Die vorliegende Erfindung betrifft eine zur Implantation
bei einem Säugetier, insbesondere beim Menschen, vorgese
hene Mikrokontaktstruktur, die zur Kontaktierung von Ner
vengewebe im visuellen System vorgesehen ist. Genauer
gesagt soll die Mikrokontaktstruktur zur Kontaktierung
der Ganglienzellen in der Netzhaut um die Fovea herum ei
nerseits oder zur Kontaktierung des visuellen Kortex (A
rea V1) eingerichtet werden.
Durch einen genetischen Defekt ausgelöste oder erworbene
Erblindungen können unter anderem zwei Ursachen haben.
Die erste Ursache ist die Zerstörung der Photorezeptor
schicht in der Retina, wonach auftreffende Photonen nicht
in entsprechende Stimulation der Ganglienzellen umgesetzt
wird. Bei diesem Krankheitsbild sind die Ganglienzellen
nur teilweise betroffen, so daß eine externe Stimulation
der noch vorhandenen Ganglienzellen eine visuelle Wahr
nehmung erzeugen kann. Auf dieser Basis werden seit eini
ger Zeit Entwicklungen vorgenommen, die die Implantation
einer Mikrokontaktstruktur zur Kontaktierung der Gang
lienzellen beinhalten.
Die zweite im vorliegenden Zusammenhang wesentliche Ursa
che der Erblindung kann in einer Unterbrechung der Sig
nalübermittlung zwischen den Ganglienzellen und dem für
die visuelle Wahrnehmung zuständigen Bereich im Gehirn
oder einer Fehlfunktion der Ganglienzellen selbst liegen.
Für dieses Krankheitsbild werden ebenfalls Implantate
entwickelt, bei denen eine Mikrokontaktstruktur unmittel
bar mit dem visuellen Kortex, genauer gesagt der Area V1
des visuellen Kortex, in Kontakt stehen und dort durch
elektrische Stimulation eine visuelle Wahrnehmung erzeu
gen.
Die bislang bekannten Mikrokontaktstrukturen bestehen im
wesentlichen aus einem Trägermaterial, das einseitig e
lektrisch leitende, stift- oder nadelförmig ausgebildete
Kontaktelemente trägt, die sich über die Ebene der Trä
gerfolie erheben. Solche Mikrokontaktstrukturen sind bei
spielsweise aus der US 5,109,844, der US 5,159,927, der
US 5,411,540, der DE 195 25 570 A1 oder der EP 0460320 B1
bekannt. Bei all diesen Mikrokontaktstrukturen sind die
einzelnen Kontakte gleichmäßig, d. h. mit einer konstanten
Flächendichte auf der Oberfläche des Implantats verteilt.
Die Flächendichte liegt dabei etwa im Bereich bis 20 Kon
takten pro mm2. Dabei ist man bislang davon ausgegangen,
daß zur Steigerung der visuellen Auflösung eine möglichst
hohe Flächendichte der Mikrokontakte erstrebenswert ist.
In der Praxis zeigt sich, daß dieses Konzept ebenso wie
die bisher bekannten Mikrokontaktstrukturen problematisch
ist. Ein Problem besteht darin, daß mit der zunehmenden
Vergrößerung der Zahl der Mikrokontakte eine entsprechen
de Vergrößerung der diese Mikrokontakte speisenden exter
nen Anordnung bedingt. Jeder einzelne Mikrokontakt wird
nach den derzeitigen Konzepten von einem separaten Kanal
eines Encoders gespeist. Die Randbedingungen dieser ex
ternen Vorrichtung sind die Abmessungen, der Energie
verbrauch und letztlich auch die Kosten. Wenn mit einer
gegebenen externen Versorgungseinheit eine bestimmte An
zahl von Mikrokontakten gespeist werden kann, so soll mit
dieser Anzahl von Mikrokontakten eine möglichst optimale
visuelle Wahrnehmung erzeugt werden. Hierfür ist die ge
genwärtige Verteilung der Mikrokontakte mit konstanter
Flächendichte nachteilig, denn sie berücksichtigt nicht,
daß ein Bereich des zentralen Gesichtsfeldes für die Er
kennung bestimmter Gegenstände höher zu bewerten ist als
der umgebende Randbereich.
