DE4424753B4 - Retinal implant - Google Patents

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Abstract

Retina-Implantat, bestehend aus
– einem isolierenden Substrat, auf dem eine Filament-Elektroden-Array-Anordnung leitender Kontaktkörper angeordnet ist,
– einem auf oder in dem Substrat an angebrachten Leiterbahnsystem , das zur Ansteuerung der Kontaktkörper dient und mit Anschlüssen (Kontakt-Bumps) versehen ist, die an dem Substrat angebracht sind und mit einer externen oder implantierten Ansteuerungsvorrichtung in Verbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet,
– das Substrat und die Kontaktkörper flexibel, verformbar und
– die Kontaktkörper noppen-, kegel- oder pyramidenförmig ausgebildet sind.Retina implant consisting of
An insulating substrate on which a filament electrode array arrangement of conductive contact bodies is arranged,
A conductor track system attached to or in the substrate, which serves to control the contact bodies and is provided with connections (contact bumps) which are attached to the substrate and are connected to an external or implanted control device,
characterized,
- The substrate and the contact body flexible, deformable and
- The contact body are knob-shaped, cone-shaped or pyramid-shaped.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Retina-Implantat gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, wie es aus der US Patentschrift 5 109 844 bekannt ist.The invention relates to a retina implant according to the preamble of claim 1 as known from US Patent 5,109,844 is.

Stand der Technik; Nachteile des Standes der TechnikState of the art; disadvantage the state of the art

Erste Versuche wurden unternommen, konventionelle, starre Mikroelektroden direkt in die visuelle Hirnrinde eines Patienten zu implantieren (NIH, USA). Bei Elektrodenreizung empfand der blinde Patient eine Wahrnehmung von Leuchtpunkten.First attempts have been made conventional, rigid microelectrodes directly into the visual cerebral cortex to implant a patient (NIH, USA). With electrode irritation the blind patient felt a perception of luminous dots.

Nachteile: Es muß die Schädelkalotte geöffnet werden; operativ sehr aufwendig.Disadvantages: the skull cap must be opened; operationally very complex.

In der Retina müssen zur effektiven Ankopplung von Elektroden tiefere Strukturen erreicht werden. Ein flaches Elektroden-Array gemäß der US Patentschrift 5 109 844 würde dieser Aufgabe nicht Genüge leisten. Das dort beschriebene Substrat ist ca 300 um stark und entspricht einem üblichen starren Wafer.In the retina for effective coupling deeper structures can be achieved by electrodes. A flat electrode array according to the US Patent 5 109 844 would this task is not enough Afford. The substrate described there is approx. 300 µm thick and corresponds to a usual rigid wafer.

Einen möglichen Ansatz bilden Nadelkissen-Elektroden aus Silizium (Jones, K.E., Campbell, P.K., Normann, R.A.: A glass/silicon composite intracortical electrode array, Annals of Biomedical Engeneering, 20, 423-437 (1992). Meier, J.H., Selectivity and design of neuro-electronic interfaces. Ph.D. thesis, University of Twente (1992). Hoogerwerf, A.C., Wise, K.D.: A three-dimensional neural recording arrays. Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators 120-123 (1991) und US Patentschrift 4 628 933. Nachteil: Diese Silizium-Strukturen sind starr, brechen leicht und sind in Bezug auf Biokompatibilität noch unzureichend erforscht.Pincushion electrodes are one possible approach made of silicon (Jones, K.E., Campbell, P.K., Normann, R.A .: A glass / silicon composite intracortical electrode array, annals of biomedical engineering, 20, 423-437 (1992). Meier, J.H., Selectivity and design of neuro-electronic interfaces. Ph.D. thesis, University of Twente (1992). Hoogerwerf, A.C., Wise, K.D .: A three-dimensional neural recording arrays. Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators 120-123 (1991) and U.S. Patent 4 628 933. Disadvantage: These silicon structures are rigid, break light and are still insufficiently researched in terms of biocompatibility.

Aus der US Patentschrift 5 016 633 ist weiterhin ein subretinales Implantat bekannt, das im Bereich der Netzhaut angebracht wird und besteht aus Photodioden, deren elektrische Energie in aktive Elektroden eingespeist wird. Das Substrat ist vollkommen starr.From U.S. Patent 5,016,633 a subretinal implant is also known that is in the area is attached to the retina and consists of photodiodes whose electrical energy is fed into active electrodes. The substrate is completely rigid.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Retina-Implantat, bzw. der Retina-Kontaktstrukur, ein starres Substrat zu vermeiden und die einzelnen Punktelektroden so auszubilden, dass sie einen engen Kontakt mit der Retinaoberfläche und tieferen Schichten der Retina eingehen, hierbei aber die Retina möglichst wenig schädigen.The object of the invention is to a retinal implant, or the retinal contact structure, a rigid one To avoid substrate and to form the individual point electrodes in such a way that they are in close contact with the retinal surface and deeper layers of the retina, but here the retina preferably little harm.

