaut eines Benutzers befinden kann; und
c) eine Stromversorgungseinrichtung zur Übertragung von Energie an die genannte Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung, mit einer Primärspule (16) zur drahtlosen Übertragung von Energie und mit einer Sekundärspule (18) zum Empfang der über die Primärspule (16) übertragenen Energie, wobei
I. sich die Elektrodenanordnung (22) und die Sekundärspule (18) über einen decodierenden und demultiplexierenden Schaltungsblock (20) in Übertragungsverbindung befinden, zu dem Energie von der Sekundärspule (18) geleitet wird, und der die genannte Energie zu der Elektrodenanordnung (22) überträgt, und wobei
II. a) eine Sekundärspule (18) an dem...

Description

Diese Erfindung betrifft medizinische okulare Geräte und Verfahren, und insbesondere die intraokulare elektrische Retina-Stimulation zur Erzeugung von Lichtblitzen in einem visuellen Prothese-Gerät sowie Verfahren zur Verwendung selbiger.
Hintergrund der Erfindung
1755 führt LeRoy die Entladung eines Leyden-Glases durch die Augenhülse eines Mannes durch, der aufgrund grauen Stars blind war und der Patient sah "Flammen, welche schnell nach unten liefen". Seither besteht eine Faszination für elektrisch erzeugte visuelle Wahrnehmung. Die allgemeinen Konzepte der elektrischen Stimulation von Netzhautzellen, um diese Lichtblitze zu erzeugen, bzw. diese Lichterscheinungen, bestehen nun seit einer relativ langen Zeit. Basierend auf diesen allgemeinen Prinzipien haben einige frühe Versuche, eine Prothese als Hilfe für Sehgeschädigte zu entwickeln, das Anbringen von Elektroden an dem Kopf oder den Augenlidern der Patienten eingeschlossen. Während einige dieser frühen Versuche mit begrenztem Erfolg gesegnet waren, waren diese frühen Prothese-Geräte groß, sperrig und konnten keinerlei adäquates stimuliertes Sehen als wirkliche Hilfe für die Sehgeschädigten erzeugen.
Mit dem Voranschreiten der intraokularen Operationstechniken wurde es möglich, eine mehr fokussierte Stimulation auf kleine Gruppen von und sogar auf einzelne Netzhautzellen anzuwenden, um fokussierte Lichterscheinungen zu erzeugen. Diese Erzeugung von fokussierten Lichterscheinungen eröffnete die Möglichkeit einer wahrheitsgetreuen simulierten Seherzeugung durch eine implantierte Prothese innerhalb des Auges selbst. Dies hat das Interesse für die Entwicklung von Verfahren und Apparaten, um den Sehgeschädigten zu helfen, neu entflammt. Im speziellen wurden große Bemühungen auf dem Gebiet der intraokularen Retina-Prothese-Geräte aufgewendet, im Rahmen einer Bemühung für Geräte, welche implantiert innerhalb des Auges selbst sind. Dies hat wieder erneut Interesse zum Entwickeln von Methoden und Apparaten geweckt, um den Sehgeschädigten zu helfen. Genauer gesagt, wurden große Anstrengungen unternom men auf dem Gebiet von intraokularen Netzhaut-Prothese-Geräten, in einer Bemühung, Sehen in den Fällen wiederherzustellen, wo die Blindheit verursacht wird, durch degenerative Fotorezeptor-Netzhaut-Erkrankungen, wie z.B. Retinitis Pigmentosa und altersabhängige makulare Degeneration, welche Millionen von Menschen weltweit betrifft.
Ein solches Gerät wird beschrieben in US-Patent Nr. 4628933, veröffentlicht von Michelson am 16. Dezember 1986, für EIN VERFAHREN UND EINEN APPARAT FÜR EINE VISUELLE PROTHESE. Der Michelson '933-Apparat schließt ein Array von fotosensitiven Einheiten auf seiner Oberfläche ein, welche mit einer Vielzahl von Elektroden, positioniert auf der entgegengesetzten Oberfläche des Gerätes, verknüpft sind, um die Netzhaut zu stimulieren. Diese Elektroden sind so angeordnet, dass sie ein Array, ähnlich einem "Nagelbrett" ausbilden, mit Leitern, welche direkt die Netzhaut berühren, um die Retinazellen zu stimulieren. Das Gerät von Michelson '933 wird mit Energie versorgt durch einen separaten Stromkreis durch elektromagnetische oder Radio-Frequenz-Induktion. Um diese Energie aufzunehmen, ist ein Induktor in dem Gerät von Michelsen '933 eingeschlossen, entweder um die Peripherie des Gerätes gewunden, oder auf einer der Oberflächen durch fotolithographische Schaltkreistechniken. Das induzierte Signal wird dann gleichgerichtet und durch die Energie der Stromkreiselemente gefiltert.
Solch ein Gerät erhöht jedoch die Möglichkeit eines Netzhauttraumas durch die Verwendung dieses "Nagelbrett"-Typs von Elektroden, welche direkt das Netzhautgewebe penetrieren. Desweiteren kann das Einbringen der fotosensitiven Elemente zu Kurz- oder zu Weitsichtigkeit führen.
