Einsatz optoelektronischer Technologien in implantierbaren Mikrosystemen

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen, Konstanten und Abkürzungen

1 Einleitung

2 Optoelektronik in der Neurotechnologie
2.1 Stand der Technik
2.1.1 Signalkopplung
2.1.2 Signal- und Energieübertragung
2.1.3 Signal- und Energiefortleitung im Körper
2.1.4 Mikrominiaturisierung von neuronaler Netz-Hardware
2.2 Neue Forschungsansätze
2.2.1 Entwicklung eines bildverarbeitenden Neuro-Chips
2.2.2 Faseroptisches Aktor-System
2.2.3 Faseroptisches Sensor-System
2.2.4 Optoelektronischer Druck- und Biegesensor
2.2.5 Interface zur Elektronik
2.3 Probleme und Risiken

3 Optoelektronische Mikrosysteme für implantierbare Sehhilfen
3.1 Überblick
3.2 Technische und biologische Anforderungen an ein Retina- Implantat
3.3 Technische und biologische Anforderungen an eine intraokulare Sehhilfe

4 Optoelektronische Energieübertragung für ein Retina- Implantat
4.1 Optoelektronischer Energiesender
4.2 Übertragungsmedium
4.3 Optoelektronischer Energieempfänger
4.4 Messergebnisse

5 LED-basiertes Miniaturdisplay für eine intraokulare Sehhilfe
5.1 LED-Array im GaAsP/GaP-Materialsystem
5.2 Herstellung des Arrays
5.3 CMOS-Treiberschaltung
5.4 Messergebnisse
5.5 Aufbau- und Verbindungstechnik

6 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Formelzeichen, Konstanten und Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

"Blinde werden wieder sehen und Lahme wieder gehen." So lautet die Überschrift eines Artikels, der am 7. August 1995 in der Tageszeitung "Die Welt" veröffentlicht wurde. Es handelt sich hierbei um ein Interview mit Herrn Professor Dr. Rolf Eckmiller (Univ. Bonn), in dem er seine Visionen zu einer technischen Entwicklung von lernfähigen Prothesen für blinde oder (querschnitts-)gelähmte Menschen ausdrückt. Anlass zu dem Interview war der erfolgreiche Abschluss einer im Frühjahr 1993 gestarteten Studienphase zur Neurotechnologie^[1] [E5], [E6], in der aus wissenschaftlich ver- schiedenen Blickwinkeln der weltweite Stand der Technik auf diesem Gebiet dargelegt wird.

Das Gebiet der Neurotechnologie ist ein Beispiel für heutige Entwicklungen in der Medizintechnik, bei der die technischen Fortschritte in der modernen Informationstechnik - insbesondere im Bereich der Mikrosystemtechnik - für Implantate erfolgreich eingesetzt werden sollen. Eine besondere Herausforderung stellen heute Implantate für das Auge dar, die erblindeten Menschen in Zukunft ein gewisses Sehvermögen zurückgeben sollen. Ent- sprechende technische Systeme werden schon im Neurotechnologie- Report beschrieben. Es geht dabei um Krankheitsbilder, bei denen die Photorezeptoren in der menschlichen Netzhaut degenerieren und somit ihre Aufgabe als Signalempfänger nicht mehr wahrnehmen können. Hinzugekommen sind in der Zwischenzeit Arbeiten an weiteren ophthalmologischen Implantaten für Blinde, deren Horn- haut des Auges unfallbedingt oder durch Krankheit getrübt ist.

Im Bereich der Augenimplantate sind heute drei verschiedenen Systemansätze zu erwähnen, die in unterschiedlichen Projekten z. Z. gefördert^[2] werden.

(1) Das EPI-RET^[3]-System besteht wie das Cochlea-Implant - als ein Beispiel [56], [57] für ein klassisches Neuro-Implantat - aus einem extrakorporalen Teil mit sensorischen und signal- verarbeitenden Eigenschaften sowie einem implantierbaren Teil. Letzterer wird über eine induktive Hochfrequenzan- kopplung mit Energie und Signalen aus dem extrakorporalen Teil versorgt: Eine CMOS-Kamera nimmt Bilder der Umgebung auf und gibt diese an einen Retina-Encoder (RE) weiter. Der RE übernimmt die Aufgabe der signalverarbeitenden Nervenzellen in der Retina (Netzhaut) und liefert als Antwort auf zeitab- hängige Bildinformationen ein spatio-temporales Stimulations- muster. Dieses Muster wird nun drahtlos zum Implantat übertragen und dort in Form von Stromimpulsfolgen an die äußere Nervenzellschicht der Netzhaut (Ganglienzellschicht) weitergeleitet. Von dort gelangen die Signale über den Sehnerv zum visuellen Cortex im Gehirn. Als alternativer Lösungsansatz zur drahtlosen Signal- und Energieübertragung werden im EPI- RET-Projekt auch optische Techniken untersucht [38].

(2) Das SUB-RET^[4]-System verzichtet auf eine extrakorporale Signalverarbeitung und benutzt statt dessen die noch vorhandenen Restfunktionen der neuralen Retina: Ein Array aus Mikro-Photodioden (MPD-Array, MPDA) ersetzt in Form eines subretinalen Implantats die Funktion der zerstörten Photorezeptoren in der Netzhaut. Ein Bild der Umgebung fällt über den optischen Apparat des Auges auf das MPDA und erzeugt dort direkt graduierte Potenziale zur Stimulation der inneren Nervenzellschichten. Das geplante System sollte ursprünglich ohne externe Energieeinkopplung auskommen. Es zeigte sich jedoch, dass der erreichbare optoelektronische Konversionswirkungsgrad im Silizium-basierten MPD-Array nicht ausreichend ist [E12]. Aus diesem Grund wird nun ein aktives Implantat mit einer zusätzlichen optoelektronischen Energieversorgung entwickelt. Für den gewählten subretinalen Implantationsort stellt diese Entwicklung eine weltweit einzigartige Innovation dar.

