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Aktive Augenimplantate
Retina-Implantate und mechatronische
Augenlinsen
Quelle: © Retina Implant AG
01.08.2014 Netzhautimplantate geben Menschen, die auf Grund einer
degenerativen Netzhauterkrankung erblindet sind, das Sehvermögen teilweise
zurück – und damit die Möglichkeit, sich im täglichen Leben zu orientieren.
Akkommodationsfähige künstliche Augenlinsen erlauben es Patienten mit grauem
Star, auch ohne Brille in Nähe und Ferne wieder scharf zu sehen. Deutsche
Unternehmen und Institute sind bei diesen beiden medizintechnischen
Innovationen führend.
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Aktive Implantate für die Augenheilkunde
Umrisse verschwimmen, Kontraste verblassen, Farben verlieren an Leuchtkraft, alles
wirkt zunehmend grau. Es scheint, als schaue man die ganze Zeit durch eine
Milchglasscheibe auf die Welt.
Wie sehr ein grauer Star das
Sehvermögen beeinträchtigt, müssen
rund um den Globus Millionen
Menschen am eigenen Leib erfahren.
Denn die zumeist altersbedingte
Trübung der Augenlinse zählt zu den
weitest verbreiteten Augenleiden
weltweit. Allein in Deutschland sind
über 90 Prozent der 65- bis 75Jährigen von der im medizinischen
Schematischer Aufbau des künstlichen
Fachjargon Katarakt genannten
Akkommodationssystems (mechatronische Linse)
Erkrankung betroffen – in mehr oder
minder großem Ausmaß.
Quelle: © KIT /IAI
Die einzige Behandlungsmöglichkeit
besteht bislang darin, die natürliche Linse durch eine künstliche zu ersetzen. 850.0001.000.000 solcher Katarakt-Operationen werden laut Gemeinsamem Bundesauschuss
hierzulande jährlich durchgeführt. Damit handelt es sich um einen der häufigsten
chirurgischen Eingriffe überhaupt. Doch die Therapie hat eine entscheidende Schwäche,
berichtet Georg Bretthauer. „Die Transparenz des optischen Apparats lässt sich damit wieder
herstellen, die Fähigkeit, zu akkommodieren geht aber verloren“, erläutert der Leiter des
Instituts für Angewandte Informatik (IAI) am Karlsruher Institut für Technologie.
Mechatronische Augenlinse verändert Brechkraft
Vom Ozeandampfer am Horizont bis zur Zeitung vor der Nase – mit Hilfe der Akkommodation
kann das Auge auf Objekte in unterschiedlichster Entfernung fokussieren, so dass stets ein
scharfes Abbild auf der Netzhaut entsteht. Verantwortlich für diesen Anpassungsprozess ist
die Elastizität der Augenlinse, die es ihr erlaubt, sich abzurunden beziehungsweise
abzuflachen und damit ihre Brechkraft zu verändern. Die starren Intraokularlinsen (IOL), die
Patienten mit grauem Star eingesetzt werden, sind dazu nicht in der Lage.
Um Abhilfe zu schaffen, entwickelt Georg Bretthauers Team in Zusammenarbeit mit der
Universitätsaugenklinik Rostock eine mechatronische Linse. Sie wird wie die gängigen IOLs ins
Auge implantiert, kann die Brechkraft des gesamten optischen Apparats aber um mindestens
drei Dioptrien ändern. „Das künstliche Akkomodationssystem ermöglicht es Menschen nach
einer Katarakt-Operation, ohne Brille sowohl in der Nähe als auch in der Ferne wieder scharf
sehen zu können“, sagt Bretthauer.
Integration verschiedener Subsysteme
Die Idee entstand 2003, als Bretthauer und Rudolf Guthoff, Leiter der Rostocker Augenklinik,
sich am Rande einer Konferenz trafen. 2005 startete das vom BMBF geförderte
Gemeinschaftsprojekt, an dem auch das Institut für Implantattechnologie und Biomaterialien
e.V. beteiligt ist. Das momentane Nahziel lautet, bis Ende 2014 ein Funktionsmuster im
Maßstab 2:1 aufzubauen. „Das künstliche Akkommodationssystem besteht aus mehreren
Subsystemen, die in einem sehr kleinen Gehäuse zusammengeführt werden müssen“, erklärt
Liane Koker. Die Ingenieurin arbeitet in Karlsruhe am letzten Schritt, der Systemintegration.