Das Michelson '933-Gerät ist auch limitiert durch die physikalische Größe, welche innerhalb der okularen Kavität zur Verfügung steht. Da diese Kavität klein ist, und da das Gerät vom Retina-Gewebe selbst unterstützt werden muss, ist die Kapazität des bildverarbeitenden Schaltkreis, der darin eingeschlossen werden kann, limitiert. Desweiteren ist die Menge des bildverarbeitenden Schaltkreises auch limitiert durch die Energieverfügbarkeit und die Anwendungserfordernisse innerhalb der okularen Kavität. Als ein Resultat dieser limitierenden Faktoren schließt das Michelson-Gerät nicht jegliche Art von bildverarbeitenden Schaltkreisen ein, welche von den allgemeinen Signalverstärkern verschieden sind, welche einfach die Antworten auf die Frequenzantwort-Bandbreite der Retina-Neuronen einstellen, um die Ausgabe-Wellenform in einer Ladungs ausgeglichenen Quadratwelle zu formen und die Spannung sowie die Stromausgabe auf akzeptable Grade für die Neuronen zu trimmen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Mit Blick auf das oben Gesagte ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, zumindest einige dieser und anderer bekannter Probleme, welche im Stand der Technik existieren, auszuräumen. Genauer gesagt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und verbesserte visuelle Prothese zur Verfügung zu stellen. Speziell ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichtbare Prothese zur Verfügung zu stellen, welche zumindest teilweise das Sehen wieder herstellen wird, in den Fällen, wo die Blindheit durch eine degenerative Fotorezeptornetzhaut-Erkrankung verursacht wird. Es ist desweiteren eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichtbare Prothese zur Verfügung zu stellen, welche einen Grad des funktionellen Sehens zur Verfügung stellt, welcher die Mobilität des Patienten verbessern wird und das Lesen ermöglichen wird. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichtbare Prothese zur Verfügung zu stellen, welche während täglichen Routineaktivitäten getragen werden kann und unter dem ästhetischen Standpunkt akzeptabel ist für den Patienten. Darüberhinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Wiederherstellen des Sehens bereitzustellen.
Mit Blick auf diese Aufgabe ist es ein Merkmal der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung, sowohl intra-okulare als auch extra-okulare Komponenten zur Verfügung zu stellen, um die visuelle Qualität, die erzeugt worden ist, zu maximieren und die Auswirkungen auf die Netzhaut, verursacht durch die visuelle Prothese zu minimieren. Es ist desweiteren ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, Mittel zur Verfügung zu stellen zum Übertragen eines visuellen Signales der wahrgenommenen Umwelt von extra-okularen Komponenten auf die intra-okularen Komponenten, ohne physikalischen Kontakt dazwischen. Desweiteren ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, die benötigte Energie für die intra-okularen Komponenten aus dem visuellen Signal zu extrahieren, ohne dass eine separate Energiesignalübertragung benötigt wird. Desweiteren ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine visuelle Prothese zur Verfügung zu stellen, deren intra-okulare Elektroden die Retina nicht durchstoßen.
Folglich ist es in Übereinstimmung mit den obengenannten Aufgaben und Merkmalen ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, sichtbare Prothesen zur Verfügung zu stellen, mit extra-okularen bildaufnehmenden und kodierenden Elementen sowie einem radiofrequenzbasierten Übertragungselement. Es ist desweiteren ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine intra-okulare stimulierende Elektrode auf der Oberfläche der Retina zur Verfügung zu stellen. In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein radiofrequenzempfangendes, dekodierendes und entschachtelndes Element zur Verfügung gestellt, um die per Radiofrequenz übertragenen visuellen Signale zu empfangen. Ein Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt das Zur-Verfügung-Stellen des Radiofrequenz-empfangenden dekodierenden und entschachtelnden Elements intraokular ein, wohingegen ein anderer Aspekt einer anderen Ausführungsform das zur Verfügung stellen des Radiofrequenz-empfangenden, dekodierenden und entschachtelnden Elementes extra-okular einschließt.
Eine Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung umfasst eine Kamera zum Umwandeln eines visuellen Bildes in elektrische Impulse, einen bildaufnehmenden Schaltkreis zum Auswählen eines Bildes zu einem gegebenen Zeitpunkt und einen kodierenden Schaltkreis zum Kodieren des ausgewählten Bildes, um eine pixelierte Darstellung zu ermöglichen. Ein Signal, korrespondierend mit dem ausgewählten Bild wird dann verwendet, um ein Radiofrequenz-Trägersignal zu modulieren, so dass es in das Auge über ein getuntes Spulenpaar übertragen werden kann, welches eine primäre und eine sekundäre Spule aufweist.
Ein Demodulator-Schaltkreis ist an die sekundäre Spule gekoppelt, zum Extrahieren der visuellen Signalausgabe aus dem Radiofrequenz-Träger-Signal. Ein Dekoder wird an den Demodulator gekoppelt, zum Dekodieren der visuellen Signalausgabe in eine Vielzahl von individuellen Stimulationssteuersignalen, welche gekoppelt sind mit dem stromerzeugenden Schaltkreis, welcher Strom-Stimulations-Signale als Antwort erzeugt. Ein Elektrodenarray weist eine Vielzahl von Elektroden auf, welche operativ an das stromerzeugende Schaltkreis-Mittel gekoppelt sind. Die Elektroden stimulieren das Netzhautgewebe als Antwort auf diese individuellen Stimulationssteuersignale.