Seit dem Spätsommer des Jahres 1995 werden die beiden Forschungskonsortien "EPI-RET" und "SUB-RET" finanziell durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (bmb+f) mit ins- gesamt mehr als neun Millionen Euro unterstützt .

(3) Die intraokulare Sehhilfe (IOS) wird entwickelt für blinde Menschen mit getrübter Hornhaut des Auges. Der extrakor- porale Teil des IOS-Systems besteht - ähnlich dem EPI-RET- System - aus einer Mini-CMOS-Kamera, deren dynamische Bildinformationen mit einem Sender in digitaler Form optisch zum Implantat, das sich in einer Kunstlinse im Auge befindet, übertragen werden. Das Implantat empfängt in der Kunstlinse die Bildinformationen zusammen mit der induktiv übertragenen Versorgungsenergie. Ein LED-basiertes Miniaturdisplay proji- ziert das empfangene Bild über eine spezielle Optik auf die noch intakte Netzhaut. Die Entwicklung eines solchen bild- gebenden implantierbaren Mikrosystems ist nach derzeitigem Kenntnisstand ein internationales Novum. Die Forschungs- arbeiten zu weiterführenden Untersuchungen (Erhöhung der Auflösung des LED-Displays) werden seit dem Frühjahr 1999 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt.

Diese einleitenden Worte beschreiben unmittelbar die Motivation und somit die Zielsetzung dieser Arbeit. Das Hauptziel ist eine Analyse der Einsatzmöglichkeiten optoelektronischer Technologien bei Augenimplantaten. Hier gilt es zunächst, allgemein die Vorteile opto- elektronischer Verfahren innerhalb des noch jungen, interdiszipli- nären Forschungsfeldes der Neurotechnologie herauszustellen. Die für den Einsatz in Augenimplantaten entwickelten Konzepte werden anschließend vorgestellt und diskutiert, und an Hand von zwei Beispielen wird die technische Machbarkeit demonstriert. Im ein- zelnen werden dazu die drahtlose - hier optische - Übertragung von Energie zur Versorgung des Retina-Implantats mit elektrischer Leistung sowie die Pilotentwicklung eines LED-basierten Miniatur- displays, das im Rahmen des IOS-Projektes weiter erarbeitet wird, vorgestellt.

Die vorliegende Arbeit ist wie folgt aufgebaut:

Einen Überblick über den Stand der Technik sowie über neue Forschungsansätze liefert das Kapitel 2 mit dem Schwerpunkt Optoelektronik in der Neurotechnologie. Es beinhaltet auch eine Stellungnahme zu vorhandenen Problemen und Risiken.

Der Einsatz optoelektronischer Mikrosysteme in implantierbaren Sehhilfen wird in Kapitel 3 behandelt. Hier werden die erarbeiteten Systemkonzepte des EPI-RET-, SUB-RET- und IOS-Implantates vorgestellt und diskutiert. Es wird eingegangen auf die technischen und biologischen Randbedingungen für den Einsatz der jeweiligen optoelektronischen Technologie. Im Rahmen der infraroten Energie- übertragung stellt die maximal zulässige optische Bestrahlungs- stärke und somit die Wärmebelastung ein wichtiges Kriterium dar, während das Layout des LED-basierten Displaysystems Abschät- zungen hinsichtlich der zu erwartenden Beleuchtungsstärke und des elektrischen Leistungsverbrauchs erfordert.

Das Kapitel 4 beschäftigt sich dann im Detail mit der Entwicklung und technischen Realisierung eines optoelektronischen Energieüber- tragungssystems für ein subretinal fixiertes Implantat, SUB-RET. Dies beinhaltet die Auswahl und Zusammenstellung der extrakor- poralen Komponenten für den Energiesender und zwar nach inge- nieurmäßigen Gesichtspunkten. Es schließt sich eine Simulation der optischen Übertragungsstrecke unter Einbeziehung der Abbildungs- eigenschaften des menschlichen Auges an. Danach erfolgt die Herstellung und messtechnische Charakterisierung der optoelektro- nischen Energieempfänger, d. h. Arrays aus photovoltaischen Zellen (PVZ). Den Abschluss bildet die Fertigstellung eines ersten implan- tierbaren Mikrosystems und der Ausblick auf ein in Zukunft ange- dachtes Gesamtsystem.

Kapitel 5 stellt die durchgeführten Arbeiten zur Realisierung eines LED-basierten Miniaturdisplays, unter Berücksichtigung eines späteren Einsatzes in einer implantierbaren intraokularen Sehhilfe (IOS) vor. Dies beinhaltet die technische Realisierung eines inte- grierten Miniaturdisplays, das aus 64 einzeln ansteuerbaren Leucht- dioden (LEDs) besteht. Dieses LED-Array wird mittels hybrider Aufbau- und Verbindungstechnik direkt an eine ebenfalls realisierte CMOS-Treiberschaltung angekoppelt. Abschließend wird das reali- sierte Display in ein DIL^[5]-Gehäuse eingebaut und einem computer- unterstützten Funktionstest unterzogen.

Kapitel 6 enthält die Zusammenfassung.

2 Optoelektronik in der Neurotechnologie

In jüngster Zeit hat das Thema Neurotechnologie, also der Ersatz ausgefallener Funktionen des menschlichen Nervensystems durch Informationstechnologien, merklich an Bedeutung gewonnen. Eine Ursache hierfür dürfte in dem immer weiter fortschreitenden Wissen im medizinischen Bereich über die Funktionsweise des menschlichen Nervensystems und der biologischen Informationsverarbeitung liegen. Andererseits sind auch die Möglichkeiten der Mikrosystem- technik in den letzten Jahren deutlich gewachsen. Eine Verknüpfung beider Technologien scheint daher in zunehmendem Maße möglich. Eine allgemein verständliche Abhandlung über die Grundlagen, den derzeitigen Entwicklungsstand und die Probleme in Zusammenhang mit Neuroprothesen findet man in einem Buch von Bothe und Engel [12], das sich mit dem Thema Neurobionik beschäftigt.

