Mikromechanische Antriebstechnik für aktive Augenimplantate

Thomas Martin

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2018
• eBook-ISBN: 9783110558999
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Science General

Das Buch beschreibt erstmals die Entwicklung von mechanischen Antrieben für die aktive Optik des Künstlichen Akkommodationssystems. Das intraokulare, mechatronische Implantat soll die Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges bei Alterssichtigkeit oder im Rahmen einer Kataraktoperation wiederherstellen. Dafür besonders geeignete optische Wirkprinzipien sind nach früheren Forschungsergebnissen Linsensysteme mit parallel oder senkrecht zur optischen Achse zu verschiebenden Linsenkörpern in Form einer Triple-Optik und einer Alvarez-Optik. Beide benötigen einen mechanischen Antrieb.

Eine Analyse der notwendigen Funktionen des Antriebs bildet die Grundlage für die Entwicklung der Funktionsstruktur eines generischen Lösungskonzepts. Für alle Teilfunktionen werden Lösungsansätze in Form von Wirkprinzipien erarbeitet. Mit ihnen wird das generische Antriebskonzept schließlich als Wirkstruktur formuliert. Auf Basis dieses Konzepts werden Antriebsentwürfe für eine Triple-Optik und eine Alvarez-Optik funktions-, fertigungs- und montagegerecht ausgearbeitet. Sie basieren auf piezoelektrischen Aktoren zur mechanischen Bewegungserzeugung. Für beide Antriebe werden planare Getriebe aus einkristallinem Silizium mit jeweils einem neuartigen elastischen Verformungsmechanismus entwickelt. Neben theoretischen Funktionsnachweisen wurden beide Antriebslösungen als Funktionsmuster im Maßstab 1, 5: 1 bzw. 1, 2: 1 entworfen, aufgebaut, erfolgreich in Betrieb genommen und mit positivem Ergebnis messtechnisch charakterisiert. Damit wird erstmals die Realisierbarkeit mechanischer Antriebe für das Künstliche Akkommodationssystem nachgewiesen.

Dr.-Ing. Thomas Martin promovierte am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) über die Entwicklung von mikromechanischen Antrieben für das Forschungsprojekt »Künstliches Akkommodationssystem«. Heute ist er bei Roche in der Entwicklung von Automatisierungstechnik für die In-vitro-Diagnostik tätig.

1Einleitung

1.1Bedeutung der Akkommodation für das menschliche Sehen

Das Auge ist eines der wichtigsten menschlichen Sinnesorgane. Die intensitäts-, wellenlängen- und richtungssensitive Wahrnehmung elektromagnetischer Strahlung ermöglicht es dem Menschen, in sehr kurzer Zeit sehr viele Informationen über seine Umgebung zu gewinnen. Sehen bildet die Grundlage einer effizienten räumlichen Orientierung, eine wichtige Säule zwischenmenschlicher Kommunikation, und ist damit entscheidend für die Leistungsfähigkeit des Menschen. Entsprechend groß sind die Auswirkungen jeder Art von Einschränkungen des Sehvermögens. Altersbedingte Augenerkrankungen gewinnen mit steigender Lebenserwartung an Bedeutung. Der Mensch verbringt einen zunehmenden Teil seines Lebens mit verminderter Sehfähigkeit und entsprechend reduzierter Leistungsfähigkeit und Lebensqualität. Die hier beschriebenen Forschungsarbeiten sollen dazu beitragen, in diesem Zusammenhang Verbesserungen herbeizuführen. Sie befassen sich dazu mit der Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit des Auges.

Akkommodation1 bezeichnet die dynamische Anpassung des dioptrischen Apparates an unterschiedliche Gegenstandsweiten zur Erzielung einer scharfen Abbildung auf der Netzhaut. Im paraxialen geometrisch-optischen Modell entspricht sie dem dynamisch veränderlichen Anteil ΔD der Gesamtbrechkraft D des Auges (Abschn. A.1). Die Gesamtdauer eines Akkommodationsvorgangs wird in [Ibi97] mit durchschnittlich etwa 700 ms für die Augen junger Erwachsener angegeben. Eine der wenigen Untersuchungen zur zeitlichen Häufigkeit von Akkommodationsvorgängen ermittelte durchschnittlich etwa 9 bis 11 Akkommodationsänderungen pro Minute im Wachzustand [Nag11]. Physiologisch wird die Akkommodation im menschlichen Auge durch Verformung und Verschiebung der elastischen Linse erzielt, beides resultiert aus dem Zusammenwirken von Ziliarmuskel und Zonulafasern.