Ein Verfahren des zumindest teilweisen Wiederherstellens des Sehens für den Benutzer, der unter degenerativen Photorezeptor-Netzhaut-Zuständen leidet, ist eingeschlossen und umfasst die Schritte von: a) Aufnehmen eines visuellen Bildes und Erzeugen einer visuellen Signal-Ausgabe als Antwort darauf; b) kabelloses Übertragen der visuellen Signalausgabe in das Auge; und c) Stimulieren des Netzhaut-Gewebes des Benutzers in Übereinstimmung mit der visuellen Signalausgabe.
Diese und andere Ziele, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden offensichtlicher werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn sie in Verknüpfung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer visuellen Prothese in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein ausgedehntes schematisches Blockdiagramm der visuellen erfassenden-, kodierenden und Radiofrequenz-übertragenden Komponenten einer Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein ausgedehntes schematisches Blockdiagramm von den visuelle Signale empfangenden, Radiofrequenz dekodierenden und Netzhaut-stimulierenden Komponenten einer Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine simplifizierte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung, wie sie innerhalb des Auges implantiert ist;
5 ist vereinfachte Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung, wie sie innerhalb des Auges implantiert ist;
6 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung, wie sie innerhalb des Auges implantiert ist;
7 ist eine vereinfachte schematische Ansicht eines intra-okularen Stimulationselektroden-Arrays in Übereinstimmung mit einem Aspekt einer Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine partielle schematische Ansicht eines Ausschnittes eines intraokularen Stimulationselektroden-Arrays, illustrierend die Details des Anheftens davon in Übereinstimmung mit einem Aspekt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine teilweise schematische Ansicht eines Ausschnittes eines intraokularen Stimulations-Elektroden-Arrays illustrierend Details des Anheftens davon in Übereinstimmung mit einem Aspekt einer alternativen Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung; und
10 ist eine teilweise schematische Ansicht eines Ausschnittes eines intraokularen Stimulationselektroden-Arrays illustrierend an Heftdetails davon in Übereinstimmung mit einem Aspekt einer weiteren alternativen Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung.
Während die Erfindung geeignet ist für verschiedene Modifikationen und alternative Konstruktionen, wurden bestimmte illustrative Ausführungsformen davon in den Zeichnungen gezeigt und werden im Detail unten beschrieben werden. Es sollte sich jedoch verstehen, dass es nicht gedacht ist, die Erfindung auf spezifische offenbarte Formen zu begrenzen, vielmehr soll die Erfindung alle Modifikationen abdecken, alternative Konstruktionen, Verfahren und Äquivalente, welche unter den Geist und Umfang der Erfindung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie oben kurz diskutiert, ist der Apparat der vorliegenden Erfindung ein medizinisches Gerät, welches zumindest teilweise das Sehen in den Fällen dort wiederherstellt, wo die Blindheit durch für Fotorezeptoren degenerative Netzhaut-Erkrankungen verursacht wird, beispielsweise durch Retinitis pigmentosa und altersabhängige makulare Degeneration, welche Millionen von Menschen weltweit betrifft. Die teilweise Wiederherstellung des Sehens soll die Mobilität des Patienten verbessern und zumindest ermöglichen, Groß drucke zu lesen und vollständig einen verbesserten Grad an Unabhängigkeit zur Verfügung stellen. Kurz gesagt, wird die visuelle Aufnahme erreicht durch Umwandeln eines Bildes der Szene vor dem Patienten in eine Vielzahl von elektrischen Impulsen, welche auf der Netzhaut durch elektronisches Stimulieren der lebensfähigen Nervenzellen, über die dysfunktionellen Fotorezeptoren hinaus, markiert werden. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Grad des funktionellen Sehens in einem Paket zur Verfügung zu stellen, welches während den täglichen Routineaktivitäten getragen werden kann und ästhetisch akzeptabel für den Patienten ist. Das gesamte System der vorliegenden Erfindung ist in einer tragbaren am Körper getragenen Verpackung enthalten, welche ohne die Verwendung von implantierten Batterien oder Verknüpfungspenetrationen des Auges funktioniert. Die intra-okularen Teile der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung sind so konzipiert, dass sie in das Auge des Patienten unter Verwendung von üblichen ophthalmischen Operationstechniken implantiert werden.
Genauer gesagt, umfasst daher eine visuelle Prothese in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Mittel zum Empfangen eines visuellen Bildes, welches eine visuelle Signalausgabe als Antwort darauf erzeugt, ein Netzhaut-Gewebe-Stimulations-Mittel adaptiert, um operativ mit der Retina des Anwenders verknüpft zu sein sowie ein drahtloses visuelles Signalkommunikations-Mittel zum Übertragen der visuellen Signalausgabe auf das Netzhaut-Gewebe-Stimulations-Mittel. Vorzugsweise umfasst das Mittel zum Empfangen eines visuellen Bildes ein Kamera-Mittel zum Umwandeln eines visuellen Bildes in elektronische Impulse, ein bildverarbeitendes Mittel, gekoppelt an die Kamera-Mittel, zum Auswählen eines Bildes zu einem gegebenen Zeitpunkt und ein kodierendes Mittel, gekoppelt an das bildverarbeitende Mittel, zum Kodieren des ausgewählten Bildes, um eine pixelierte Darstellung davon zu ermöglichen.
