Künstliches Sehen Silizium ersetzt Retina

Millionen Menschen, die wegen einer Erkrankung der Netzhaut erblindet sind, könnten von einer künstlichen Netzhaut profitieren. Um eine künstliche Netzhaut zu entwickeln, die auch für das tägliche Leben brauchbar ist, müssen einige Hürden genommen werden. Dazu gehört auch ein guter Systemwirkungsgrad, denn der Energieinhalt einer Kleinbatterie muss für den Betrieb eines ganzen Tages reichen.

Das im israelischen Herzeliya angesiedelte Unternehmen Nano Retina [1] arbeitet an der Entwicklung einer künstlichen Netzhaut (artificial retina), die mit einer minimalinvasiven Operation in das Auge eingesetzt werden kann, die nicht komplizierter ist als das Einsetzen eines Linsenimplantats bei einer Eintrübung der Linse.

Die künstliche Netzhaut besteht aus einem System aus Fotodetektoren, Mikroelektroden und elektronischen Schaltkreisen (Bild 1), das die beschädigten Photorezeptoren des Auges ersetzt und die Bildinformation an das Gehirn weiterleitet. Das Grundelement ist ein lichtempfindlicher Sensor auf Silizium-Basis, der mit den Fotorezeptoren die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges nachbildet. Die Energie erhält das Implantat über ein Infrarot-Lichtbündel das von einer speziellen Brille abgestrahlt wird. Trotz des vergleichsweisen einfachen Konzepts stellt die Implementierung der künstlichen Netzhaut eine erhebliche technische Herausforderung dar.

Nach einer Studie der Weltgesundheitsorganisation [2] litten im Jahr 2010 mehr als 285 Mio. Menschen an einer Beeinträchtigung ihres Sehvermögens, 65 % davon waren über 50 Jahre alt. Es wird geschätzt, dass 39 Mio. Menschen blind sind, davon sind 82 % über 50 Jahre alt. Die drei Hauptursachen für die Beeinträchtigung des Sehens sind grauer Star, überhöhter Augeninnendruck (grüner Star) und die altersbedingte Degeneration der Makula.

Für diese Degeneration, die von Diabetes verursacht oder in der Form der Retinopathia pigmentosa zu einer Einschränkung des Gesichtsfeldes führt, sind derzeit keine Therapien bekannt. Die Folgen sind der teilweise Verlust der Sehfähigkeit und, innerhalb von zehn Jahren nach dem ersten Auftreten, Blindheit in hohem Maße. Einige dieser Augenerkrankungen lassen sich behandeln, aber diese Behandlungen bergen ein hohes Risiko und können letztlich nur den Fortschritt der Krankheit verlangsamen.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schwelle für das so genannte „funktionale Sehen“ etwa 600 unterscheidbare Grauwert-Pixel erfordert. Damit sind dann Aktivitäten wie selbstständiges Gehen auf der Straße oder der Besuch eines Restaurants möglich. Unterhalb dieser Schwelle liegt das „ambulatorische Sehen“, das etwa mit dem System „Argus II“ des Unternehmens Second Sight möglich ist, das mit 60 Schwarz-Weiß-Pixeln arbeitet. Nach einer Implantation konnten Patienten mit diesem System Aufgaben des täglichen Lebens, wie etwa das Gehen durch eine Tür, mit einer Erfolgsquote von 50 % bewältigen.

Die Herausforderung

Eine künstliche Netzhaut sollte sich in die Funktionen der natürlichen visuellen Wahrnehmung integrieren, die allerdings zu den komplexesten Systemen des menschlichen Körpers zählt. Das menschliche Auge (Bild 2) kann als eine Art Erweiterung des Gehirns angesehen werden, das mit ausgeklügelten Mechanismen auf die unterschiedlichsten äußeren Bedingungen reagieren kann und zudem eine Art Vorverarbeitung der aufgenommenen Bilder durchführt.

Die hier vorgestellte künstliche Netzhaut wurde daraufhin entwickelt, die meisten Funktionen dieses komplexen Systems nachzubilden und die im täglichen Leben benötigte Sehfähigkeit wieder herzustellen.

Das menschliche Auge hat einen enormen Empfindlichkeitsbereich, der Mensch kann in einem abgedunkelten Raum ein einzelnes Photon erkennen und andererseits auch direkt in die Sonne blicken; der Dynamikbereich beträgt zwölf Größenordnungen. Die Blendenfunktion der Pupille trägt hierzu lediglich mit 1 bis 1,5 Größenordnungen bei. Die lichtempfindlichen Rezeptoren der Netzhaut tragen den größten Teil zu dieser Dynamik bei. Eine künstliche Netzhaut sollte also wenigstens einen Teil dieser Funktion erfüllen: draußen im Tageslicht und drinnen in einer abgedunkelten Umgebung. Die hier vorgestellte künstliche Netzhaut von Nano Retina verarbeitet einen Dynamikbereich von mindestens fünf Größenordnungen.

Durch die Fähigkeit, eine enorme Spanne von Beleuchtungsstärken verarbeiten zu können, ist das menschliche Auge in der Lage, in einer Szenerie aus hellen und dunklen Bereichen gleichzeitig Details aus beiden scharf abzubilden. Herkömmliche Kameras komprimieren solche Bilder auf etwa eine Größenordnung, während das Auge über mehr als zwei Größenordnungen hinweg mehr als 100 verschiedene Stufen unterscheiden kann.

Das Nano-Retina-Implantat wird bei allen relevanten Beleuchtungsstärken etwa 100 verschiedene Helligkeitsstufen unterscheiden können. Bei der Entwicklung der künstlichen Netzhaut wurde zudem zugunsten der Übertragung einer breiten Grauwertskala auf eine Farbwiedergabe verzichtet. Zwar ist Farbe eine wichtige Eigenschaft unserer Wahrnehmung der Umgebung, aber es geht eben auch ohne, wie die vielen farbenblinden Personen beweisen, denen eine Grauskala die Farbinformation ersetzt.