Der Einsatz optoelektronischer Technologien, d.h. die Verknüpfung von optischer Signalübertragung und elektronischer Erzeugung und/oder Auswertung über optoelektronische Wandler, hat auch in der Medizin innerhalb der letzten Jahre zu einer Fülle neuartiger An- sätze in den Bereichen der Zahnmedizin, Biosensorik, Endoskopie und Chirurgie geführt. Hierbei werden die Vorteile faseroptischer Verbindungen ausgenutzt, wie etwa die erzielbare hohe Orts- auflösung bei gleichzeitiger Möglichkeit der parallelen Übertragung (hohe Kanalkapazität) und die Immunität optischer Wellen gegen- über elektromagnetischen Störungen. Des weiteren sind faseroptische Verbindungen kontaktlos und somit galvanisch entkop- pelt.

In diesem Kapitel sollen die Vorteile einer optischen, opto- elektronischen oder elektro-optischen Multikontaktierung sowie opti- scher Signalübertragung gegenüber rein elektronischen Lösungen evaluiert werden. Abbildung 2.1 zeigt dazu schematisch die Grundidee, das ist die optische Kopplung von einzelnen Nerven- fasern mit einer I/O-Elektronik (Interface) zur Detektion (links) und Stimulation (rechts) von Nervensignalen. In dem Spezialfall einer Nervenüberbrückung ist der Ausgang des linken Interfaces dann mit dem Eingang des rechten Interfaces zu verbinden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Einsatz optoelektronischer Technologien in der Neurotechnologie: 1. Detektion/Sensor, 2. Ver-bindungstechnik, 3. Signalwandlung, 4. Stimula- tion/Aktor.

Für die Kopplung von intelligenten elektronischen Schaltkreisen mit peripheren Nerven lassen sich gemäß Abbildung 2.1 die folgenden Fragestellungen formulieren:

1. Ist eine - berührungslose - optische/elektro-optische Detek- tion von Spannungsimpulsen auf Nervenfasern prinzipiell er- reichbar und besteht die Chance einer Multikontaktierung? Das Mikrosystem wirkt hierbei technisch als Sensor.
2. Welche Möglichkeiten der Verbindungstechnik gibt es?
3. Welche Art von Input/Output-Interfaces zur Wandlung elek- trischer Signale in optische und umgekehrt kommt hierfür in Frage?
4. Gibt es Methoden zur – berührungslosen – optischen/opto- elektronischen Stimulation von Spannungspulsen auf Nerven- fasern und wie leistungsfähig sind diese? Das Mikrosystem wirkt hierbei technisch als Aktor.

Darüber hinaus werden von der Bauteilfertigung bis zur Montage die grundlegenden Fertigungsverfahren auf der Basis biokompatibler

Materialien im Hinblick auf Funktionalität und Langzeitstabilität untersucht.

2.1 Stand der Technik

Im Rahmen der Neurotechnologie soll die Mikrosystemtechnik u.a. geeignete Kontaktstrukturen konzipieren und herstellen, die das Interface zwischen biologischem und technischem System dar- stellen. Die Mikrosystemtechnik bietet grundsätzlich die Möglichkeit, einen Kontakt zu Teilen des Nervensystems bis hinab zu zellulären Dimensionen dauerhaft herzustellen. Ziel ist die Detektion und Stimulation von Nervensignalen. Um dies zu erreichen, wurden in den letzten Jahren verschiedenartige Mikrokontakte und Systeme entwickelt und getestet. Als Messgrößen kommen einerseits die elektrischen und magnetischen Felder bzw. die induzierten Potenziale und Ströme eines Nervenimpulses in Betracht, andererseits auch indirekte Größen wie Konzentrationsänderungen bestimmter chemischer Substanzen oder optische Parameter. Hierzu bedarf es neben der extremen Mikrominiaturisierung auch der Bereitstellung einer "Intelligenz" vor Ort. Bei Mikrosystemen erreicht man dies dadurch, dass Mikrotechniken – bekannt aus Mikro- mechanik und –Elektronik – funktional und miniaturisiert im Aufbau kombiniert werden. Als Basistechnologien sind hier die Silizium- technik, Liga-Technik, Beschichtungstechniken, Halbleitertechniken, integrierte Optik und Faseroptik zu nennen.

2.1.1 Signalkopplung

Eine Reihe von Arbeitsgruppen und Veröffentlichungen beschäftigt sich mit Mikrokontakten auf Halbleitersubstrat, wobei das verwendete Material in den meisten Fällen Silizium ist [69], [80]. Aus der Chip-Fertigung bewährte und bekannte Technologieprozesse werden angewandt, um das Substrat geeignet zu strukturieren und dem Implantat die gewünschte Form zu geben, ebenso für das Aufbringen der Metallkontakte, Leiterbahnen und Isolierschichten. Weiterhin ist die Integration elektronischer Schaltungen zur Vorverarbeitung der elektrischen Signale auf dem Substrat möglich [80]. Es werden sowohl Einzelkontakte wie auch ein- oder zweidimensionale Arrays für den simultanen Betrieb mehrerer Mi- krokontakte untersucht. Mit einer vergleichbaren Technik lassen sich auch Kontakte auf anderen Trägermaterialien wie z.B. Polyimid- [10], [80] oder Molybdänfolie [9] herstellen. Der Vorteil ist eine höhere Flexibilität der Folie im Vergleich zum Halbleitermaterial.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Prinzipielle Darstellung zur intrafaszikulären Im- plantierung einer Kammelektrode.

Die Arbeiten zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit dieser Systeme für die Detektion und Stimulation von Nervensignalen, was durch in- vivo-Experimente bevorzugt an geeignet präparierten Nerven von Ratten nachgewiesen wurde. Dazu wird das in der Regel als Nadel oder Nadelkamm ausgeführte Substrat quer zur Nervenfaser in das Gewebe eingebracht (vgl. Abbildung 2.2). Im extrazellulären Raum erreicht man jedoch nur eine geringe Selektivität der Kontakte und benötigt eine aufwändige Signalvorverarbeitung auf Grund der geringen Signalamplitude. Wird dagegen der Faszikel durchstoßen, so erhöhen sich zwar Selektivität und Signalamplitude. Die Faser ist dann allerdings nur noch begrenzt überlebensfähig.