Desweiteren umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Netzhaut-Gewebe-Stimulations-Mittel ein Dekoder-Mittel, welches auf die visuelle Signalausgabe antwortet, zum Dekodieren der visuellen Signalausgabe in eine Vielzahl von individuellen Stimulations-Steuer-Signalen, ein Stromerzeugungs-Schaltkreis-Mittel, gekoppelt an das Dekoder-Mittel und antwortend auf die Vielzahl von individuellen Stimulations-Kontrollsignalen, zum Erzeugen von Stimulations-Stromsignalen sowie ein Elektrodenarray mit einer Vielzahl von Elektroden, operativ verknüpft mit dem Stromerzeugungsschaltkreis-Mittel. Diese Elektroden antworten auf die individuellen Stimulati onssteuer-Signale und erzeugen Stimulationsimpulse, welche hinreichend sind, um das Netzhautgewebe zu stimulieren.
Desweiteren umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Elektrodenarray ein Anheft-Mittel, adaptiert zum Anbinden des Elektrodenarrays an die Netzhaut eines Anwenders. In einer Ausführungsform definiert das Elektrodenarray zumindest eine Halterungsöffnung darin und das Anheft-Mittel umfasst zumindest einen Netzhautstift, positioniert innerhalb von zumindest einer Halterungsöffnung. Alternativ enthält das Elektrodenarray eine äußere Oberflächenkante, definiert an zumindest zwei muschelförmige Abschnitte davon und das Anheft-Mittel umfasst einen Netzhautstift, positioniert innerhalb von jedem der beiden muschelförmigen Abschnitte. In einer weiteren alternativen Ausführungsform enthält das Elektrodenarray zumindest einen ersten Magnet, angebunden daran und das Anheft-Mittel umfasst einen zweiten Magnet, adaptiert, so dass er an die Außenseite der Sklera eines Anwenders angebunden ist, gegenüberliegend einem gewünschten Punkt des Anbindens des Elektrodenarrays an die Netzhaut. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Anheft-Mittel einen Kleber, platziert auf einer Oberfläche von besagtem Elektrodearray, das an die Netzhaut angebunden werden soll.
In einer weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das stromlose visuelle Signal-Kommunikations-Mittel ein Träger-Generator-Mittel zum Erzeugen eines Radiofrequenz-Trägersignals, ein Modulator-Mittel, antwortend auf das Radiofrequenz-Trägersignal und auf die visuelle Signalausgabe, zum Modulieren des Radiofrequenz-Trägersignals durch die visuelle Signalausgabe, erzeugend ein Radiofrequenz-moduliertes Bildsignal. Darüber hinaus schließt diese Ausführungsform ein getuntes Spulenpaar ein, mit einer primären und einer sekundären Spule. Die primäre Spule ist operativ gebunden an das Modulator-Mittel, um das Radiofrequenz-modulierte Bildsignal zu übertragen. Die sekundäre Spule ist getunt, um das Radiofrequenz-modulierte Bildsignal aufzunehmen. Ein Demodulator-Mittel wird an die sekundäre Spule gekoppelt, zum Extrahieren der visuellen Signalausgabe von dem Radiofrequenz-Trägersignal.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst desweiteren ein Energieversorgungs-Mittel, gekoppelt an die sekundäre Spule zum Mit-Energie-Versorgen des Netzhautgewebs-Stimulations-Mittels und des Demodulator-Mittels. Dies wird realisiert, vorzugsweise durch Extrahieren der Energie aus dem Radiofrequenz- modulierten Bildsignals. Das Energieversorgungs-Mittel richtet das Radiofrequenz-Trägersignal von dem Radiofrequenz-modulierten Bildsignal, empfangen durch besagte sekundäre Spule gleich, um eine DC-Energie-Ausgabe zu erzeugen, um das Netzhautgewebs-Stimulations-Mittel und das Demodulator-Mittel mit Energie zu versorgen.
Ein bevorzugtes Verfahren des zumindest teilweise Wiederherstellens von Sehen für den Anwender, welcher unter für Fotorezeptoren degenerativen Netzhautzuständen des Auges leidet, umfasst daher die Schritte des Aufnehmens eines visuellen Bildes und des Erzeugens einer visuellen Signalausgabe als Antwort darauf, des stromlosen Übertragens der visuellen Signalausgabe in das Auge und das Stimulieren des Netzhautgewebes des Anwenders in Übereinstimmung mit der visuellen Signalausgabe. Bevorzugt umfasst der Schritt des Empfangens eines visuellen Bildes und des Erzeugens einer visuellen Signalausgabe als Antwort darauf die Schritte des Umwandelns eines visuellen Bildes in elektrische Impulse umfassen, das Verarbeiten der elektronischen Impulse, korrespondierend mit einem Bild zu einem gegebenen Zeitpunkt und das Kodieren des ausgewählten Bildes, um eine pixelierte Darstellung davon zu ermöglichen.