Ihre Dissertation zu diesem Thema wurde 2012 mit dem Bertha-Benz-Preis ausgezeichnet.
Kernstück des Systems ist eine Optik, die ihre Brechkraft dem Akkommodationsbedarf
entsprechend ändert. Hier verfolgen die Forscher zwei Wege. Beim einen gibt es vorne und
hinten jeweils eine Vorsatzlinse, zwischen denen eine dritte Linse entlang der optischen
Achse verschoben wird. „Dadurch lässt sich der Fokuspunkt variieren – wie bei einem
Fotoapparat, wenn man die Schärfe einstellt“, erklärt Koker. Die Alvarez-Humphrey-Optik
hingegen besteht aus zwei Linsenteilen, die senkrecht zur optischen Achse gegeneinander
verschoben werden.
Antrieb mit Piezoaktor und Siliziumgetriebe
Um die Optik zu bewegen, benötigen beide Prinzipien einen Antrieb. Als Motor dient dabei ein
Piezoaktor, der sich abhängig von der angelegten Spannung verformt. Das Getriebe ist aus
Siliziumteilen gefertigt. Sie übersetzen die winzigen Auslenkungen des Piezo in den
erforderlichen, sehr viel größeren Stellweg der Linse und stellen gleichzeitig deren präzise
Führung sicher. Wie beim normalen Auge muss das künstliche Akkommodationssystem aber
wissen, wohin sein Träger gerade schaut. Erst dann kann die Brechkraft auch dem
momentanen Bedarf entsprechend eingestellt werden. Hier machen sich die Forscher
zunutze, dass sich die Augenstellung mit der Entfernung des betrachteten Objekts verändert.
Beim Blick in die Ferne sind beide Augen parallel ausgerichtet, rückt der betrachtete
Gegenstand näher heran, drehen sie sich mehr und mehr ein. „Anhand des Winkels, den die
Augen einnehmen, können wir errechnen, auf welchen Abstand der Mensch gerade
fokussiert“, sagt Liane Koker. Die Drehbewegungen der Augäpfel werden mit KompassSensoren gemessen. Der zur Ermittlung des Akkommodationsbedarfs notwendige Austausch
dieser Informationen zwischen dem linken und dem rechten Auge erfolgt per Funk, die
Verrechnung übernimmt ein Mikrocontroller. „All diese Bauteile sollen in das Implantat
integriert sein“, so Koker.
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Kooperationspartner gesucht
„Das Grundprinzip funktioniert, und auch die einzelnen Subsysteme haben wir in
unserem Demonstrator bereits erfolgreich erprobt“, fasst Georg Bretthauer den
derzeitigen Projektstand zusammen.
Die größte Herausforderung sei
momentan, das künstliche
Akkomodationssystem auf das Maß der
natürlichen Augenlinse zu verkleinern
– konkret auf 9,5 Millimeter
Durchmesser und 3,5 Millimeter Dicke.
„Man hat dann nur 70 Kubikmillimeter
Raum, auf denen sämtliche
Komponenten des Systems
untergebracht werden müssen“, sagt
Bretthauer.
Um ihre Kunstlinse in dieser Größe zu
realisieren, bräuchten die Forscher
statt der bislang überwiegend
Labormuster des künstlichen
verwendeten Standardbauteile aber
Akkommodationssystems
Komponenten, die eigens für sie
gefertigt würden. Das treibt die Kosten
Quelle: © KIT /IAI
in die Höhe. „Wenn das Projekt
erfolgreich zu Ende gebracht werden soll, muss man jetzt wirklich Geld in die Hand nehmen“,
stellt Bretthauer klar. Die Suche nach Kooperationspartnern läuft bereits und dürfte, so hofft
er, mit der für Ende des Jahres avisierten Vorstellung eines komplett funktionsfähigen 2:1Modells einen wichtigen Schub bekommen. „Ich bin überzeugt, dass es in fünf Jahren ein
künstliches Akkomodationssystem gibt, das ins menschliche Auge eingesetzt wird“, sagt der
Leiter des IAI.