Weitere bisher nicht befriedigend gelöste Probleme betreffen die folgenden Punkte:

- Stabilität der Lage der Mikrokontakte im Gewebe. Eine Veränderung der Lage durch Gewebebewegungen bedeutet,
dass andere als die ursprünglich gewünschten Neuronen oder Neuronengruppen im Laufe der Zeit stimuliert oder abgetastet werden.
- Die notwendige Amplitude des Stromimpulses zur Auslösung eines Nervensignals. Diese ist stark vom Abstand Elektrode- Nerv abhängig. Mit einer Verschiebung der Lage des Implantats im Gewebe ist somit auch eine Änderung der benötigten Anregungsimpulse verbunden.
- Beständigkeit der Metallelektroden. Mögliche Effekte sind die Elektrolyse von Wasser, Korrosion des Materials und das Eindringen von toxischen Schwermetallionen in die Gewebe- flüssigkeit, sowie die zeitliche Änderung der Elektroden- impedanz im Elektrolyten. In vielen Fällen wird die Isolier- schicht von der Gewebeflüssigkeit angegriffen, so dass nach längerem Einsatz ein störungsfreier Betrieb nicht gewährleistet ist (siehe auch Kapitel 2.3).

Auch mit Hilfe feiner, teilweise isolierter Metalldrähte lassen sich Nervensignale im peripheren Nervensystem detektieren und stimulieren. Im Gegensatz zu den im vorigen Abschnitt beschrie- benen Implantaten werden die Metalldrähte häufig längs der Faszikel in den Nerv eingebracht. Die oben aufgeführten Schwierigkeiten hinsichtlich der Kontaktierung und Stabilität treten hier ebenfalls auf. Eine Besonderheit in diesem Zusammenhang stellen die Cochlea-Implantate dar [56]. Mit ihrer Hilfe kann bei Personen, die durch ein spezifisches Krankheitsbild ertaubt sind, eine beschränkte Hörfähigkeit wiederhergestellt werden. Man hat bereits gute Erfolge mit dieser Technik erzielt, so dass sie mittlerweile als Standard- operation anzusehen ist. Hierbei werden isolierte Metalldrähte mit geeigneten Elektroden in die Hörschnecke eingeführt. Ein Stromfluss durch die Elektroden führt zur Reizung der Hörnerven. Auch hier sind allerdings noch einige Fragen ungeklärt, welche die räumliche Selektivität der Anregungsimpulse von Implantaten mit mehreren Elektroden betreffen. Ebenso ist bisher nicht bekannt, welche Information eines akustischen Ereignisses an welchem Ort in der Hörschnecke verarbeitet wird.

Mit der Ausbreitung eines Nervensignals längs des Axons sind Konzentrationsänderungen von bestimmten Ionen innerhalb und außerhalb der Zellmembran verknüpft. Mittels ionenselektiver Mikrokontakte auf der Basis von feinen Glaskapillaren lassen sich solche Konzentrationsänderungen nachweisen. Auf Grund des ge- ringen Durchmessers der Pipettenspitze (D » 0,2 µm) ist der Nachweis der Zellaktivität sowohl im Zellinnern (Durchbohrung der Zellwand) als auch von außen möglich. Im Hinblick auf die Detektion von Nervensignalen ist von Bedeutung, dass die chemischen Ant- wortzeiten größer sind als diejenigen, welche die durch einen Reiz hervorgerufenen Konzentrationsänderungen charakterisieren.

Andere Arbeiten nutzen die Regenerationsfähigkeit der Nerven, indem eine Lochmaske in einen zerschnittenen Nerv eingeführt wird. Einige Axone wachsen durch diese Löcher wieder zusammen. Wird die Maske mit Elektroden versehen, so können Aktionspotenziale selektiv detektiert oder stimuliert werden. Allerdings gelingt diese Regeneration bisher nur für eine geringe Anzahl der Neuronen des Nervenbündels, und auch die Frage nach der Langzeitstabilität bleibt bislang offen. Ferner kann es zum Zerreißen der Neuronen durch mechanische Beanspruchung bei der Bewegung des Implantates kommen.

Seit Mitte der 80´er Jahre werden starke Magnetfelder dazu benutzt, bei Patienten von außen eine Stimulation sowohl von Moto-Neuronen im Gehirn als auch von peripheren Nerven zu erreichen. Die zur Erzeugung geeigneter magnetischer Felder benötigten Spulen besitzen Durchmesser von einigen Zentimetern und können außerhalb des Körpers angebracht werden. Durch diese kontaktlose und nichtinvasive Technik ist die mechanische Belastung des Patienten minimal, was ein hohes Maß an Komfort darstellt. Jedoch sind Fragen zur elektromagnetischen Verträglichkeit noch weitestgehend ungeklärt [83], [87].

Von Nachteil ist die schlechte Fokussierbarkeit und damit die Orts- auflösung der Stimulationsimpulse, die auch durch eine Verwendung spezieller Spulengeometrien nicht zufriedenstellend verbessert werden kann. Des weiteren kommt es neben der gewünschten axonalen Depolarisierung zu einer Hyperpolarisierung benachbarter Axone, wodurch die Fortpflanzung von Nervenimpulsen blockiert werden kann.

Der Begriff optische Signalkopplung lässt sich im allgemeinen grob in zwei Bereiche einteilen: Einerseits in die optische Verbindungs- technik, die in zunehmendem Maße herkömmliche elektrische Datenleitungen ersetzt, andererseits die faseroptische Sensorik, die immer mehr an Bedeutung gewinnt und auch in der medizinischen Technik mit großem Erfolg eingesetzt wird.