Darüber hinaus umfasst der Schritt des stromlosen Übertragens der visuellen Signalausgabe in das Auge die Schritte des Erzeugens eines Radiofrequenz-Trägersignals, das Modulieren des Radiofrequenz-Trägersignals durch die visuelle Signalsausgabe, um ein Radiofrequenz-moduliertes Bildsignal zu erzeugen, das Übertragen des Radiofrequenz-modulierten Signals, das Empfangen des Radiofrequenz-modulierten Bildsignals und das Extrahieren der visuellen Signalausgabe aus dem Radiofrequenz-Trägersignal. Desweiteren umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform der Schritt des Stimulierens des Netzhautgewebes des Anwenders in Übereinstimmung mit der visuellen Signalausgabe die Schritte des Dekodierens der visuellen Signalausgabe in eine Vielzahl von individuellen Stimulationssteuersignale, das Erzeugen von Stimulations-Strom-Signalen und das Anwenden der Stimulation auf das Netzhautgewebe in Übereinstimmung mit den Stimulationsstromsignalen.
In einer exemplarischen Ausführungsform der oben beschriebenen Erfindung illustriert in Blockdiagrammformen 1, schließt eine visuelles Protheseeinheit, illustriert als Netzhaut-Prothese 10, ein bildaufnehmendes Element ein, beispielsweise eine übliche "Charged Coupled Device (CCD)"- Kamera 12, deren visuelle Signalausgabe verarbeitet und kodiert wird im Schaltkreisblock 14. Dieses verarbeitete und kodierte Bildsignal wird dann übertragen über eine primäre Spule 16 als ein Radiofrequenz-kodiertes Bildsignal. Eine sekundäre Spule 18 empfängt das Radiofrequenz-kodierte Bildsignal und leitet es in den dekodierenden und entschachtelnden Schaltkreisblock 20 weiter. Dieser Schaltkreisblock 20 kommuniziert dann das dekodierte Bildsignal an ein Elektrodenarray 22, welches die Netzhautzellen stimuliert, um Lichtblitze in einem Muster zu erzeugen, um Sehen zu stimulieren.
Es sollte festgehalten werden, dass die unterbrochene Linie 24 in 1 enthalten ist, um den bildaufnehmenden und übertragenden Abschnitt 26 von dem bildentgegennehmenden und stimulierenden Abschnitt 28 der visuellen Netzhaut-Prothese 10 zu trennen und die Linie kann oder kann auch nicht die Abtrennung der extra-okularen Region von der intra-okularen Region anzeigen, wie vollständiger unten mit Blick auf die 4 bis 6 beschrieben werden wird. Es sollte auch festgehalten werden, dass während die Figuren die Anwendung einer CCD-Kamera illustrieren, der Umfang der Erfindung nicht darauf limitiert ist, sondern auch andere Technologien der Bildaufnahme-Ausrüstung einschließt, wie z.B. Videokameras, Digitalkameras, CMOS-Kameras etc.
Der bildaufnehmende und übertragene Abschnitt 26 der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung wurde im größeren Detail in 2 dargestellt und hierauf wird nun verwiesen. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, wird das Bildsignal, aufgenommen durch die Kamera 12, durch ein bildverarbeitenden Stromkreis ausgegeben und dieses verarbeitete Bild wird in den Pixel-Kodierer 32 übertragen. Sobald das verarbeitete Bildsignal geeignet kodiert worden ist, wird es in den Signal-Modulator 34 übertragen, welcher es verwendet, um ein Radiofrequenz-Trägersignal, erzeugt durch den Träger-Generator 36 zu modulieren. Dieses Radiofrequenz-modulierte Bildsignal wird dann über die primäre Spule 16 übertragen.
Das kodierende Schema wird zur Auflösung des Zielbildes optimiert, welches durch die Größe des implantierten Elektrodenarrays bestimmt ist, wie vollständiger unten diskutiert wird. Die kodierte Information enthält solche Parameter, wie die Größe, die Zeitfolge und die Sequenz der Stimulationspulse, welche durch das Array erzeugt werden, um das Bild durch Netzhaut-Stimulation zu simulieren. Die Modulationstechnik ist konsistent mit der Datenrate, und maximiert die Genauigkeit der wieder gewonnenen Informationen über den gewünschten Übertragungspfad.
Das Radiofrequenz-modulierte Bildsignal wird empfangen durch den bildentgegennehmenden und stimulierenden Abschnitt 28 der visuellen Prothese, wie er im größeren Detail in 3 illustriert wird. Sobald dieses Signal durch die sekundäre Spule 18 empfangen ist, wird sie in den Demodulator 38 übertragen, wo das Trägersignal von dem kodierten Bildsignal entfernt wird. Das kodierte Bildsignal wird dann in einen Dekoder/Entschachteler 40 übertragen, welcher wiederum die Bildinformation in einen Stromgenerator 42 ausgibt, welcher die individuellen Elektroden des Elektrodenarrays 22 steuert. Die elektrische Energie für diesen bildempfangenden und stimulierenden Abschnitt 28 der visuellen Prothese wird abgeleitet aus der Energie, enthalten in dem Trägersignal durch den Gleichrichter 44. Dieses Trägersignal wird gleichgerichtet, um den Gleichstrom zur Verfügung zu stellen, um die implantierte Elektronik zu betreiben und Stimulationspulse zu erzeugen. Auf diese Art und Weise wird kein separates Energie-Übertragungs-Signal benötigt.