Weiter ist das mit den Mikrokontakten zu kontaktierende
Gewebe nicht so aufgebaut, daß ein bestimmter Abstand
zweier Punkte voneinander auf dem Gewebe in jedem Bereich
des Gesichtsfeldes dem gleichen Winkelabstand bezogen auf
die Blickachse entspricht. Es ist vielmehr so, daß im
Falle der Ganglienzellen der Netzhaut um den Bereich des
schärfsten Sehens, der Fovea genannt wird, zunächst gar
keine Ganglienzellen vorhanden sind, dann in einem gerin
gen radialen Abstand vom Mittelpunkt der Fovea eine große
Dichte an Ganglienzellen vorliegt, die zu einer kraterar
tigen Aufwölbung am Rand der Fovea führt. Anschließend an
diesen Bereich wird die Schicht der Ganglienzellen dün
ner.
Wird dieser Bereich mit einer Mikrokontaktstruktur be
legt, die eine konstante Flächendichte der Mikrokontakte
aufweist, so erreichen die Mikrokontakte im Zentrum der
Fovea keine Ganglienzellen. Die mit diesen Mikrokontakten
verbundenen Kanäle der externen Versorgungseinrichtung
bleiben ohne physiologische Funktion. Im Bereich des
"Kraterrandes" der Fovea sind pro Flächeneinheit sehr
viele Ganglienzellen vorhanden, so daß für eine gegebene
Anzahl von Ganglienzellen relativ wenige Mikrokontakte
zur Verfügung stehen. Im Außenbereich nimmt dann die Flä
chendichte der Ganglienzellen ab, während die Flächen
dichte der Mikrokontakte gleich bleibt. Die Zahl der Mik
rokontakte, die für eine bestimmte Anzahl von Ganglien
zellen verfügbar sind, steigt somit an.
Diese physiologischen Gegebenheiten führen dazu, daß aus
gerechnet in dem Bereich, der für das zentrale Gesichts
feld und den Bereich des schärfsten Sehens zuständig ist,
nämlich dem "Kraterrand" der Fovea, relativ wenige Mikro
kontakte zur Verfügung stehen, während in dem umgebenden
Bereich, der für die visuelle Wahrnehmung eine eher un
tergeordnete Rolle spielt, proportional viele Mikrokon
takte zur Verfügung stehen. Das mit einer solchen Mikro
kontaktstruktur mit konstanter Flächendichte erreichte
Ergebnis ist deshalb nicht optimal, sowohl hinsichtlich
des erzielten visuellen Eindrucks, der den wichtigsten
Teil des Gesichtsfeldes unterrepräsentiert, als auch hin
sichtlich der möglichst effektiven Nutzung der externen
Versorgungseinrichtung.
Entsprechendes gilt für die Kontaktierung des visuellen
Kortex. Auch dort ist die Zuordnung zwischen der Oberflä
che von korrespondierenden Gesichtsfeldorten auf der
Hirnoberfläche und dem abgebildeten Gesichtsfeld nicht
linear. Eine Mikrokontaktstruktur mit konstanter Flächen
dichte der Mikrokontakte würde auch hier bezogen auf die
physiologische Bewertung des Gesichtsfeldes zu einer Un
terrepräsentierung des zentralen Bereichs des Gesichts
feldes führen.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Mikrokontaktstruktur zu schaffen, die eine Kontaktierung
des Nervengewebes unter Berücksichtigung der nicht linea
ren Zuordnung zwischen Gewebeoberfläche und dem Gesichts
feld erlaubt und die es weiter ermöglicht, bei einer be
schränkten Anzahl zur Verfügung stehender Kanäle diese so
mit dem Gewebe verbindet, daß der physiologisch höher be
wertete Teil des Gesichtsfeldes mit einer größeren Anzahl
von Mikrokontakten abgebildet wird als der niedriger be
wertete Teil des Gesichtsfeldes.
Diese Aufgabe wird für die Implantation im Auge von einer
Mikrokontaktstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und für die Implantation am visuellen Kortex von einer
Mikrokontaktstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 7
gelöst.
Weil bei der Mikrokontaktstruktur zur Implantation im Au
ge über die Fläche der Mikrokontaktstruktur die Flächen
dichte der Mikrokontakte nicht konstant ist, kann die
Verteilung der Mikrokontakte so gewählt werden, daß eine
möglichst effiziente Zuordnung der verfügbaren Kanäle,
die durch die externen Ressourcen begrenzt sind, zu dem
abzubildenden Gesichtsfeld erfolgt. Dabei erhalten Berei
che des Gesichtsfeldes mit höherer physiologischer Bewer
tung eine höhere Mikrokontaktdichte als Bereiche mit ge
ringerer Relevanz. Zusätzlich kann die Flächendichte der
Mikrokontakte an die Dichte der zu kontaktierenden Neuro
nen in dem jeweils kontaktierten Gewebe angepaßt werden.