Ein faseroptischer Sensor besteht im wesentlichen aus einer Licht- quelle, der optischen Faser als Lichtleiter, dem eigentlichen Sensor und einem Lichtdetektor [19]. Beeinflusst der zu messende Parameter direkt die optischen Eigenschaften der verwendeten Glas- oder Polymerfaser, so handelt es sich um einen intrinsischen Sensor. Doch lassen sich auch andere physikalische Größen durch ein als Messwandler fungierendes Material oder Element bestimmen, das auf die Faser aufgebracht wird (extrinsischer Sensor). Die Änderungen in der Reflexion, Transmission oder Fluoreszenz werden optisch gemessen und sind ein Maß für die zu untersuchende Größe. Solche faseroptischen Sensoren werden zur Zeit sowohl im industriellen Bereich [30], [40], [48], [91] als auch für Anwendungen in der Medizin entwickelt. Als Beispiel soll der faseroptische Sensor zur in-vivo-Messung von Kernstrahlungsdosen erwähnt werden, der bei der Behandlung von Tumoren als Online- Monitor eingesetzt wird [16], [18]. Bei diesem intrinsischen Sensortyp werden dotierte Bleiglasfasern als Messsonden verwendet, die bei radioaktiver Bestrahlung Streuzentren bilden, so dass ein zur Messung eingestrahltes Lichtsignal absorptiv beeinflusst wird.

Erwähnenswert ist, dass in der Medizin und der Umweltanalytik zunehmend sogenannte Biosensoren [34], [74] zur schnellen Bestimmung wichtiger Blutwerte oder bestimmter Ionenkonzen- trationen [7], [8], [13] eingesetzt werden. Zum Nachweis bestimmter chemischer Substanzen wird die Ummantelung in der aktiven Zone einer optischen Faser entfernt und der Faserkern mit einer chemisch sensitiven Schicht belegt. Als Trennung zum Gewebe oder zur biologischen Flüssigkeit dient eine Schutzschicht oder Membran, die nur für bestimmte Substanzen durchlässig ist (siehe Abbildung 2.3). Durch eine spezielle Behandlung des Kerns tritt bei einer Messung eine Wechselwirkung zwischen dem zu detektierenden Stoff und der Oberfläche des Faserkerns auf. Dies führt bei der Einstrahlung von Licht einer bestimmten Wellenlänge in die Faser zur Absorption des evaneszenten Feldes am Sensorkopf. Ebenso wie bei den Metalldrähten und Hohlfasern können mit derartigen Sensoren auch Konzentrationsänderungen nachgewiesen werden, die mit spezifischen Nervenaktivitäten verbunden sind [13].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Prinzip eines faseroptischen Sensors.

Eine weitere Möglichkeit zum Nachweis der Neuronenaktivität mit optischen Messtechniken bieten spannungsabhängige Farbstoffe [22], [25], [37], [66], [73]. Dazu werden die Nervenzellen mit einem Farbstoff behandelt, welcher sich an der Zellmembran anlagert und keinerlei pharmakologische Wirkung hat. Dieser Farbstoff ändert seine Absorptions- oder Fluoreszenzeigenschaften in Abhängigkeit vom Aktionspotenzial der behandelten Zelle, wobei allerdings der zugrundeliegende physikalische Effekt noch nicht verstanden ist. Mit Hilfe eines über Faserkabel optisch an die Neuronen angekoppelten Detektorarrays war es möglich, die Aktionspotenziale von 14 benachbarten Neuronen selektiv zu detektieren [72]. Die Empfindlichkeit dieser Methode reicht sogar aus, die wesentlich schwächeren Synapsen-Potenziale optisch nachzuweisen [25].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Prinzipieller Messaufbau zur optischen Nerven- signaldetektion.

Ein anderes, rein optisches Phänomen, das auf Neuronenaktivität zurückzuführen ist, ist die schwache Emission von Bio-Photonen, die Wellenlängen im Bereich des sichtbaren und ultravioletten Spek- trums besitzen. Vermutet wird eine Beteiligung der Bio-Photonen an der intra- und interzellulären Informationsübertragung [33], [55].

Mit den optischen Messmethoden sind einige Vorteile im Vergleich zu den elektronischen Verfahren verbunden. Im einzelnen können dies sein:

- Möglichkeit der kontaktlosen Detektion in einem größeren Abstand vom Nerv,
- Galvanische Trennung von Sensor und Messelektronik,
- Elektrische Eigensicherheit,
- Mechanische Unversehrtheit der Nervenmembran,
- Erreichbarkeit innerer, versteckter Nerven,
- Detektion vieler Signale durch Wellenlängen-Multiplex- verfahren.

Durch die Anwendung von Wellenlängen-Multiplexverfahren wird die Möglichkeit eröffnet, über eine optische Faser mehrere Signale gleichzeitig bidirektional zu übertragen. Auf diesem Prinzip bauen optisch auslesbare Multi-Sensoren auf, deren Sensorkopf eine zu bestimmende Messgröße (z.B. Temperatur, Druck, E -Feld, . -Feld, usw.) in eine wellenlängenselektive Intensitätsänderung der optischen Strahlung umwandelt.

In der nichtinvasiven Kreislaufdiagnostik existieren Sensorsysteme auf optoelektronischer Basis, die sich inzwischen etabliert haben [7]. Ein großer Vorteil all dieser Forschungsergebnisse ist die minimale Invasivität bei der Anwendung im menschlichen Gewebe oder sogar der Verzicht auf jegliche chirurgischen Eingriffe, wenn ein direkter Sensorkontakt nicht erforderlich ist. Auch über Arbeiten zur optimalen Ankopplung von Fasern an Sensoren und zur Auswertung optisch übertragener Sensorsignale wird in der Literatur berichtet [8]. Zu erwähnen bleibt, dass auch im industriellen Bereich zur Zeit an vielen Stellen an der Entwicklung faseroptischer Feld-Sensoren gearbeitet wird, wobei schon Geräte auf dem Markt käuflich zu erwerben sind. So gibt es bereits E -Feld-Sensoren, welche über den Umweg einer faseroptischen Temperaturmessung die elektrische Feldstärke von Mikrowellensignalen bestimmen [67]. Auch die Ent- wicklung empfindlicher breitbandiger E -Feld Sensoren mit optischer Signal- und Energieeinkopplung [E11] ist bereits abgeschlossen, wobei jedoch die Ortsauflösung für das hier betrachtete Einsatz- gebiet bei weitem nicht ausreicht.