Der bildentgegennehmende und stimulierende Abschnitt 28 der visuellen Prothese dient dazu, die Stimulationsinformation zu demodulieren und dekodieren und die geeigneten Stimulationspulse zu erzeugen, welche auf das Elektrodenarray 22, implantiert auf der Retina, transmittiert werden, zu erzeugen. Die dekodierte Transmission wird verwendet, um die Charakteristika des Stimulationspulses zu bestimmen und zu bestimmen, wo dieser Puls auf das Elektrodenarray 22 angewandt wird. Die Pulse werden durch ein Mittel eines miniaturisierten Flachbandkabels 46 übertragen, welches innerhalb der intraokularen Kavität liegt oder durch ein anderes geeignetes Mittel, wie z.B. ein Glasfaserkabel.
Eine Ausführungsform der physikalischen Implantation einer visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung ist illustriert in 4, auf welche nun Bezug genommen wird. Wie oben diskutiert, wird die primäre Spule 16 verwendet, um das Radiofrequenz-kodierte Bildsignal an die sekundäre Spule 18 zu übertragen. Diese primäre Spule 16 ist vorzugsweise entweder in einer Brillenglas-Linse, einem Gestell oder einer weichen Kontaktlinse lokalisiert. Diese Spule 16 wird verwendet zum induktiven Koppeln des Radiofrequenz-kodierten Bild-Signals an die sekundäre Spule, die in dieser Ausführungsform hinter der Iris 48 implantiert ist. Diese sekundäre Spule 18 ist gekoppelt an und fällt räumlich zusammen mit dem dekodierenden/entschachtelnden Schaltkreis 20. Das kleine Flachbandkabel 46 ist lokalisiert entlang der inneren Wand des Auges und koppelt den Schaltkreis 20 an das Elektrodenarray 22, welches auf der Netzhaut 50 in der Nähe der Foeva 52 platziert ist. Alternativ kann der Schaltkreis 20 integriert in das Elektroden array 22 sein, wobei in diesem Fall nur ein kleines Kabel von der sekundären Spule 18 benötigt wird, um das visuelle Signal an die kombinierten Elemente, Schaltung und Array, zu koppeln. Die Details der Anheftmechanismen zum Sichern des Elektrodenarrays 22 auf der Netzhaut 50 werden im Detail unten mit Verweis auf 8 bis 10 beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt in 5, wird der dekodierende/entschachtelnde Schaltkreis nicht länger mit der sekundären Spule 18 hinter der Iris 48 co-lokalisiert, sondern stattdessen auf die Außenseite der Sklera 45 angeheftet. Das Anheften kann durch eine chirurgische Naht oder ein anderes geeignetes Mittel erfolgen. In dieser Ausführungsform wird der dekodierende/entschachtelnde Schaltkreis 40 in einer hermetisch versiegelten Verpackung platziert und an die sekundäre Spule durch einen kleinen Draht 56 gekoppelt, welcher die Sklera 54 durchsticht. Das kleine Flachbandkabel 46, welches den dekodierenden/entschachtelnden Schaltkreis 20 an das Elektrodenarray 22 koppelt, montiert auf der Netzhaut 50, durchsticht auch die Sklera 54.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie illustriert wird in 6, kann die sekundäre Spule auch an die Sklera angeheftet sein, statt dass sie innerhalb des Auges implantiert ist. Wie für den dekodierenen/entschachtelnden Schaltkreis 20, kann das Anbinden der sekundären Spule an die Sklera durch chirurgische Naht oder ein anderes geeignetes Mittel erfolgen. Auf diese Art und Weise wird nur für das kleine Flachbandkabel 46 benötigt, welches den dekodiereden/entschachtelnden Schaltkreis 20 an das Elektrodenarray 22 anheftet, montiert an der Netzhaut 50, dass es die Sklera durchsticht. Die extra-okulare Anbindung des dekodiereden/entschachtelnden Schaltkreises 20 ermöglicht erhöhten Zugang für diesen Schaltkreis, was das Ersetzen oder Erneuern dieser Komponenten erleichtert.
Wie oben diskutiert, ist das Elektrodenarray 22, schematisch dargestellt in 7, ein biokompatibles Gerät, welches auf der Oberfläche der Netzhaut in der Nähe der Foeva montiert ist. Dieses Array kann entweder ein passives Element sein, welches nur zum Transfer der Ladung in die Stimulationspulse des Netzhaut-Gewebes dient, oder ein aktives Netz, welches die Auswahl der Stimulationsstellen unter Verwendung von Information, kodiert in dieser Eingabe, steuert. Die Stimulationsstellen 58 in diesem Array sind so voneinander entfernt, dass sie einen Grad der visuellen Schärfe, konsistent mit der Fähigkeit des Patienten, die Aktivierung der benachbarten Stellen zu unterscheiden, zur Verfügung stellen. Die Simulationsstellen 58 bestehen aus einem Material, welches so konzipiert ist, dass es den Transfer der Ladung zwischen der Elektrode und dem umgebenden Gewebe maximiert. Während das Array 22, dargestellt in 7, nur ein 5×5-Array an Stimulationsstellen aufweist, kann diese Anzahl erhöht werden oder erniedrigt werden. Falls die Größe des Arrays 22 sich erhöht, ist es bevorzugt, dass das Array flexibel ist, um Oberflächenkontakt mit allen geeigneten Flächen der Netzhaut zu ermöglichen. Ein Elektrodendesign, welches kompatibel ist mit dem Elektrodenarray 22 der vorliegenden Erfindung wird offenbart in US-Patent Nr. 5,109,844, veröffentlicht von de Juan, jr. et al. am 5. Mai 1992, betreffend Netzhaut-Mikrostimulation, dessen Lehren und Offenbarung hier per Verweis eingeschlossen sind.