Die Verformbarkeit der Linse und die Beweglichkeit des Ziliarmuskels nehmen im Laufe des Lebens kontinuierlich ab, was zu einer Verringerung der Akkommodationsamplitude führt (Abb. 1.1) [BK08a]. Dabei vergrößert sich primär die minimale Gegenstandsweite scharfen Sehens, so dass es im Alter von 40 bis 50 Jahren bei nahezu allen Menschen zu Problemen beim Nahsehen2 kommt, insbesondere beim Lesen und bei Naharbeit [BK08a]. Die Alterssichtigkeit (Presbyopie) betrifft damit weltweit knapp zwei Milliarden Menschen [U.S13]. Eine weitere Ursache für den Verlust der Akkommodationsfähigkeit ist die chirurgische Behandlung der Katarakt. Dabei wird in einem hochentwickelten und minimalinvasiven Operationsverfahren mit sehr geringen Komplikationsraten die getrübte Linse entfernt und durch eine künstliche Intraokularlinse mit fixer Refraktionsstärke ersetzt [Gre08, KBK+09]. Die Kataraktoperation ist einer der häufigsten chirurgischen Eingriffe. Sie wird in Deutschland jährlich über 650.000 Mal durchgeführt [Aug07, KBK+09, Hen12], die Weltgesundheitsorganisation (WHO) gibt für die meisten industrialisierten Länder über 4.000 Kataraktoperationen pro Million Einwohner und Jahr an [WHO15]. Entsprechend groß ist das Marktpotential einer wirksamen und verträglichen Therapie zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit.

Abb. 1.1: Abnahme der maximalen Akkommodationsbreite (Ordinatenachse) mit dem Lebensalter (Abszissenachse), subjektiv gemessen an über 4200 Probanden (nach A. Duane 1912 [Dua12], Quelle: [BK08a] Wiedergabe mit Genehmigung der Springer Customer Service Centre GmbH)

Die Standardbehandlung bei eingeschränkter Akkommodationsfähigkeit erfolgt derzeit mit Lese- und Gleitsichtbrillen [Gre08]. Diese bieten jedoch entweder nur einen eingeschränkten Entfernungsbereich scharfen Sehens oder eine starke Beschränkung der verschiedenen Entfernungsbereiche auf kleine Teile des Blickfeldes mit zusätzlichen Verzerrungen des Bildes. Auch die in den letzten Jahren zunehmend implantierten multifokalen Intraokularlinsen bringen erhebliche Nebenwirkungen wie schwachen Bildkontrast und Blendempfindlichkeit bei Dunkelheit mit sich [Gre08, BK08b]. Aufgrund des großen Bedarfs existiert heute nach umfangreichen weltweiten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl an Lösungsansätzen zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit. Sie reichen von passiv akkommodierenden Intraokularlinsen [BK08b, SBWD10, ASP+14] über aktiv akkommodierende Kontaktlinsen [BGN+14a], Multifokalisierung der Hornhaut durch Laserchirurgie [BK08b] und Flexibilisierung der natürlichen Linse durch Femtosekundenlaserbehandlung [BK08b] bis hin zum Auffüllen des entleerten Kapselsacks der Linse mit einem elastischen, transparenten Polymer [BK08b, SBWD10]. Für keinen dieser Behandlungsansätze konnte bislang eine ausreichende und dauerhafte Wirksamkeit nachgewiesen werden. Die Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges bleibt daher heute eine große Herausforderung für die Disziplinen der Medizin und Technik.