2.1.2 Signal- und Energieübertragung

Sowohl bei der Detektion als auch bei der Stimulation von Nerven- impulsen müssen die von der neuronalen Multikontaktstruktur (Mul- ticontact Neural Interface, MNI) kommenden bzw. zu dem MNI geleiteten Signale in einem adaptiven neuronalen Computer (Adaptive Neural Computer, ANC) vorverarbeitet werden. Insbe- sondere in der Entwicklungsphase wird man diese Verarbeitungs- einheit aus vielerlei praktischen Gründen außerhalb des Körpers platzieren. Dieser Aufbau erzwingt eine Signalübertragung durch Gewebestrukturen. Eine perkutane, dauerhafte Verbindung mittels Kabel erschien bisher als nicht möglich, da dies zu Entzündungen und Infektionen an der Einstichstelle auf Grund des Eindringens von Fremdkörpern führt [16]. Bei einem kürzlich vorgestellten System wird das Kabel vorher mit einem gewebefreundlichen Material beschichtet, welches das Anwachsen der Haut ermöglicht und so die Gefahr einer Infektion deutlich reduziert [80].

Bei den heutzutage eingesetzten Implantaten (z.B. Cochlea- Implantat [57], Körpertemperatur-Sensoren [89], Künstliches Herz [69]) werden überwiegend Hochfrequenz-Sender (RF-Transmitter) eingesetzt, die typischerweise bei Frequenzen von 1…20 MHz be- trieben werden. Seltener findet man auch optische Daten-Links, die aus einer Infrarot-Leuchtdiode auf der Sendeseite und einem implantierten Photodetektor auf der Empfangsseite bestehen [14]. Derartige Systeme bieten jedoch den Vorteil einer möglichen höheren Datenübertragungsrate und werden auch im Hinblick auf elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) als zukunftsweisend ange- sehen.

2.1.3 Signal- und Energiefortleitung im Körper

Zur Führung optischer Wellen finden Glas- und Polymerfasern in vielen Bereichen der Technik ihre Anwendung. Die Lichtführung beruht hierbei auf dem Prinzip der Totalreflexion an Grenzflächen mit unterschiedlichem Brechungsindex. Glasfasern sind in den phy- sikalischen Größen, die ihre mechanischen Eigenschaften wie Elasti- zitätsmodul und Schubmodul beschreiben, durchaus vergleichbar mit metallischen Materialien wie z.B. Aluminium. Sie sind daher un- empfindlich gegenüber Zug, Torsion und Biegung (Biegera- dius > 1 cm). Als weitere große Vorteile gegenüber metallischen Lei- tern sind die hohe Kanalkapazität (Trägerfrequenz » 3×1014 Hz, Wel- lenlängenmultiplex), die geringen Verluste (0.2 dB/km) und die hohe Ortsauflösung (< 10µm) anzusehen. Des weiteren sind optische Fasern in ihren Übertragungseigenschaften unempfindlich gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Feldern und zeigen auf Grund der äußerst geringen Ausdehnung des evaneszenten Feldes (einige 100 nm) kein Übersprechen. Außerdem handelt es sich bei einer faseroptischen Übertragungsstrecke um eine galvanisch ent- koppelte Strecke, woraus ein weiterer Vorteil resultiert, die Eigen- sicherheit der Fasertechnik: Im Betrieb entstehen keine elektrischen

Spannungen und Ströme, die das biologische Gewebe schädigen können. Neben Glasfasern kommen insbesondere auch Fasern aus Kunststoffen in Betracht.

Auch für die Signalfortleitung im Körper zu einem Interface oder neuronalen Netzwerk (BPN) werden optische Verfahren auf der Basis von Fasertechniken verwendet. So wird in der Literatur von der Übertragung bioelektrischer Mehrkanal-Messdaten (64 Kanäle durch Zeitmultiplex über eine Faser) berichtet [61]. Nur durch diese Technik ist eine optimale Reduktion von Spannungsinterferenzen und damit eine Maximierung des IMRR (Isolation Mode Rejection Ratio) gewährleistet. Außerdem ist eine galvanische Trennung von Elektrode und Auswerteelektronik aus Gründen der Sicherheit für den Patienten notwendig. Durch die Anwendung von Wellenlängen- Multiplexverfahren können über eine Faser mehrere Signale zeit- gleich bidirektional übertragen werden.

2.1.4 Mikrominiaturisierung von neuronaler Netz-Hardware

Seit einigen Jahren sind in der Literatur Forschungsarbeiten bekannt, die sich mit der Realisierung von neuronaler Netz- Hardware unter Zuhilfenahme optischer Techniken beschäftigen. Die entstandenen Aufbauten demonstrieren eindrucksvoll die Möglichkeiten der optischen neuronalen Signalverarbeitung, z.B. bei der Bilderkennung und -verarbeitung. Solche rein optischen Im- plementierungen neuronaler Netzwerke, siehe z.B. [67], [31], [39], sind wegen der noch fehlenden Möglichkeit einer Mikrominiatu- risierung sämtlicher optischer Komponenten und Abbildungstech- niken jedoch nicht integrationsfähig.

Vornehmlich von Arbeitsgruppen in Japan, den USA und Kanada wird ein anderer, vielversprechender Weg beschritten, nämlich die Entwicklung integrierbarer optoelektronischer Bauelemente und Schaltungen mit Hinblick auf die Realisierung neuronaler Netzwerke. So wird in [64], [60] von MSM-Photodetektoren mit einstellbarer Sensitivität (VSPD) berichtet, die als eine Alternative zu räumlichen Lichtmodulatoren (2d-SLM) angesehen werden. Optimiert auf hohe Schaltgeschwindigkeiten und niedrige Schaltleistungen sind die in [47] vorgestellten Transmissions-Modulator-Arrays aus pnpn- Strukturen. Auf der Sendeseite werden oberflächenemittierende Leuchtdioden-Arrays für die Systemintegration in optischen Verbin- dungsnetzen entwickelt [1]. Die Kombination von Leuchtdiode, Modulator und Photodetektor in einem Bauelement (Smart Pixel) erlaubt bei geeigneter Verschaltung die Realisierung von verschie- denen Logikfunktionen, wie in [24] gezeigt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Schematische Darstellung eines optoelektronischen Neuro-Chips (aus [63]).