Die Anbindung des Elektrodenarrays an die Oberfläche der Netzhaut wird realisiert unter Verwendung von irgendeinem Verfahren. In einer Ausführungsform, illustriert in 8, wird eine mechanische Fixierungseinheit, wie z.B. ein Titanstift 60, allgemein eingesetzt, um in der Netzhaut-Wiederanbindung durch Halten des von der Retina abgelösten Abschnitts gegen die Aderhaut zu helfen. Der Stift 60 wird durch ein kreisrundes Loch 62 an jeder Ecke des Körpers des Arrays 22 geführt und hält das Array an der Stelle durch Durchstechen der Netzhaut, der Aderhaut und der Sklera. Als eine Alternative zum Stift 60 kann auch eine chirurgische Naht als mechanische Fixiereinrichtung dienen.
In einer alternativen Ausführungsform, wie sie in 9 illustriert wird, kann das Array an die Netzhaut gesichert werden, durch Platzieren des Stiftes 60 in einen muschelförmigen Abschnitt, illustriert als halbkreisartige Kerbe an jeder Ecke des Arrays 64, und das resultierende Zusammenpressen des Arrays 22 hält es an seiner Stelle. Dieses Verfahren des Anbindens bringt den Vorteil der einfacheren Ersetzung mit sich, da der Stift nicht den Körper des Arrays durchdringt.
Ein weniger invasives alternatives Verfahren des Anbindens des Arrays an die Retina wird illustriert in einer alternativen Ausführungsform der 10. Diese Ausführungsform verwendet inerte miniaturisierte Selten-Erd-Magnete 60, welche an jeder Ecke des Siliziumarrays 22 während des Gusses eingebettet werden. Ein zweiter Satz an Magneten (nicht dargestellt) wird auf die Außenseite des Auges genäht, direkt gegenüber des gewünschten Abschnittes des Arrays 22. Das magnetische Anheften zwischen den intraokularen Magneten 66 in dem Array 22 und den Magneten, aufgenäht auf die Außensei te des Auges, dienen dazu, das Array an seiner Stelle zu halten. Dieses Verfahren macht den Bedarf des Durchstechens der Augenhaut mit einem Stift hinfällig und ermöglicht das einfachere Ersetzen des Arrays.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung setzt einen medizinisch erprobten Kleber ein, wie z.B. Cyanacrylat oder einen anderen geeigneten Kleber, um das Array an der Retina zu sichern. In dieser Ausführungsform wird der Kleber an die Kanten des Arrays vor seiner letztendlichen Platzierung auf die Retina aufgebracht. Eine temporäre Lufttasche wird dann im Glaskörper erzeugt, um das Aushärten des Klebers zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der visuellen Prothese der vorliegenden Erfindung sind die Materialien in den Komponenten, welche Teil des Netzhaut-Implantats sind, diejenigen, welche in den Cochlear-Implantaten derzeit eingesetzt werden. Es sollte festgehalten werden, dass die Konzeption solcher Materialien nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung limitiert, da andere, möglicherweise bessere und geeignetere Materialien für die intra-okulare Implantation etabliert werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Verpackung für die implantierte Elektronik vorzugsweise Titan, abgedeckt durch Silizium dar. Die sekundäre Spule besteht bevorzugt aus Platin und ist auch in Silizium eingebettet. In dieser Ausführungsform besteht das Elektrodenarray vorzugsweise aus Platindrähten innerhalb einer Silizium-Matrix. Alle diese Materialien wurden durch die FDA zur intra-okularen Verwendung zugelassen und zeigen geeignete elektronische und biologische Charakteristika zur Anwendung in solch einer visuellen Prothese.
Verschiedene Modifikationen und alternative Ausführungsformen der Erfindung werden den Fachleuten auf dem Gebiet mit Blick auf die vorangegangene Beschreibung offensichtlich sein. Dementsprechend soll diese Beschreibung so konstruiert werden, dass sie nur illustrativ gedacht ist und zum Zwecke der Lehre der besten Ausführungsform zum Durchführen dieser Erfindung für die Fachleute. Die Details der Struktur und Architektur können substantiell variiert werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen und die exklusive Anwendung aller Modifikationen, welche innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche fallen, wird sich vorbehalten.

Claims

Visuelle Prothese, die folgendes umfasst: a) eine Einrichtung zum Wahrnehmen eines visuellen Bilds, wobei die genannte Einrichtung als Reaktion darauf eine visuelle Signalausgabe erzeugt; b) eine Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung, die eine Elektrodenanordnung (22) umfasst, die Netzhautzellen stimulieren kann, um Phosphene in einem Muster zu erzeugen, dass das Sehvermögen stimuliert, wobei sich die genannte Elektrodenanordnung (22) auf der Oberfläche einer Netzhaut eines Benutzers befinden kann; und c) eine Stromversorgungseinrichtung zur Übertragung von Energie an die genannte Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung, mit einer Primärspule (16) zur drahtlosen Übertragung von Energie und mit einer Sekundärspule (18) zum Empfang der über die Primärspule (16) übertragenen Energie, wobei I. sich die Elektrodenanordnung (22) und die Sekundärspule (18) über einen decodierenden und demultiplexierenden Schaltungsblock (20) in Übertragungsverbindung befinden, zu dem Energie von der Sekundärspule (18) geleitet wird, und der die genannte Energie zu der Elektrodenanordnung (22) überträgt, und wobei II. a) eine Sekundärspule (18) an dem Körper des Benutzers außerhalb einer Wand der Sklera positioniert werden kann, oder b) der decodierende und demultiplexierende Schaltungsblock (20) an dem Körper des Benutzers außerhalb einer Wand der Sklera positioniert werden kann, und wobei die Sekundärspule (18) hinter der Iris positioniert werden kann.