Vorteilhaft ist es dabei, wenn bei der Mikrokontaktstruk
tur zur epiretinalen Kontaktierung eine runde oder ovale
rotationssymmetrische Konfiguration mit einem Mittelpunkt
gewählt wird, wobei der Mittelpunkt im implantierten Zu
stand im Bereich der Fovea des Auges angeordnet ist und
ein Bereich mit einem Radius von etwa 175 bis 200 µm um
diesen Mittelpunkt frei von Mikrokontakten, zumindest von
aktiv genutzten Mikrokontakten ist.
Die Mikrokontakte werden vorzugsweise mit ihrer größten
verfügbaren Flächendichte in einem radial von dem Mittel
punkt um etwa 200 µm bis 1200 µm beabstandeten Bereich
angeordnet. In einem radial vom Mittelpunkt um mehr als
etwa 1200 µm beabstandeten Bereich, der physiologisch ge
ringer bewertet wird, weisen die Mikrokontakte vorzugs
weise eine geringere Flächendichte als im ersten Bereich
auf, so daß für diesen Bereich weniger Ressourcen der ex
ternen Versorgungseinrichtung erforderlich sind.
Vorzugsweise sind die Mikrokontakte im wesentlichen rota
tionssymmetrisch um den Mittelpunkt der Mikrokontakt
struktur angeordnet.
Die Verteilung der Mikrokontakte in dem ersten Bereich
und in dem zweiten Bereich wird vorteilhaft kontinuier
lich variiert, wobei in dem ersten Bereich ein Flächen
dichtemaximum liegt und von da aus die Flächendichte ra
dial nach außen kontinuierlich abfällt. Angesichts der
begrenzten Zahl der Mikrokontakte (wenige 100 pro Implan
tat) kann auch von einer quasikontinuierlichen Verteilung
gesprochen werden.
Eine weitere Optimierung zwischen dem physiologischen
Nutzen der durch die Mikrokontaktstruktur erzeugten visu
ellen Wahrnehmung und der Anzahl der verfügbaren Mikro
kontakte bzw. der mit den Mikrokontakten verbundenen Res
sourcen wird erreicht, wenn die Flächendichte der Mikro
kontakte in der Ebene, die im natürlichen Gesichtsfeld
die Horizontale darstellt, größer ist als in den Berei
chen, die im natürlichen Gesichtsfeld oben und unten lie
gen.
Entsprechendes gilt für die Mikrokontaktstruktur zur Im
plantation am visuellen Kortex. Dort werden die Mikrokon
takte entsprechend der retinotopen Projektion des Ge
sichtsfeldes auf den visuellen Kortex, genauer gesagt auf
die Area V1 je Gesichtsfeldhälfte, die Mikrokontakte vor
zugsweise in einem etwa parabelförmigen Bereich angeord
net, wobei die Flächendichte der Mikrokontakte im Bereich
des Scheitelpunktes der Parabel ein Maximum aufweist. Da
bei entspricht der parabelförmige Bereich vorzugsweise
der Form des visuellen Kortex, wobei die größte Dichte
der Mikrokontakte in einem Bereich liegt, der der Fovea
entspricht. Bevorzugt werden etwa 90% der Mikrokontakte
in dem Bereich angeordnet, der einem etwa konzentrischen
Gesichtsfeld mit einem Öffnungswinkel von 5° von der
Blickachse entspricht.
Die Flächendichte der Mikrokontakte nimmt ausgehend von
dem der Fovea zugeordneten Bereich vorzugsweise in jede
Richtung kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich ab. Da
bei wird auch hier eine besonders gute Ausnutzung der
Ressourcen erreicht, wenn die Flächendichte in der die
Horizontalebene des natürlichen Gesichtsfeldes abbilden
den Richtung höher ist als in den Bereichen, die im na
türlichen Gesichtsfeld oben und unten darstellen. Bezüglich
der retinotopen Projektion bedeutet das, daß entlang
einer Linie von dem der Fovea entsprechenden Punkt ent
lang der Symmetrieachse der Parabel in temporaler und
weiter exzentrischer Richtung die Flächendichte der Mik
rokontakte abnimmt.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der vorlie
genden Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 eine Mikrokontaktstruktur mit etwa rotations
symmetrischer Anordnung für die epiretinale Im
plantation in einer Draufsicht;
Fig. 2 eine grafische Darstellung des Verlaufs der
Flächendichte der Mikrokontakte in radialer
Richtung;
Fig. 3 eine Mikrokontaktstruktur mit etwa parabelför
miger Anordnung für die kortikale Implantation,
ebenfalls in einer Draufsicht; sowie
Fig. 4 eine grafische Darstellung des Verlaufs der
Flächendichte der Mikrokontakte in Richtung der
Symmetrieachse der parabelförmigen Vorrichtung
gemäß Fig. 3.
