Entwicklung einer implantierbaren epiretinalen Sehprothese mit integrierter Bildaufnahme (OPTOEPIRET)
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit epiretinalen und subretinalen Sehprothesen auf der Basis der elektrischen Stimulation ist es möglich, erblindeten Menschen wieder ein gewisses Sehvermögen zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Projekts sollte der epiretinale Ansatz um eine integrierte Bildaufnahme erweitert werden bei gleichzeitigem großem Gesichtsfeld. Hierzu sind folgend Arbeiten durchgeführt worden. IWE: Zu Beginn des Projekts wurde ein Design und Layout eines flexiblen Polyimidträgersubstrats hergestellt. Auf der Vorderseite des Substrats befinden sich Stimulationselektroden, auf der Rückseite Kontakte zur Flip-Chip-Montage der CMOS-Chips vom EBS. In einem nächsten Schritt wurde die notwendige Zweilagenmetallisierung mit einer Durchkontaktierung und Realisierung von Kontaktpads auf der Rückseite für das flexible Polyimidsubstrat entwickelt. Weiterhin musste ein Prozess zum Dünnen der CMOS-Chips auf eine Dicke von 20 µm entwickelt werden sowie eine Montagetechnik, um die gedünnten Chips mit Flip-Chip-Technik auf die Rückseite des flexiblen Substrats zu kontaktieren. Im Rahmen einer Layout-Studie wurde weiterhin untersucht, wie die Komplexität des Substrats erhöht werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass auf der Basis der Entwicklung in OPTOEPIRET ein Implantat mit 1089 Stimulations/Ableitelektroden realisiert werden kann. EBS: Um im Projektverlauf eine für die Partner frühzeitigere Verfügbarkeit von funktional auf die jeweiligen Testphasen zugeschnittenen Chips zu gewährleisten, wurden in Abänderung der ursprünglichen Planung insgesamt vier verschiedene Chip-Designs als Multiprojekt-Chips MPC1 bis MPC4 realisiert. Zunächst entstand dabei eine reine Geometrie-Variante ohne Funktion (MPC1) mit den Zielabmessungen und den Pad-Geometrien für frühe Integrations-, Kontaktierungs- und Implantationsversuche. Die Endfunktionalität wurde in zwei Stufen mit einem Chip geringer Komplexität (MPC2), der zunächst nur die Kernbaugruppen (Optik-Frontend, Elektroden-Frontend, Auswahl- und Steuerelekronik) enthielt und einem Chip mit hoher Komplexität (MPC3), mit den für die Pixel-individuelle belichtungsabhängige Generierung von Stimulationspulsfolgen erforderlichen Schaltungserweiterungen (ADC, Arbiträrsignalgenerator, Stützstellenspeicher, Sequenzer-Logik, etc.) erzielt. Die gefunden Schaltungs- und Layoutkonzepte erwiesen sich als tragfähig und die spezifizierten Eigenschaften ließen sich bei der Chip-Validierung an gesägten und aufgebauten Teilmengen der prozessierten Wafer vollständig messtechnisch nachweisen. Während die MPCs 2 und 3 noch für eine stark reduzierte Pixelanzahl (4 Pixel je Implantatflügel) ausgelegt waren, sollte der gemeinsam mit MPC3 prozessierte MPC4 den Nachweis der Machbarkeit einer zukünftigen hochdichten Matrix von Elektroden-Detektorpaaren, zusammen mit der erforderlichen Signalverarbeitungskette liefern. Die Validierung dieses über die geplanten Arbeitspakete hinaus zusätzlich entstandenen Chips dauert derzeit noch an. UAK: Zunächst wurden die OPTO-EPIRET Strukturen in einem Standardverfahren auf Biokompatibilität überprüft. Sowohl beim Kontakt mit Materialextrakten als auch bei der Aussaat von Testzellen auf die Strukturen konnte kein zelltoxischer Effekt nachgewiesen werden und auch das Expressionsprofil relevanter Gene der getesteten zeigte keine relevanten Auffälligkeiten. Die in-vivo Verträglichkeit der Strukturen ist begrenzt durch den operativen Eingriff und sein Komplikationsprofil. Im Unterschied zu reinen flexiblen MEA Strukturen sind die OPTO EPIRET Strukturen etwas steifer, was einen größeren operativen Zugang für die Implantation erforderlich macht. Aufgrund des größeren Hornhautschnitts sieht man häufiger Hornhauttrübungen. Aufgrund