Diese Aufgabe wird durch das Retina-Implantat nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This task is accomplished through the retina implant solved according to claim 1. Advantageous refinements are characterized in the subclaims.

Mit der Erfindung erzielte VorteileWith the invention benefits achieved

Folgende Vorteile werden mit der Erfindung erziehe:The following advantages are with the Educate invention:

  • – Die flexiblen Substrat und Kontaktstrukturen können in tiefere Strukturen der Retina eindringen und somit tiefer gelegene Zellen direkt erreichen. Damit werden geringe Reizstromstärken zur Stimulation der Nervenzelle benötigt. Eine auf tiefere Areale verteilte höhere räumliche Auflösung der Stimulation ist erreicht.- The flexible substrate and contact structures can go into deeper structures penetrate the retina and thus directly reach lower cells. In order to become low stimulus currents needed to stimulate the nerve cell. One on deeper areas distributed higher spatial resolution stimulation is achieved.

Das Filament-Elektroden-Array stellt eine elastische Kontaktstruktur eines Retina-Implantats dar, um eine neuroprothetische Sehhilfe für Patienten zu schaffen, die z.B. an Retinitis Pigmentosa erkrankt sind.The filament electrode array provides an elastic contact structure of a retinal implant to to create a neuroprosthetic vision aid for patients who e.g. are suffering from retinitis pigmentosa.

Erzeugte Verbesserung und Vorteile gegenüber dem Stand der TechnikGenerated improvement and advantages over the state of the art

Da es sich um äußerst flexible Strukturen handelt, wird die Retina minimal traumatisiert. Ein völlig neuer Ansatz besteht darin, das Filament-Elektroden-Array vollständig (einschließlich dem Elektrodenmaterial) aus biokompatiblen Materialien (z.B. Silikon Kautschuk) aufzubauen. Damit besteht ein weiterer Vorteil darin, daß nur geringe Abstoßungserscheinungen des retinalen Gewebes zu erwarten sind.Since the structures are extremely flexible, the retina is minimally traumatized. A completely new approach is the filament electrode array completely (including the Electrode material) made of biocompatible materials (e.g. silicone Rubber). Another advantage is that only minor signs of rejection of the retinal tissue are to be expected.

Grundzüge des LösungswegesBasics of the solution

Das Filament-Elektroden-Array (FEA) besteht aus einem flexiblen, isolierenden Substrat und leitenden Filamenten (siehe 1). Durch Verknüpfung mikromechanischer Strukturierung und Abformtechniken werden Strukturen mit Filamenten aus flexiblen, biokompatiblen Materialien (z.B. Polymeren: Silikon, Kautschuk, Polyurethan, Polyimid) hergestellt.The filament electrode array (FEA) consists of a flexible, insulating substrate and conductive filaments (see 1 ). By combining micromechanical structuring and impression techniques, structures with filaments made of flexible, biocompatible materials (e.g. polymers: silicone, rubber, polyurethane, polyimide) are produced.

Die Filamente selbst können aus leitendenden Polymeren (z.B. Polyacetylen oder Polypyrrol) oder leitendem Silikonkautschuk bestehen. Das flexible Material kann z.B. mit Metall dotiert sein oder Metallfasern enthalten, z.B. Gold, Silber, Platin oder Iridium. Ebenso können die Filamente dadurch hergestellt werden, daß flexible Metallfasern mit dem flexiblen Polymer oder Kautschuk umhüllt werden, wobei nur die Kontaktspitzen nicht isoliert sind. Es entstehen so kammförmige Elemente. Die Länge der Filamente beträgt ca. 10 – 50 um. Mögliche Substratmaterialien sind Polyimid oder isolierender Silikonkautschuk. Einfache Strukturen können durch Bearbeitung mit einer Wafer-Säge, Methoden der Mikroassemblierung oder bei komplexeren Strukturen durch Einsatz von Lithographie-Galvanoabformungstechnik erstellt werden. Die einzelnen Filamente werden selektiv angesteuert und müssen somit an eine Mikroelektronik, die implantiert sein kann oder extern am Körper angeordnet, ankoppelbar sein. Die Mikroelektronik zur Ansteuerung des Arrays wird beispielsweise an die Ausgänge einer Videokamera angeschlossen. Das Bild der Videokamera muß dann natürlich zwischenverarbeitet werden, so daß nur relativ große Körper erkennbar werden. Die Bildelemente der Videokamera müssen ja mit der Anzahl der Elektroden des Arrays übereinstimmen. Die Kontaktierung der einzelnen Filamente bzw. zu dem flexiblen Substrat mit elektronischen Bauelementen kann über Anschlüsse (Kontakte-Bumps) an den Kanten des Substrats erfolgen. Die Kontakte-Bumps und die entsprechende Oberfläche des Substrates, die zur Aufnahme der Filamente vorgesehen sind, werden so mikromechanisch strukturiert, daß eine Klettverschluß-ähnliche Verbindung zwischen dem flexiblen Elektroden-Array und dem Substrat entsteht.The filaments themselves can consist of conductive polymers (eg polyacetylene or polypyrrole) or conductive silicone rubber. The flexible material can, for example, be doped with metal or contain metal fibers, for example gold, silver, platinum or iridium. The filaments can also be produced by coating flexible metal fibers with the flexible polymer or rubber, only the contact tips not being insulated. This creates comb-shaped elements. The length of the filaments is approximately 10-50 µm. Possible substrate materials are polyimide or insulating silicone rubber. Simple structures can be created by machining with a wafer saw, methods of microassembly or, in the case of more complex structures, by using lithographic electroplating technology. The individual filaments are controlled selectively and must therefore be able to be coupled to microelectronics, which can be implanted or arranged externally on the body. The microelectronics for controlling the array are, for example, connected to the outputs of a video camera closed. The image of the video camera must then of course be processed in such a way that only relatively large bodies can be recognized. The picture elements of the video camera must match the number of electrodes in the array. The individual filaments or to the flexible substrate can be contacted with electronic components via connections (contact bumps) on the edges of the substrate. The contact bumps and the corresponding surface of the substrate, which are provided for receiving the filaments, are structured micromechanically in such a way that a Velcro-like connection is created between the flexible electrode array and the substrate.