Einen neuen Lösungsansatz stellt ein mechatronisches Mikrosystem zur Implantation in den Kapselsack des Auges dar, das unter dem Namen „Künstliches Akkommodationssystem“ vorgeschlagen wurde [BBG+11, GBG05, Ber07, BGG10, BGSG10, BGN+14b]. Es besteht aus einem Messsystem zur Erfassung des Akkommodationsbedarfs, einer Steuerungseinheit, einer aktiven Optik steuerbarer refraktiver Stärke zur Änderung des Akkommodationszustandes, einer Kommunikationseinheit zum Datenaustausch mit einem externen Gerät zu Kalibrier-, Prüf- und Wartungszwecken sowie ggf. zur Kommunikation zwischen den Implantaten beider Augen, einer Energieversorgungseinheit und einer Kapselung zur Trennung von Implantatmaterialien und Augengewebe bzw. Kammerwasser. Zu den potentiell geeigneten Lösungsansätzen für die aktive Optik des Implantats gehören passive Linsensysteme, bei denen starre Linsenkörper parallel (Triple-Optik) oder senkrecht (Alvarez-Optik) zur optischen Achse verschoben werden sowie Fluidlinsen, bei denen die Grenzflächenkrümmung zwischen zwei Fluiden mit unterschiedlichem Brechungsindex durch Druckänderung und Verschiebung beider Fluide verändert wird. Diese drei Arten brechkraftvariabler Optiken benötigen einen mechanischen Antrieb, der durch eine Antriebseinheit im Implantat erbracht werden muss. Die nachfolgend beschriebenen Forschungsarbeiten untersuchen erstmals die Realisierbarkeit eines solchen mechanischen Antriebs für die aktive Optik des Künstlichen Akkkommodationssystems und es werden systematisch Lösungen dafür entwickelt.

1.2Stand der Technik

1.2.1Mechatronische Akkommodationsimplantate

Künstliches Akkommodationssystem

Das Konzept eines mechatronischen Implantats zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit des menschlichen Auges wurde erstmals im Jahr 2004 unter dem Namen „Künstliches Akkommodationssystem“ im Rahmen der Antragstellung für die Programmorientierte Forschungsförderung (POF) der HELMHOLTZ-Gemeinschaft von Prof. G. Bretthauer vorgestellt und für die erste Förderperiode bestätigt. Der Lösungsansatz sieht als neuartige Intraokularlinse ein implantierbares Mikrosystem vor, welches selbständig und dynamisch die Brechkraft D des Auges durch Änderung seiner optischen Eigenschaften an die Entfernung des fixierten Objekts anpasst [BBG+11, GBG05, Ber07, NMR+08, NGG+09, BGG10, BGSG10, RBF+12, BGN+14b]. Dadurch ist es weder auf die Ziliarkörperbewegung noch auf die Verformbarkeit des Kapselsacks angewiesen.

Anforderungen an das Künstliche Akkommodationssystem

Folgende Anforderungen werden an das Künstliche Akkommodationssytem gestellt [GBG05, Ber07, NMR+08, NGG+09, BGG10, BGSG10, RBF+12, BGN+14b]:

Energieautarkie: Das Implantat soll eine dauerhafte oder temporäre Unabhängigkeit von Brillen und anderen refraktiven optischen Hilfsmitteln ermöglichen. Dafür ist ein energieautarker Betrieb von mindestens 24 Stunden erforderlich.

Sehkomfort: Der Sehkomfort soll möglichst dem der natürlichen Akkommodation junger Erwachsener entsprechen. Mindestens ist jedoch eine Akkommodationsbreite von 3 dpt erforderlich, um komfortables Nahsehen im Abstand so von 33 cm, bspw. beim Lesen, zu ermöglichen. Die statische Regelabweichung des Akkommodationszustandes vom Akkommodationsbedarf sollte die Hälfte der objektiv messbaren Schärfentiefe, ausgedrückt als Brechkraftdifferenz, nicht überschreiten. Dies ist nach [Ber07] durch eine Akkommodationsgenauigkeit entsprechend der Abstufung von Korrekturgläsern von 0,25 dpt bei der Refraktionsbestimmung für Patienten mit einem Visus über 0,5 [Aug07] sichergestellt. Nach Einschätzung von Ophthalmologen kann auch eine Beschränkung auf etwa vier Akkommodationszustände, die also mit einer wesentlich größeren statischen Regelabweichung von bis zu 0,5 dpt einhergeht, für den Lebensalltag der meisten Menschen bereits zufriedenstellenden Sehkomfort ermöglichen [Wil11, Guth08]. Weiterhin soll die Akkommodationsdynamik idealerweise derjenigen der natürlichen Akkommodation junger Erwachsener entsprechen. In Abweichung dazu sehen einzelne Ophthalmologen eine Akkommodationsdynamik im Bereich der etwas langsameren Pupillendynamik als vollkommen hinreichend für einen zufriedenstellenden Sehkomfort [Wil11]. Die optische Abbildungsqualität muss die in der Norm DIN EN ISO 11979 für Intraokularlinsen spezifizierten Anforderungen erfüllen. Hinter der Pupille in einem Radius von 2,5 mm um die optische Achse einfallendes sichtbares Licht muss zu mindestens 80% durch das Implantat transmittiert werden. Akkommodation muss unabhängig von der Orientierung des Implantats im Erdschwerefeld und damit von der Richtung der Erdschwerebeschleunigung erfolgen.

