Schaltungsdesign für Ziliarmuskelpotentialrekorder

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines integrierten Chips zur Erfassung, Filterung und Digitalisierung von Ziliarmuskelpotentialen. Der Fokus liegt auf Low-Power, Low-Area-Designs, um eine potentielle zukünftige Verwendung in medizinischen Implantaten zu ermöglichen.

Die Fähigkeit des menschlichen Auges, sich auf unterschiedliche Entfernungen zu konzentrieren, wird Akkommodation genannt. Die beteiligten mechanischen Komponenten (unter anderem) sind die Augenlinse und der Ziliarmuskel. Mit zunehmendem Alter versteift sich die Linse und das Auge verliert zunehmend die Fähigkeit, sich auf nahe Objekte zu konzentrieren. Dies wird Presbyopie genannt und die überwiegende Mehrheit der Menschen über 60 Jahre leidet darunter. Der Ziliarmuskel bleibt von Alterungsprozessen nahezu unbeeinflusst und kann dennoch zur Messung der Akkommodationsnachfrage des Auges verwendet werden. Durch die Messung der Muskelpotentiale kann damit eine künstliche Linse gesteuert und ein intuitives visuelles Hilfssystem geschaffen werden, das auf dem biologischen Mechanismus basiert.

Implantierter intraokularer Sensor für Ziliarmuskelpotentiale
Implantierter intraokularer Sensor für Ziliarmuskelpotentiale

 

In einem ersten Schritt wurde zur Charakterisierung der Ziliarmuskelpotentiale ein miniaturisiertes Implantat entworfen. Es besteht aus handelsüblichen Komponenten und enthält keine benutzerdefinierten Chips. Dieses Design digitalisiert die aufgezeichneten Potentiale mit einer 24 Bit Auflösung bei einer Rate von 250 Hz und überträgt die Daten über Bluetooth Low Energy an einen externen PC, Es ist für einen geringen Stromverbrauch optimiert, um eine Laufzeit von mehreren Wochen zu ermöglichen, ohne dass der Akku ausgetauscht oder aufgeladen werden muss.

Der nächste Schritt besteht darin, die aufgezeichneten Signale zu analysieren, um ein benutzerdefiniertes analoges Frontend zu erstellen, das auf die Eigenschaften der Ziliarmuskelpotentiale zugeschnitten ist. Um eine lange Laufzeit potenzieller Implantate zu ermöglichen, sollte der Stromverbrauch so weit wie möglich reduziert werden, ohne die Messungen zu beeinträchtigen. Die erfassten Biosignale sind recht langsam (von 0,1 bis 10 Hz) und haben eine geringe Amplitude (<10 mV), was eine hohe Verstärkung, hohe Auflösung und einen robusten Schutz vor Gleichstromversätzen und Versorgungsrauschen erfordert, ohne das Signal zu dämpfen.