Weltweit leiden Millionen Menschen an einer neurodegenerativen Erkrankung der Retina, die im progressiven Verlauf zur Erblindung des Patienten führt. Nach aktuellem Stand gibt es keine Therapie-Ansätze zur vollständigen Genesung bzw. Wiederherstellung der verloren gegangenen sensorischen Funktion. Der Einsatz von Retina-Implantaten konnte bisher einen Seheindruck bei den Patienten wiederherstellen, allerdings liegen noch zahlreiche offene Fragestellungen und technische Herausforderungen zur Schaffung eines langzeit-stabilen und räumlich hochauflösenden Sehvermögens vor.

In der vorliegenden Dissertation werden Schaltungskonzepte zur bidirektionalen Kommunikation zwischen der Elektronik und der Retina zur monolithischen Integration in ein Implantat mit hochdichten Elektroden-Arrays vorgestellt. Als Schnittstelle dienen Mikroelektroden, die simultan eine lokale Stimulation des degenerierten Gewebes und die Ableitung der extrazellulären Gewebe-Aktivitäten ermöglichen. Das Ableitungs-Frontend erfasst den Informationsfluss vom neuronalen Retina-Netzwerk zum visuellen Kortex und ermittelt mithilfe einer hardware-nahen Merkmals-Extraktion die Feuerrate, die die Anzahl der Aktionspotentiale pro Messintervall ermittelt. Bei der elektrischen Stimulation werden neue Konzepte und Entwurfsregeln zur Realisierung eines innovativen ladungsgesteuerten Stimulationsverfahrens vorgestellt. Außerdem wird
ein störrobuster Algorithmus zur Detektion der Aktionspotentiale inklusive Techniken zur Vermeidung von Stimulations-Artefakten präsentiert, die keinen Einfluss auf die Auswertung der bioelektrischen Signale besitzen. Zukünftig kann damit die Technik der adaptiven Stimulation untersucht werden, bei der die Wirksamkeit der Stimulation in Abhängigkeit von der ermittelten
Gewebe-Aktivität angepasst werden.

Das vorgestellte Verfahren der ladungsgesteuerten Stimulation wird mit Nass-Messungen validiert, bei denen ein Mikroelektroden-Array aus 16 Elektroden verwendet wird. Aus den Nass-Messungen werden die elektrischen Eigenschaften bzw. die kapazitiven und resistiven Eigenschaften des Stimulationspfads extrahiert. Diese Ergebnisse werden mit den elektrochemischen Charakterisierungen
der Impedanz-Spektroskopie und der Cyclo-Voltammetrie verglichen. Außerdem
werden die Temperatureigenschaften des Metall-Elektrolyt-Übergangs über die Impedanz-Messung bei 1 kHz untersucht. Zur Evaluierung der Neurostimulations-ASICs wird ein elektrisches Testsystems vorgestellt, das das Verhalten von Neuronen in Abhängigkeit von der elektrischen Stimulation emuliert. Dieser Neuronen-Emulator dient als zusätzlicher Test-Schritt zwischen der reinen elektrischen Validierung und den biologischen Experimenten. Die interne und
programmierbare Korrelation kann zukünftig mit einem verbesserten Verständnis der retinalen Signalverarbeitung angepasst werden, sodass Algorithmen zur adaptiven Stimulation elektrisch validiert werden können. Eine Folge dessen könnte sein, dass die Anzahl der erforderlichen Tierversuche reduziert werden kann.