Eine Modifizierung des flexiblen Elektroden-Array zu einer Kontaktstruktur mit konischen Elektroden-Arrays ist möglich und in 2 angedeutet. Die Struktur besitzt ebenfalls einen Durchmesser von weniger als zwei Millimeter.A modification of the flexible electrode array to a contact structure with conical electrode arrays is possible and in 2 indicated. The structure also has a diameter of less than two millimeters.

Die konischen Elemente sind ebenfalls leitende Silikon-Kautschuk-Noppen oder Prismen auf isolierendem Silikon-Kautschuk-Substrat. Die Höhe der Noppen beträgt dabei etwa 20 μm, die Kantenlänge 25 μm.The conical elements are also conductive silicone rubber nubs or prisms on insulating Silicone rubber substrate. The height of the knobs is about 20 μm, the edge length 25 μm.

Das Retina-Implantat wird zwischen der Retina und dem Glaskörper, aber außerhalb des Strahlenganges implantiert, wobei sich die Filamente bzw. Noppen oder Prismen in die Retina eindrücken ohne sie zu verletzen. Diese Körper sollten in jedem Falle so ausgebildet sein, daß sich die leitenden Spitzen der Kamm- oder Wabenstruktur in das Gewebe der Retina eindrücken lassen, ohne diese zu traumatisieren und so elektrische Impulse auch in tiefere Regionen einbringbar sind.The retina implant is between the retina and vitreous, but outside of the beam path implanted, the filaments or nubs or press prisms into the retina without hurting her. These bodies should in any case be designed so that the conductive tips of the Have the comb or honeycomb structure pressed into the tissue of the retina, without traumatizing them and thus electrical impulses even in deeper regions can be brought in.

Claims (3)

Retina-Implantat, bestehend aus – einem isolierenden Substrat, auf dem eine Filament-Elektroden-Array-Anordnung leitender Kontaktkörper angeordnet ist, – einem auf oder in dem Substrat an angebrachten Leiterbahnsystem , das zur Ansteuerung der Kontaktkörper dient und mit Anschlüssen (Kontakt-Bumps) versehen ist, die an dem Substrat angebracht sind und mit einer externen oder implantierten Ansteuerungsvorrichtung in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, – das Substrat und die Kontaktkörper flexibel, verformbar und – die Kontaktkörper noppen-, kegel- oder pyramidenförmig ausgebildet sind.Retina implant, consisting of - an insulating substrate on which a filament electrode array arrangement of conductive contact bodies is arranged, - a conductor track system attached to or in the substrate, which serves to control the contact bodies and with connections (contact bumps ) is provided, which are attached to the substrate and are connected to an external or implanted control device, characterized in that - the substrate and the contact bodies are flexible, deformable and - the contact bodies are knob-shaped, cone-shaped or pyramid-shaped. Retina-Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Polymer oder Silikon-Kautschuk und/oder ein anderes körperverträgliches Substrat ist.Retina implant according to claim 1, characterized in that that this Substrate is a polymer or silicone rubber and / or another biocompatible Substrate. Retina-Implantat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Kontaktkörper aus leitenden Filamenten bestehen, die ganz aus leitendem, flexiblen körperverträglichem Material bestehen, oder aus Metalldrähten aus Silber, Gold, Platin, Iridium, das mit einem Polymer umhüllt ist.Retina implant according to claim 1, characterized in that that the conductive contact body conductive filaments are made entirely of conductive, flexible biocompatible Material, or metal wires made of silver, gold, platinum, Iridium coated with a polymer.
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