Entwicklung und Aufbau monolithisch integrierter elektronischer Komponenten zur Ansteuerung und zum Auslesen bidirektionaler Multielektrodenarrays

• Antragsteller: Professor Dr. Anton Grabmaier
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 143692466

Das Forschungsvorhaben behandelt die Möglichkeit der gleichzeitigen Stimulierung und Ableitung von Nervenzellen der Netzhaut. Dies wird mit den im Projekt entwickelten neuen Tiefenstimulations-Elektroden (TSE) erreicht. Die TSE haben mehrere Elektroden pro Schaft. Jede Elektrode kann entweder als Stimulations- oder Ableitungselektrode genutzt werden, womit die Möglichkeit der gleichzeitigen Stimulation und Ableitung in einem kleinen Bereich des Gewebes ermöglicht wird. Aus technischer Sicht sind hiermit entscheidende Erkenntnisse bei der Entwicklung besserer Implantate zu erwarten, da nun auch unterschiedliche Tiefen der Retina stimuliert werden können. Eine automatische gewebeabhängige Stimulationsparameter-Anpassung wäre ebenfalls möglich. In der ersten Projektphase hat sich in Verbindung mit den im Wesentlichen verkleinerten TSE gezeigt, dass mit dem herkömmlichen Simulationsverfahren ein Ladungstransfer nicht ohne das Auftreten von Schädigungen an der Grenzschicht zum Gewebe möglich ist. Im Projektverlauf konnte ein neues Stimulationsverfahren gefunden werden, mit dem eine sowohl für die Retina als auch für die Elektrode schädigungsfreie Stimulation auch tieferer Netzhautschichten ermöglicht wird.Die Ziele für die hier beantragte zweite Projektphase sind einerseits die Fortführung der funktionalen Verifikation mit den gegen Ende der ersten Förderphase vollständig vorliegenden integrierten Ableit- und Stimulationschips in Kombination mit den jetzt vorliegenden aktuellen Elektrodenarrays. Andererseits soll die Erzeugung arbiträrer Stimulationssignalformen im neuen Stimulationsverfahren ermöglicht und schaltungstechnisch in den Stimulator integriert werden. Die Ergebnisse der von unseren Partner durchgeführten zellbiologischen Experimente an verschiedenen Zellschichten sollen dabei zur Ableitung von Regeln im IC-Design der neuen Stimulationselektronik herangezogen werden. Die dabei insbesondere zusammen mit den biomedizinischen Experimentatoren der Subprojekte C und D zu klärenden Fragen sind:- Ist es möglich mit dem neuen, adaptiv erweiterbaren, Stimulationsverfahren verschiedene Klassen retinaler Neurone zu stimulieren und gleichzeitig deren Aktivität abzuleiten und den Parameterraum der Stimulation einzugrenzen bzw. das Stimulationskonzept anzupassen?- Lassen sich schichtspezifische Stimulationssignalverläufe und -parameter finden und mit diesen Stimulationsverfahren generieren, die für die jeweilige Schicht oder Umgebung eine gute Eignung zeigen?Alle gewonnen Ergebnisse sollen in der Entwicklung eines jetzt sowohl die arbiträre Stimulation, als auch die Ableitung beinhaltenden integrierten CMOS-Chips münden, der zur Projektlaufzeit von den Elektrodenentwicklern des Subprojekts A in eine zweidimensionale Basisstruktur mit vier Schäften integriert wird und im letzten Drittel der Projektphase den biologischen Experimentatoren der Subprojekte C und D als multiparametrisch konfigurierbare Versuchsplattform zur Verfügung steht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Rainer Kokozinski