Die Fig. 1 zeigt eine Mikrokontaktstruktur mit etwa ro
tationssymmetrischer Anordnung für die epiretinale Im
plantation in einem Auge in einer Draufsicht.
Die Mikrokontaktstruktur weist eine etwa kreisscheiben
förmige Trägerfolie 1 auf, die beispielsweise in mehrere
Sektoren gegliedert und aus Polyimid gefertigt ist. Auf
dieser Trägerfolie ist eine Vielzahl (in der Fig. 1 etwa
200) von Mikrokontakten 2 ausgebildet, die in an sich bekannter
Weise beispielsweise aus kleinen vorgewölbten
Platinstrukturen bestehen, die etwa senkrecht auf der
Trägerfolie stehen. Diese Mikrokontakte 2 sind wiederum
über Leiterbahnen mit einer nach außen führenden Daten
leitung 3 verbunden, die unidirektional oder bidirektio
nal Signale an die Mikrokontakte 2 leitet bzw. von diesen
empfängt. Statt einer Datenleitung kann auch eine draht
lose Kommunikation vorgesehen sein.
Die Trägerfolie 1 weist insgesamt drei konzentrische Be
reiche auf, einen zentralen Bereich 5, der im implantier
ten Zustand die Fovea überdeckt, einen ersten Bereich 6,
der im implantierten Zustand den kraterförmigen Rand der
Fovea bedeckt, und einen äußeren Bereich 7, der die radi
al weiter außen liegenden Bereiche der Retina bedeckt.
Der Bereich 5 kann in einem konkreten Ausführungsbeispiel
auch frei von Material sein, also ein mittiges Loch in
dem Implantat bilden. Dieser Bereich 5 ist für das Imp
lantat im vorliegenden Zusammenhang ohne Funktion.
Der erste Bereich 6 kontaktiert den "Kraterrand", also
den die Fovea unmittelbar umgebenden Bereich, in dem die
Dichte der Ganglienzellen am größten ist. Hier ist auch
derjenige Bereich der Ganglienzellen angeordnet, der dem
zentralen fovealen und parafovealen Gesichtsfeld ent
spricht. Deshalb sind in diesem Bereich 6 die Mikrokon
takte 2 mit der größten Flächendichte angeordnet. Von den
rund 200 Mikrokontakten in der Fig. 1 enthält der Bereich
6 etwa 180. Er repräsentiert ein Gesichtsfeld bis zu ei
ner Exzentrizität von etwa 8° (kegelförmig mit einem Öff
nungswinkel von 16°).
Der Bereich 6 wird in einer konkreten Ausführungsform
nicht plan sein, sondern der Außenkontur des fovealen Bereichs
der Retina angepasst und gegebenenfalls in Sekto
ren unterteilt sein.
Die Fig. 2 zeigt den idealisierten funktionalen Zusammen
hang zwischen dem radialen Abstand eines Punktes auf der
Mikrokontaktstruktur von ihrem Mittelpunkt und der Flä
chendichte Φ der Mikrokontakte. Es ist erkennbar, dass
der zentrale Bereich 5 frei von Mikrokontakten ist, folg
lich die Flächendichte 0 aufweist. Der erste Bereich 6
hat bei 10 ein Maximum, was möglichst genau mit dem Be
reich der höchsten Ganglienzelldichte der Retina überein
stimmt. Der zweite äußere Bereich 7 schließlich weist ei
ne abfallende Flächendichte auf, die auch die physiolo
gisch geringere Signifikanz des zugeordneten äußeren Ge
sichtsfeldes widerspiegelt. Im Betrieb soll der erste Be
reich 6 mit seiner höheren Auflösung dem Implantatträger
ein Erkennen eines Gegenstandes ermöglichen, während der
zweite Bereich mit seiner geringeren Auflösung insbeson
dere eine Bewegungswahrnehmung ermöglichen soll.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein kortikales Imp
lantat 11 mit Mikrokontakten 12, die auf der Oberfläche
wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 senkrecht zu
der Ebene der Trägerfolie angeordnet sind. Eine uni- oder
bidirektionale Datenleitung 13 stellt wie in Fig. 1 die
Verbindung mit einer externen Ressource her.