Implantationsort und Implantatgröße: Das Implantat soll zwischen Iris und Glaskörper platziert werden, für einen minimalinvasiven Eingriff vorzugsweise im entleerten Kapselsack der Linse. Bei Nutzung des Sulcus Ciliaris als Implantationsort für einen Teil des Implantats ist mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Behinderung der Irisbeweglichkeit zu erwarten [Guth08, Guth10]. Im Kapselsack darf aufgrund der anatomischen Abmessungen ein maximales zylindrisches Volumen von 10 mm Durchmesser und 4 mm Länge nicht überschritten werden. Kleinere Werte und eine verrundete, an die Linsenkapsel angepasste Form würden jedoch sowohl Implantierbarkeit als auch medizinische Verträglichkeit des Implantats wesentlich verbessern und sind daher anzustreben [LMT+10, Rhe11]. Abbildung 1.2 veranschaulicht Größe und Implantationsort des Künstlichen Akkommodationssystems in einer schematischen Darstellung. Um sowohl ein Auftreiben, als auch ein Absenken des Implantats im Auge ebenso wie übermäßige Kräfte auf das okulare Gewebe durch Massenbeschleunigungen bei Augen- und Kopfbewegungen zu vermeiden, muss die Gesamtdichte des Implantats näherungsweise der des Kammerwassers entsprechen.

Abb. 1.2: Schematische Darstellung des Künstlichen Akkommodationssystems und seines Implantationsortes im menschlichen Auge (modifiziert nach [Rhe11])

Implantationsaufwand: Die Implantation soll im Rahmen der Kataraktoperation stattfinden und möglichst minimalinvasiv erfolgen. Da eine genaue Ausrichtung des Implantats bezüglich seiner Rotationsorientierung um die Sehachse den Implantationsaufwand erhöht, sollte das Implantat möglichst in jeder beliebigen derartigen Orientierung funktionsfähig sein.

Patientenindividuelle Anpassung: Das Implantat soll für möglichst viele Patienten geeignet sein, insbesondere für eine große biometrische Bandbreite. Möglicherweise ist dazu eine Anpassbarkeit, bspw. unter Anwendung eines Baureihenprinzips erforderlich. Ein Ausgleich von postoperativen Refraktionsfehlern $-e_{D_{\infty }}$

(Abschn. A.1) muss durch das Implantat ermöglicht werden, um eine vollständige Unabhängigkeit von Brillen zu erreichen.

Nachstarprävention: Bei Implantation im Kapselsack soll eine Nachstarbildung (Abschn. A.2) durch das Implantatdesign vermieden werden. Kann dies nicht mit absoluter Sicherheit gewährleistet werden, muss auch eine minimalinvasive Nachstarbehandlung bei implantiertem System möglich sein.

Physiologische Verträglichkeit: Das Implantat muss physiologische Kompatibilität aufweisen. Das heißt auch, dass keine Körperfunktionen beeinträchtigt werden und nur biokompatible und biostabile Materialien mit okularem Gewebe oder Flüssigkeiten in Kontakt kommen.

Zuverlässigkeit und Betriebslebensdauer: Ein Verbleiben des Implantats im Körper über viele Jahrzehnte ist vorzusehen. Eine Betriebsfähigkeit über 30 Jahre ist anzustre...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelseite
• Impressum
• Vorwort
• Inhalt
• 1 Einleitung
• 2 Neues Konzept für den Antrieb des Künstlichen Akkommodationssystems
• 3 Lösungen für Teilfunktionen des Antriebs
• 4 Gesamtlösungen für den Antrieb
• 5 Realisierung von Funktionsmustern des neuen Antriebs
• 6 Zusammenfassung
• A Anhang
• Literatur
• Stichwortverzeichnis