der Steifigkeit des Systems ist auch das Risiko für Netzhautablösungen durch unbeabsichtigte Netzhautlöcher, die bei der Implantation entstehen können, größer. Die immunhistologischen Untersuchungen zeigen einerseits eine verstärkte gliale Reaktion wie man es nach vitreoretinalen Eingriffen dieses Umfangs erwarten würde, belegen aber andererseits, das es nicht zu einer Einwanderung von Entzündungszellen in die Netzhaut kommt, so dass wir davon ausgehen, dass weitere Verbesserungen im Design und Aufbau solcher Strukturen notwendig sind, sie sich aber grundsätzlich zur Stimulation der Netzhaut eignen und neue Wege der Signal- und Energietransmission in ein Retina Implantat ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Development of an implantable epiretinal vision prosthesis with integrated image acquisition – OPTOEPIRET”, Artificial Vision 2015 - The International Symposium on Visual Prosthetics, 27.11.2015-28.11.2015, Aachen
Walter, P., Mokwa, W., Grabmaier, A., Kokozinski, R., Viga, R.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/15artvis34) - “Fabrication of Curved Flexible Microelectrode Arrays for epiretinal Stimulation”, Artificial Vision 2015, International Symposium on Visual Prosthesis Aachen 2015
Waschkowski, F., Rieck, A. C., Brockmann, C. Laube, T. Bornfeld, N., Walter, P., Mokwa, W., Rößler, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/15artvis09) - “Design of a CMOS image sensor and stimulation IC for a wide-angle retina implant”. In: 13th Conference on PhD Research in Microelectronics and Electronics (PRIME). Piscataway, NJ: IEEE, 2017, pp. 309 - 312
Raffelberg, Pascal; Waschkowski, Florian; Viga, Reinhard; Mokwa, Wilfried; Walter, Peter; Kokozinski, Rainer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/PRIME.2017.7974169) - “Evaluation of an Enhanced Electrical Charge Controlled Stimulation Method for Retinal Bipolar Cells”. Artificial Vision 2017
A. Erbslöh, P. Raffelberg, R. Viga, R. Kokozinski, A. Grabmaier
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/17artvis13) - “The Very Large Array Retinal Stimulator: A final update”, Book of Abstracts “Artificial Vision 2017”, Aachen, p. 9
T. K. Lohmann, F. Haiss, C. Barz, C. Werner, A.M. van der Meer, K. Schaffrath, A.C. Schnitzler, G. Rößler, F. Waschkowski, W. Mokwa, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/17artvis17) - “Towards a Monolithic Integrated Stimulator with Integrated Image Sensor for a Wide Angle Retina Implant”. Artificial Vision 2017
P. Raffelberg, A. Erbslöh, R. Viga, R. Kokozinski
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/17artvis11) - “Wide-Field Epiretinal Stimulator with Adjustable Curvature”, Book of abstracts Smartsystems integration : International Conference and Exhibition on Integration Issues of Miniaturized Systems, Cork, Ireland, 8-9 March 2017
Waschkowski, Florian, Mokwa, Wilfried
- “Biocompatibility of photodiode structures used for epiretinal prosthesis extended by an integrated epiretinal recording (OPTO-EPIRET)”. ARVO 2018 - Investigative ophthalmology & visual science, 59 (9), 4570, 2018
K. Schaffrath, T. Lohmann, P. Raffelberg, F. Waschkowski, R. Viga, R. Kokozinski, W. Mokwa, P. Walter, S. Johnen
- “Current Controlled CMOS Stimulator with Programmable Pulse Pattern for a Retina Implant”. Prime Conference page 253-256. IEEE (2018)
P. Raffelberg, R. Burkard, R. Viga, W. Mokwa, P. Walter, A. Grabmaier and R. Kokozinski
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/PRIME.2018.8430332) - “Development of a flexible polyimide substrate with through-connections”, POSTER 2018, Prag, Tschechien
Tim Mike de Rijk, Florian Waschkowski
- ”An Optoelectronic Epiretinal Prostheses”. 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society - EMBC 2018, Honolulu, USA
F. Waschkowski, P. Raffelberg, R. Viga, R. Kokozinski, P. Walter, W. Mokwa