Visuelle Prothese nach Anspruch 1, wobei die genannte Einrichtung zum Wahrnehmen eines visuellen Bilds folgendes umfasst: eine Kameraeinrichtung (12) zum Umwandeln eines visuellen Bilds in elektrische Impulse; eine Bildabtasteinrichtung (30), die mit der genannten Kameraeinrichtung (12) gekoppelt ist, um zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Bild auszuwählen; und eine Codierereinrichtung (32), die mit der genannten Bildabtasteinrichtung (30) gekoppelt ist, um das genannte ausgewählte Bild zu codieren, um eine Anzeige des Bilds in Pixeldarstellung zu ermöglichen.
Visuelle Prothese nach Anspruch 1 oder 2, wobei die genannte Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung folgendes umfasst: eine Decodierereinrichtung (40), die auf die genannte visuelle Signalausgabe anspricht, um die genannte visuelle Signalausgabe in eine Mehrzahl einzelner Stimulationssteuerungssignale zu decodieren; eine Stromerzeugungsschaltkreiseinrichtung (42), die mit der genannten Decodierereinrichtung gekoppelt ist und auf die genannte Mehrzahl einzelner Stimulationssteuerungssignale anspricht, so dass Stimulationsstromsignale erzeugt werden; wobei sowohl die Decodierereinrichtung (40) als auch Stromerzeugungsschaltkreiseinrichtung (42) in dem decodierenden und demultiplexierenden Schaltungsblock (20) enthalten sind; und wobei die genannte Elektrodenanordnung (22) eine Mehrzahl von Elektroden aufweist, die funktionsfähig mit der genannten Stromerzeugungsschaltkreiseinrichtung (42) gekoppelt sind, wobei die genannten Elektroden auf die genannten einzelnen Stimulationssteuerungssignale so ansprechen, dass Stimulationsimpulse erzeugt werden, die ausreichen, um Netzhautgewebe zu stimulieren.
Visuelle Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die genannte Elektrodenanordnung (22) ferner eine Befestigungseinrichtung umfasst, die sich zur Befestigung der genannten Elektrodenanordnung (22) an der Netzhaut eines Benutzers eignet.
Visuelle Prothese nach Anspruch 4, wobei die genannte Elektrodenanordnung (22) darin mindestens eine Befestigungsöffnung definiert, und wobei die genannte Befestigungseinrichtung mindestens einen Netzhautstift (60) umfasst, der in der genannten mindestens einen Befestigungsöffnung positioniert ist.
Visuelle Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die genannte Stromversorgungseinrichtung folgendes umfasst: eine Trägergeneratoreinrichtung (36) zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Trägersignals; wobei die genannte Primärspule (16) funktionsfähig mit der genannten Trägergeneratoreinrichtung (36) gekoppelt ist, um das genannte Hochfrequenz-Trägersignal zu übertragen; wobei die genannte Sekundärspule (18) so eingestellt ist, dass sie das genannte Hochfrequenz-Trägersignal empfängt; und wobei eine Gleichrichtereinrichtung (44) in dem demultiplexierenden Schaltungsblock (20) der mit der genannten Sekundärspule (18) gekoppelt ist, enthalten ist, um Energie aus dem genannten Hochfrequenz-Trägersignal zu extrahieren.
Visuelle Prothese nach Anspruch 6, wobei die genannte Gleichrichtereinrichtung (44) das von der genannten Sekundärspule (18) empfangene genannte Hochfrequenz-Trägersignal gleichrichtet, so dass ein Gleichstromausgang erzeugt wird, um die genannte Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung und den genannten demultiplexierenden Schaltungsblock (20) mit Energie zu versorgen.
Visuelle Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die genannte Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung ein passives Element ist.
Visuelle Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der genannte demultiplexierende Schaltungsblock (20) in einer luftdicht verschlossenen Einheit platziert wird.
Visuelle Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei diese ferner eine Übertragungseinrichtung für das visuelle Signal umfasst, um die genannte visuelle Signalausgabe zu der genannten Netzhautgewebe-Stimulationseinrichtung zu übertragen.
Visuelle Prothese nach Anspruch 10, wobei die genannte Übertragungseinrichtung für das visuelle Signal eine Modulatoreinrichtung (34) umfasst, die auf das genannte Hochfrequenz-Trägersignal und die genannte visuelle Signalausgabe anspricht, um das genannte Hochfrequenz-Trägersignal durch die genannte Ausgabe zu modulieren, wobei die genannte Modulatoreinrichtung ein mittels Hochfrequenz moduliertes Bildsignal erzeugt; und wobei eine Demodulatoreinrichtung (38) in dem genannten decodierenden und demultiplexierenden Schaltungsblock (20) enthalten ist, um die genannte visuelle Signalausgabe aus dem genannten Hochfrequenz-Trägersignal zu extrahieren.