Die Form des Implantats entspricht der Form des rechten
visuellen Kortex im Gehirn eines Rhesusaffen, in dem das
Gesichtsfeld auf einen parabelförmigen Bereich abgebildet
wird. Diese retinotope Abbildung des Gesichtsfeldes auf
die Area V1 des visuellen Kortex ist aus der Literatur
bekannt und experimentell nachgewiesen, siehe Tootell et
al., J. Neur. Sci. 1988 Bd. 8 S. 1531-1568. Analog wird
das Gesichtsfeld anderer Säugetiere ebenfalls auf den je
weiligen visuellen Kortex abgebildet, dessen Form unter
schiedlich sein kann.
Zu dem dargestellten Implantat, das den rechten visuellen
Kortex kontaktiert, ist ein zweites spiegelbildliches
Implantat vorgesehen, das den gegenüber liegenden linken
visuellen Kortex kontaktiert. Hiermit sind dann beide Ge
sichtsfeldhälften zugänglich.
Die Flächendichte der Mikrokontakte ist in der Fig. 4 in
einer Darstellung entsprechend Fig. 2 veranschaulicht.
Ausgehend von dem Scheitelpunkt der Parabel, der mit F'
bezeichnet ist und der der Fovea der Retina entspricht,
nimmt die Flächendichte kontinuierlich ab, wobei ein sich
von dem Punkt F' bis etwa zu der Linie 15 erstreckender
Bereich ein Gesichtsfeld bis zu einer Exzentrizität von
5° für die zugehörige linke Gesichtfeldhälfte repräsen
tiert. Dieser Bereich enthält rund 80% der verfügbaren
Mikrokontakte 12.
Für den Implantatträger bedeutet diese Konfiguration,
dass wie oben beschrieben, der zentrale Bereich bis zu
einer Exzentrizität von beispielsweise 5° das Erkennen
von Gegenständen erlaubt, während der außerhalb dieses
Kegels liegende Bereich größerer Exzentrizität nur eine
Wahrnehmung erlaubt, die den Implantatträger möglicher
weise veranlasst, sich dem peripher wahrgenommenen Objekt
zuzuwenden, um es erkennen zu können.
Bei einer beschränkten Anzahl von verfügbaren stimulie
renden Kanälen in der externen Ressource, von denen man
in der Realität ausgehen muß, wird mit einer nicht
gleichförmigen Verteilung der Mikrokontakte über die Flä
che der Mikrokontaktstruktur so ein besseres Ergebnis
hinsichtlich Wahrnehmung und Erkennung von Objekten und
Personen erzielt als es mit den bisher bekannten Mikro
kontaktstrukturen mit gleichförmiger Flächendichte der
Mikrokontakte möglich ist.
Es sind neben den beschriebenen Verteilungen auch andere
Konfigurationen möglich, beispielsweise mit einer noch
größeren Konzentration im Bereich der Fovea, die eventu
ell das Lesen von Texten ermöglicht, aber bei gegebener
Anzahl von extern versorgten Kanälen nur eine geringere
periphere Wahrnehmung erlaubt. Im Straßenverkehr kann ei
ne Verteilung mit anderen Schwerpunkten vorteilhaft sein,
die eine für Fußgänger wichtige periphere Wahrnehmung be
tont, zu Lasten einer hohen Auflösung im zentralen Ge
sichtsfeld.
Die Mikrokontakte selbst können in Bereichen mit großer
Flächendichte spitz oder mit besonders kleinem Durchmes
ser ausgebildet sein, während in den Außenbereichen mit
geringer Flächendichte an Mikrokontakten diese eine
stumpfere Ausbildung haben können, beispielsweise halbku
gelförmig. So werden in den ersten Bereichen die zugeord
neten rezeptiven Felder sehr selektiv stimuliert, während
im Außenbereich größere rezeptive Felder mit wenigen Mik
rokontakten erreicht werden.
Während in den Ausführungsbeispielen beschrieben wurde,
dass die tatsächlich vorhandene Anzahl der Mikrokontakte
pro Flächeneinheit variiert, können bei anderen Ausfüh
rungsformen auch Mikrokontakte mit gleichmäßiger Flächen
dichte vorhanden sein, wenn die Zahl der aktiv mit der
externen Ressource verbundenen Mikrokontakte variiert. Im
peripheren Bereich wird dann eine größere Zahl von Mikro
kontakten zwar physisch vorhanden sein, aber nicht kontaktiert
sein, während im Bereich des zentralen Gesichts
feldes jeder oder nahezu jeder Mikrokontakt aktiv ist.