Die Kombination dieser unterschiedlichen optoelektronischen Bau- elemente zu einem System zeigt die Anwendbarkeit einer solchen Technologie, insbesondere bei der Verwendung von geeigneten Verbindungstechniken (Flip-Chip-Technik, siehe z.B. [62]) zur ver- tikalen Integration mehrerer Einzel-Chips. So wird in [63] ein inte- griertes optoelektronisches neuronales Netzwerk vorgestellt, das aus acht Neuronen mit insgesamt 64 Verbindungen besteht (vgl. Abbildung 2.5).

2.2 Neue Forschungsansätze

Für eine Reihe von Aufgaben im Rahmen der Neurotechnologie bietet sich der Einsatz von optischen, optoelektronischen und elektrooptischen Verfahren zur Signalerzeugung, -verarbeitung und

-übertragung an. Diese Verfahren weisen einige bemerkenswerte

Vorteile gegenüber den standardmäßig verwendeten elektrischen Technologien auf. Die folgenden Unterkapitel gehen in unter- schiedlicher Weise auf diese Thematik ein. Zunächst soll anhand eines Beispiels die Datenkomprimierung, wie sie in der Netzhaut des Auges stattfindet, durch einen bildverarbeitenden Neuro-Chip unter- sucht werden. Im Anschluss daran werden Konzepte zur optoelek- tronischen Nervensignal-Stimulation und -Detektion auf der Basis von Fasertechnik vorgestellt.

2.2.1 Entwicklung eines bildverarbeitenden Neuro-Chips

Zur Detektion und Weiterverarbeitung optischer Eingangssignale (z.B. Bildinformationen) scheint ein Multi-Chip-Modul (MCM) in hybrider Technik am besten geeignet zu sein (Abbildung 2.6). Die Signalkopplung zwischen den einzelnen Modulen soll hierbei auf optischem Weg erfolgen. Als Lichtquellen können oberflächen- emittierende Laserdioden (engl.: vertical cavity surface emitting laser VCSEL) aus III-V Halbleitern oder Leuchtdioden (LED) eingesetzt werden. Die Detektoreinheit bilden Photodetektoren auf Si-Basis. Die optische Verbindung zwischen den einzelnen Modulen bringt den Vorteil, dass z.B. durch zusätzliche Hologramme [15] jeder Punkt einer Lage mit jedem Punkt der nächsten Lage verbunden werden kann. Die Steuerung der Lichtquellen kann mit CMOS-Schaltkreisen auf Si-Substraten erfolgen, wobei die elektrische Verbindung durch Flip-Chip-Bonding oder Transfer Diaphragm Technique^[6] realisiert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Hybrider Aufbau eines bildverarbeitenden Neuro- Chips. Optische Eingangssignale (Bildinforma- tionen) werden von Si-Photodetektoren in elektri- sche Signale gewandelt, verarbeitet und über Bondpads an Laser-/Leuchtdioden weitergeleitet, welche ihrerseits über eine optische Wandlung die Informationen an die darunter gelegene IC-Einheit weitergeben.

Im folgenden sollen die einzelnen Elemente des in Abbildung 2.7 dargestellten Multi-Chip-Moduls, also Photodetektor-Array, Signal- verarbeitung, Verbindungstechnik und VCSEL-Array, detaillierter beschrieben werden.

Als Bildaufnahmeeinheit dient ein Photodetektor-Array in Si- Technologie, das z.B. durch optische Filter an die spektrale Empfindlichkeit des Auges angepasst werden muss. Da die Detektoren und die verarbeitende Elektronik auf der abgewandten Seite des Lichteinfalls liegen, muss das Substrat im Bereich der Photodetektoren weggeätzt werden. Geeignet scheinen für diesen Zweck Photodetektoren, deren Ausgangssignal logarithmisch von der einfallenden Lichtintensität abhängt. Eine mögliche technische Realisierung, die für Lichtintensitäten über drei Zehnerpotenzen empfindlich ist, wurde von N. Bewtra et al. [3] aufgezeigt. Der Detektor besteht aus einem photosensitiven Bipolartransistor, der in Serie mit vier diodengekoppelten MOSFETs geschaltet ist. Der Photostrom des Bipolartransistors führt zu einer Spannung am MOSFET mit einem Dynamikbereich von 4.8 V.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Datenreduktion von 16 optischen Eingangssignalen auf fünf optische Ausgangssignale mittels neuro- naler Verarbeitung.

Sowohl die Signalverarbeitung als auch die Ansteuerung der Laser- oder Leuchtdioden kann mit Schaltkreisen, realisiert in CMOS- Technologie auf Si-Substraten, durchgeführt werden. Die Einstellung der synaptischen Gewichte kann z.B. durch die Steuerung der Empfindlichkeit der Photodioden erfolgen. Für die elektrische Kopplung zwischen dem Si-Chip und den LED- oder VCSEL-Arrays bietet sich Flip-Chip-Bonding an [41], [62], [83]. Die Vorteile gegenüber Wire-Bonding liegen in der Möglichkeit einer 3D-Inte- gration sowie in den geringeren parasitären Induktivitäten und Kapazitäten.