Im Idealfall mit der Operationsmethode, die heute beim grauen Star üblich ist. Um die
Narbenbildung möglichst gering zu halten, macht der Arzt nur einen zwei bis drei Millimeter
langen Schnitt in die Hornhaut, über den er die aufgerollte Kunstlinse dann implantiert. „Weil
wir diese OP-Technik beibehalten wollen, muss unser System ebenfalls faltbar sein“, erläutert
Bretthauer. Zuverlässige Funktion über 30 Jahre, keinerlei Beeinträchtigung von
physiologischen Prozessen wie dem Kammerwasserabfluss, problemlose
Materialverträglichkeit sind weitere Anforderungen an das mechatronische Implantat.
System auf Kontaktlinse als Alternative
Die Forscher aus Karlsruhe und Rostock arbeiten allerdings an einem alternativen Ansatz, der
manches davon umschiffen würde – ein künstliches Akkommodationssystem auf einer
Kontaktlinse. Anders als das Implantat, wird es nicht ins Auge eingesetzt sondern auf dessen
Oberfläche getragen. „Weil das die Zulassung sehr viel einfacher macht, könnte man dieses
System schneller auf den Markt bringen“, sagt Georg Bretthauer. Und damit einen neuen,
riesigen Markt erschließen: die Milliarden Menschen mit Altersweitsichtigkeit. Da die Elastizität
der Augenlinsen mit zunehmender Zahl der Lebensjahre natürlicherweise nachlässt,
bekommt jeder Erdenbürger ab dem 40. Geburtstag zunehmende Probleme, in der Nähe
scharf zu sehen.
Sich dann ein künstliches Akkomodationssystem operativ ins Auge einsetzen zu lassen,
würden wohl nur die wenigsten in Erwägung ziehen. Schließlich ist die Implantation mit
Risiken behaften, die nur zu rechtfertigen sind, wenn medizinische Notwendigkeit besteht –
wie bei Patienten mit grauem Star. Bei einer akkommodationsfähigen Kontaktlinse, die so gut
verträglich und leicht zu handhaben ist, wie eine ganz normale Kontaktlinse, wäre das anders.
Ein solches System hat das Potenzial, eines der ältesten medizintechnischen Geräte ins
Museum zu verbannen – die Lesebrille.
Retina-Implantate – Hoffnungsträger bei unheilbaren
Netzhauterkrankungen
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Auch ohne Akkommodationsfähigkeit können Augenärzte das Sehvermögen beim
grauen Star mit den derzeit verfügbaren Intraokularlinsen erhalten. Der Retinitis
pigmentosa hingegen stand die Medizin bislang weitgehend machtlos gegenüber. Das
könnte sich bald ändern.
Der Begriff Retinitis pigmentosa fasst
eine Gruppe von erblich bedingten
Augenerkrankungen zusammen, bei
denen die Lichtsinneszellen der
Netzhaut – die so genannten
Fotorezeptoren – nach und nach
zerstört werden. Zuerst sterben die
Stäbchen ab, die für das Dämmerungsund Nachtsehen verantwortlich sind,
später die Zapfen, die sich vor allem
im Zentrum der Netzhaut (Retina)
befinden und das Farbsehen
ermöglichen. Erstes Anzeichen ist eine
meist im Jungendalter oder den
mittleren Lebensjahren einsetzende
Funktionsschema eines Retina-Implantats: Statt der
Netzhaut nimmt der Retina-Chip das durch die
Linse einfallende Licht auf und setzt es in
elektrische Signale um.
Quelle: © Retina Implant AG
Nachblindheit. Im weiteren Verlauf
verengt sich das Sichtfeld dann zunehmend, bis hin zur Erblindung. Ein oft Jahrzehnte
dauernder Prozess, der weder verlangsamt, noch gestoppt oder gar verhindert werden kann.
Zwei Netzhaut-Implantate mit CE-Kennzeichen
Doch seit gut vier Jahren gibt es für Patienten mit Retinitis pigmentosa – in Deutschland sind
es 30.000 – 40.000, weltweit geht man von einem Betroffenen unter 3.000 – 7.000
Menschen aus – neue Hoffnung: Im März 2011 erhielt das US-Unternehmen Second Sight
erstmals die CE-Zertifizierung für ein elektronisches Retina-Implantat namens Argus 2. Im Juli
2013 bekam auch das Netzhaut-Implantat der Retina Implant AG in Reutlingen das CEKennzeichen und damit die Zulassung für den europäischen Markt. Beide Systeme wandeln
Licht in elektrische Signale um, die dann über Elektroden die Nervenzellen der Netzhaut
stimulieren. Von dort gelangen die Nervenimpulse weiter über den Sehnerv zu den visuellen
Zentren im Gehirn, wo die Bildinformationen dann verarbeitet werden. Das natürliche
Sehvermögen vollständig zurück bringen, kann ein Retina-Implantat bei weitem nicht. „Aber es
ermöglicht Patienten mit einer Retinitis pigmentosa im Endstadium, sich im täglichen Leben
wieder zu orientieren“, sagt Walter-G. Wrobel, Vorstandvorsitzender der Retina Implant AG.
„Dieser Gewinn an Eigenständigkeit ist für die Betroffenen ein großer Fortschritt.“
Gleiches Ziel – verschiedene Ansätze
Um die Funktion der untergegangenen Fotorezeptoren zu ersetzen, verfolgen die beiden
Hersteller unterschiedliche Wege. Das subretinale Implantat der Reutlinger wird an der Stelle
des schärfsten Sehens unter die Netzhaut eingepflanzt. Der Konkurrent aus Kalifornien
hingegen setzt auf ein epiretinales System. Kernstück von Argus II ist ein Array mit 60
Stimulations-Elektroden, der operativ auf die Netzhaut implantiert wird. Diese hauchdünne
Elektrodenmatrix ist über ein Kabel mit einer aus Computerchipgehäuse und Antenne
bestehenden Empfangseinheit verbunden, die im gleichen Eingriff seitlich auf der Oberfläche
des Augapfels fixiert wird.
Die Bilder liefert eine kleine in ein Brillengestell integrierte Videokamera. Per Funk werden
sie an eine Videoverabeitungseinheit gesendet, die der Patient bei sich trägt. Von diesem MiniComputer gelangen die prozessierten Bilddaten per Kabel an einen ebenfalls in das
Brillengestell eingebauten Sender, der die elektrischen Signale dann wiederum per Funk an
das Implantat überträgt. Dass das System eine externe Kamera benötigt, bringt allerdings eine
Schwierigkeit mit sich. Denn anders als es die Träger des Argus-II-Implantats aus der Zeit, als
sie noch sehen konnten, gewohnt sind, bewegt sich der Bildeindruck nicht mit den Augen mit,
sondern nur mit dem Kopf. „Wenn die Patienten etwas anschauen sollen, müssen sie den Kopf
bewegen und die Augen starr halten“, sagt Walter-G. Wrobel. „Das zu lernen, ist sehr
mühsam.“ Nicht zuletzt deshalb favorisieren die Reutlinger ihr subretinales Implantat, das aus
dem ins Auge fallenden Licht direkt vor Ort elektrische Impulse generiert.
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Alpha-IMS-Implantat – Netzhaut-Chip mit 1500 Pixeln
Das Alpha-IMS genannte System besteht aus einem drei mal drei Millimeter großen
und nur 70 Mikrometer dicken Chip, auf dem insgesamt 1500 Elemente oder „Pixel“
nebeneinander angeordnet sind.
Jedes dieser Pixelfelder enthält eine
Mikrofotodiode, einen Verstärker und
eine Stimulationselektrode. Je mehr
Licht auf die Fotodiode fällt, desto
stärker das elektrische Signal, das die
Elektrode abgibt. „Das optische Bild,
das auf den Chip fällt, wird so eins zu
eins zu eins in ein Ladungsbild
umgewandelt“, erläutert Wrobel.
Nichts anderes machen letztlich die
IMS-Netzhaut-Chip mit 1500-Pixel-Sensor
Fotorezeptoren der Retina. Dass die
Quelle: © Retina Implant AG
Elektroden des Implantats ihre Signale
vor allem an die Bipolarzellen weiter
„Neues“ Sehen erfordert Training
Wie Studien belegen, lassen sich mit dem subretinale Ansatz nicht nur hinsichtlich der
Stabilität des Seheindrucks, sondern auch bei der Sehschärfe bessere Ergebnisse erzielen als
mit dem epiretinalen Implantat. Dies hängt auch damit zusammen, dass der US-Chip nur 60
Bildpunkte besitzt, während der aus Reutlingen mit 1500 Pixeln auflöst. Demgegenüber trägt
die gesunde Netzhaut des Menschen mehr als 130 Millionen Fotorezeptoren. Das zeigt
schon, dass man sich von Retina-Implantaten keine biblischen Wunderheilungen erhoffen
kann.