An den Stellen der Chips, die miteinander verbunden werden sollen, muss eine passende, vom Lot benetzbare Metallisierung abgeschieden werden. Der Rest wird mit einer nichtleitenden, dielek- trischen und nicht benetzbaren Schicht abgedeckt. Auf einem der beiden Chips wird dann eine genau definierte Menge einer Pb/Sn- Legierung, welche die Lötpads bildet, durch thermisches Verdampfen oder Magnetronsputtern aufgebracht. Für die Herstellung dieser Strukturen lassen sich Standardverfahren der Chip-Prozessierung verwenden. Während des Reflow-Prozesses verbindet sich die Lötlegierung fest mit der Metallisierung. Nach Aufbringen des zweiten Chips und einer Grobjustierung werden die beiden Chips durch schnelles Aufheizen auf 183 °C bis 310 °C, abhängig von der verwendeten Zusammensetzung des Lots, in ca. 30 Sekunden zusammengelötet und schnell abgekühlt. Diese Verbindungen zeich- nen sich durch hohe mechanische Stabilität und gute thermische sowie elektrische Leitfähigkeit aus.

Die für oberflächenemittierende Laserdioden geforderte Justier- genauigkeit (< 1 µm) wird auf Grund einer Selbstjustierung erreicht, die durch Oberflächenspannungen beim Schmelzen des Lots ent- steht. In der Literatur [83] wurde demonstriert, dass sich bis zu 10.000 Bonds ohne einen einzigen Ausfall gleichzeitig herstellen lassen. Des weiteren bietet diese Verbindungstechnik den Vorteil, dass optische Fasern oder Mikrolinsenarrays direkt an den Si-Chip gebondet werden können.

Als Alternative oder als Ergänzung zu dieser Technik kann auch die Transfer Diaphragm Technique [20], [21], [93] eingesetzt werden. Das Grundprinzip beruht darauf, dass zwischen den photonischen Bauelementen und dem GaAs-Substrat eine Schicht aus AlAs gewachsen wird, die durch eine selektive Ätzlösung (wässrige Flusssäure) aufgelöst wird. Die zur Erzeugung der Bauelemente notwendigen Schichtstrukturen aus III-V Halbleitern werden in herkömmlicher Weise auf dem AlAs epitaktisch abgeschieden und anschließend mit Standardverfahren der Halbleitertechnologie pro- zessiert. Vor der Ablösung werden diese Strukturen durch eine ca. 100 µm dicke Apiezon-W-Schicht, die von der Ätzlösung nicht ange- griffen wird, geschützt. Da Apiezon-W opak ist, werden die Bauele- mente durch Van der Waals-Bindung auf eine aus Polyimid be- stehende Membran (Dicke ca. 4 µm) aufgebracht, die durch einen Siliziumring ihre Festigkeit erhält. Nach Ablösen von Apiezon-W können die Bauelemente auf Grund der Transparenz von Polyimid justiert und durch einseitigen Druck selektiv mit dem Si-Chip verbunden werden. Die Haftung erfolgt durch Van der Waals-Kräfte.

Die Vorteile dieser Technik liegen in der Möglichkeit, Bauelemente auf kleinen Substraten herzustellen, beidseitig zu kontaktieren und durch Integration mit beliebigen anderen Bauelementen zu größeren Arrays zusammenzufügen. Es wird erwartet, dass durch Verwendung eines elektrisch leitenden Klebers die Hafteigenschaften verbessert werden können.

Die Erzeugung der optischen Signale für die Verbindung zwischen den einzelnen Modulen lässt sich mit oberflächenemittierenden Laserdioden verwirklichen [26], [35], [42], [43], [54], [77], [94]. Möglich ist die Realisierung von LD-Arrays mit mehr als 106 Elementen auf 1 cm2 Chipfläche [65]. Die Querschnittsfläche einer Laserstruktur kann dabei bis auf ca. 2 µm2 reduziert werden. Die erreichbaren Wirkungsgrade liegen bei etwa 30 %. Zur Senkung der umgesetzten Leistungen ist es von Vorteil, die z.Z. erreichbaren Schwellenströme, die für Spannungen um 1 V bei ca. 0.5 mA liegen, um einen Faktor 10 bis 100 zu senken. Dies kann entweder durch die Verkleinerung der aktiven Volumina oder durch Vergrößerung des Q-Faktors erreicht werden. Die Effizienz kann auch durch Erhöhung des Wirkungsgrades gesteigert werden.

2.2.2 Faseroptisches Aktor-System

Zur Stimulation von Nerven sind neben den bisher erörterten Ansätzen in Kapitel 2.1.1 (Signalkopplung) auch Konzepte auf der Basis von optischen Fasern anwendbar. Um auf Nervenfasern z.B. elektrische Spannungsimpulse zu induzieren, werden unterschied- liche Strategien verfolgt. Zum einen wird die Möglichkeit einer direk- ten Wandlung von optischer Energie in elektrische Energie durch eine photovoltaische Zelle untersucht (vgl. Abbildung 2.8). Sowohl III-V- und II-VI-Halbleiter als auch Silizium kommen als Materialien in Frage. Zum anderen gibt es indirekte Verfahren, bei denen hoch- frequenzmodulierte optische Impulse, optisch induzierte Magnetfelder oder thermische Effekte als Lösungsmöglichkeiten zu betrachten sind.

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^[1] Der Begriff Neurotechnologie umfasst den Ersatz (oder die Überbrückung) ausgefallener Funktionen des Nervensystems durch den Einsatz von Informationstechnologien.

^[2] Retina-Implantat (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) und Intra- okulare Sehhilfe (Deutsche Forschungsgemeinschft, DFG).

^[3] EPI-RET steht für epiretinal, das ist die Seite der neuralen Netzhaut, die dem ins Auge einfallenden Licht zugewandt ist.

^[4] SUB-RET steht für subretinal, das ist die Seite der neuralen Netzhaut, die dem ins Auge einfallenden Licht abgewandt ist.

^[5] DIL = Dual-In-Line, engl. für zweireihig. Spezielles Gehäuse für integrierte Schaltun- gen, bei der die Anschlüsse eine zweireihig ausgeführte Form besitzen.

^[6] Verbindungstechniken zur hybriden Integration von integrierten Schaltungen, die eine hohe Anzahl von elektrisch leitfähigen Verbindungen ermöglichen, siehe hierzu auch S. 22 f.