Unabhängig vom System müssen die Patienten nach der Implantation erst lernen, die
Informationen des Chips zu verarbeiten. Das Training übernehmen von der Retina Implant AG
ausgebildete Clinical Engineers, die mit dem Träger beispielsweise durch die engen Gassen
der Tübinger Altstadt gehen – laut Wrobel „ein perfekter Hindernislauf“ – und ihm erklären,
was er da erkennen kann und sollte. In der Regel erfordert es nur wenige Tage Übung, bis
die Patienten mit den neuen, einem grobpixeligen Computerbild in Schwarz-Weiß ähnelnden
Seheindrücken etwas anfangen können.
Weiterführende Informationen auf medizintechnologie.de:
News "Licht ins Dunkel" (Patienten-Studie, Teilnahme NUB-Verfahren)
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Das Ziel: Optimales Sehergebnis für jeden Patienten
44 Alpha-IMS-Implantate wurden bis dato weltweit eingesetzt, durchweg bei
Menschen, die auf Grund einer Retinitis pigmentosa im Endstadium blind sind.
Gegenstände identifizieren und
greifen, auch kleine wie den
Kaffeelöffel auf dem Tisch, Gehweg,
Straße und Hindernisse erkennen, im
Idealfall sogar große Buchstaben und
die Uhr lesen – all das kann der
Mikrochip ihnen wieder ermöglichen.
Warum manche Träger aber deutlich
besser sehen als andere, wissen auch
die Entwickler aus Reutlingen noch
nicht genau. „Das hängt wohl damit
zusammen, dass sich die
Verschaltungen in der Netzhaut von
Mensch zu Mensch unterscheiden“,
Röntgenaufnahme eines menschlichen Schädels
mit Retina-Implantat
Quelle: © Retina Implant AG
sagt Walter-G. Wrobel. „Wir arbeiten daran, das Implantat bei jedem Patienten so einzustellen,
dass die Sehergebnisse optimal sind.“
NUB-Verfahren ermöglicht Kostenübernahme
An einem tragbaren Steuerkästchen können Arzt, Clinical Engineer und auch der Patient
selbst Parameter wie Kontrast oder Helligkeit verändern. Das zigarettenschachtelgroße Gerät
beherbergt zudem die Stromversorgung für das Implantat. Die Energieübertragung erfolgt
durch elektromagnetische Induktion. Die Empfängerspule ist hinter dem Ohr unter die Haut
implantiert und über ein dünnes Silikonkabel mit Golddrähten sowie eine Polyamidfolie mit
dem Chip verbunden. Die Primärspule wird über der Sekundärspule magnetisch fixiert.
Der Preis für das Alpha-IMS liegt bei 95.000 Euro, inklusive des Vor-Ort-Trainings durch die
Clinical Engineers. Hinzu kommen die Kosten für die Operation und den
Krankenhausaufenthalt. Das Argus-II-Implantat bewegt sich in ähnlichen Regionen. „Sechs
Kliniken in Deutschland dürfen im Rahmen des NUB-Verfahrens unser Implantat einsetzten
und bekommen die Behandlung von den gesetzlichen Krankenkassen auch bezahlt“, berichtet
Retina-Implant-Vorstand Wrobel. NUB steht für Neue Untersuchungs- und
Behandlungsmethoden und reguliert die Einführung und Kostenerstattung
medizintechnologischer Innovationen.
Seit dem Erhalt des CE-Kennzeichens sind die Reutlinger verstärkt dabei, in anderen
europäischen Ländern Augenzentren zu finden und die Ärzte so auszubilden, dass die
Operation auch dort durchgeführt werden kann. Wenn das gelingt, dürften die rund 100
Alpha-IMS-Implantate, die dieses Jahr am Rand der schwäbischen Alb hergestellt werden,
nicht mehr ausreichen. „Mit den Fertigungseinrichtungen, die wir haben, können wir aber bis
zu 1500 Stück produzieren“, verrät Walter-G. Wrobel. „Das müsste ausreichen, um den Bedarf
in Europa zu decken.“
Quellen und weiterführende Informationen

Konzept Künstliches Akkommodationssystem

Sunir Garg: Retinal Prostheses Offer Hope to Blind Patients. In: Review of Ophthalmology,
2013, 20(3), S.60-63
Gerste, R.: Retinitis pigmentosa: Retinaimplantat bessert mehrere visuelle Funktionen.
Deutsches Ärzteblatt 2012, 109(10), A-486

Homepage Retina Implant AG

Homepage Second Sight
© medizintechnologie.de/uk