Abstract Localized stimulation of the inner retinal neurons for high-acuity prosthetic vision requires small pixels and minimal cross-talk from neighboring electrodes. Local return electrodes within each pixel limit crosstalk, but can over-constrain the electric field, thus precluding efficient stimulation with subretinal pixels smaller than 50 μm. Here we demonstrate high-resolution prosthetic vision based on a novel design of a photovoltaic array, where field confinement is achieved dynamically, leveraging the adjustable conductivity of the diodes under forward bias to turn the designated pixels into transient returns. We validated computational modeling of the field confinement in such an optically-controlled circuit by ex-vivo and in-vivo measurements. Most importantly, using this strategy, we demonstrated that the grating acuity with 40 μm pixels matches the pixel pitch, while with 20 μm pixels, it reaches the 28 μm limit of the natural visual resolution in rats. This method enables customized field shaping based on individual retinal thickness and distance from the implant, paving the way to prosthetic vision with acuity as high as 20/80 in atrophic macular degeneration.

Abstract Objective The photovoltaic subretinal prosthesis, PRIMA, restores central vision in patients blinded by atrophic age-related macular degeneration (AMD), with a resolution closely matching the 100 µm pixel size of the implant. Improvement in resolution requires smaller pixels, but the resultant electric field may not provide sufficient stimulation strength in the inner nuclear layer (INL) or may lead to excessive crosstalk between neighboring electrodes, giving low contrast stimulation patterns. We study approaches to shaping the electric field in the retina for prosthetic vision with higher resolution and improved contrast. Approach We present a new computational framework, RPSim, that efficiently computes the electric field in the retina generated by a photovoltaic implant with thousands of electrodes. Leveraging the PRIMA clinical results as a benchmark, we use RPSim to predict the stimulus strength and contrast of the electric field in the retina with various pixel designs and stimulation patterns. Main results We demonstrate that by utilizing monopolar pixels as both, anodes and cathodes to suppress crosstalk, most patients may achieve resolution no worse than 48 µm. Closer proximity between the electrodes and the INL, achieved with pillar electrodes, enhances the stimulus strength and contrast and may enable 24 µm resolution with 20 µm pixels, at least in some patients. Significance A resolution of 24 µm on the retina corresponds to a visual acuity of 20/100, which is over 4 times higher than the current best prosthetic acuity of 20/438, promising a significant improvement of central vision for many AMD patients.

Abstract Objective To restore central vision in patients with atrophic age-related macular degeneration, we replace the lost photoreceptors with photovoltaic pixels, which convert light into current and stimulate the secondary retinal neurons. Clinical trials demonstrated prosthetic acuity closely matching the sampling limit of the 100 μm pixels, and hence smaller pixels are required for improving visual acuity. However, with smaller flat bipolar pixels, the electric field penetration depth and the photodiode responsivity significantly decrease, making the device inefficient. Smaller pixels may be enabled (1) by increasing the diode responsivity using vertical p-n junctions and (2) by directing the electric field vertically using 3-D electrodes. Here, we demonstrate such novel photodiodes and test the retinal stimulation in a vertical electric field. Approach Arrays of silicon photodiodes of 55, 40, 30, and 20 μm in width, with vertical p-n junctions, were fabricated. The electric field in the retina was directed vertically by a common return electrode at the edge of the devices. Optical and electronic performance of the diodes was characterized in-vitro, and retinal stimulation threshold measured by recording the visually evoked potentials (VEPs) in rats with retinal degeneration. Main results The photodiodes exhibited sufficiently low dark current (<10 pA) and responsivity at 880 nm wavelength as high as 0.51 A/W, with 85% internal quantum efficiency, independent of pixel size. Field mapping in saline demonstrated uniformity of the pixel performance in the array. The full-field stimulation threshold was as low as 0.057±0.029 mW/mm 2 with 10 ms pulses, independent of pixel size. Significance Photodiodes with vertical p-n junctions demonstrated excellent charge collection efficiency independent of pixel size, down to 20 μm. Vertically-oriented electric field provides a stimulation threshold that is independent of pixel size. These results are the first steps in validation of the feasibility of scaling down the photovoltaic pixels for subretinal stimulation.

Abstract In patients blinded by geographic atrophy, subretinal photovoltaic implant with 100µm pixels provided visual acuity closely matching the pixel pitch. However, such flat bipolar pixels cannot be scaled below 75µm, limiting the attainable visual acuity. This limitation can be overcome by shaping the electric field with 3-dimensional electrodes. In particular, elevating the return electrode on top of honeycomb-shaped vertical walls surrounding each pixel extends the electric field vertically and decouples its penetration into tissue from the pixel width. This approach relies on migration of the retinal cells into the honeycomb wells. Here, we demonstrate that the majority of the inner retinal neurons migrate into 25µm deep wells, leaving the third-order neurons, such as amacrine and ganglion cells, outside. This is important for selective stimulation of the second-order neurons to preserve the retinal signal processing in prosthetic vision. Comparable glial response to that with flat implants suggests that migration and separation of the retinal cells by the walls does not cause additional stress. Furthermore, retinal migration into the honeycombs does not negatively affect its electrical excitability.

Abstract Objective Retinal prostheses aim at restoring sight in patients with retinal degeneration by electrically stimulating the inner retinal neurons. Clinical trials with patients blinded by atrophic Age-related Macular Degeneration (AMD) using the PRIMA subretinal implant, a 2×2 mm array of 100μm-wide photovoltaic pixels, have demonstrated a prosthetic visual acuity closely matching the pixel size. Further improvement in resolution requires smaller pixels, which necessitates more intense stimulation. Approach Here, we examine the lower limit of the pixel size for PRIMA implants by modeling the electric field, leveraging the clinical benchmarks, as well as using a preclinical animal data to assess the stimulation strength and contrast of various patterns. Visually evoked potentials were measured in RCS rats with photovoltaic implants of 100 and 75μm pixels and compared to clinical thresholds with 100 μm pixels. Electrical stimulation model calibrated by these clinical and rodent data was used to predict the performance of the implant with smaller pixels. Main Results We found that PRIMA implants with 75μm pixels under the maximum safe near-infrared (880nm) illumination of 8 mW/mm 2 with 30% duty cycle (10ms pulses at 30Hz) should provide a similar perceptual brightness as with 100 μm pixels under 3 mW/mm 2 irradiance, used in the current clinical trials. Contrast of the Landolt C pattern scaled down to 75μm pixels is also similar under such illumination to that with 100μm pixels in clinical settings, increasing the maximum acuity from 20/420 to 20/300. Significance Computational model of the photovoltaic subretinal prosthesis defines the minimum pixel size of the PRIMA implants as 75μm. Increasing the implant width from 2 to 3 mm and reducing the pixel size from 100 to 75μm will nearly quadrupole the number of pixels and thereby should significantly improve the visual performance. Smaller pixels of the same bipolar flat geometry would require excessively intense illumination, and therefore a different pixel design should be considered for further improvement in resolution.

Objective Avoidance of the adverse electrochemical reactions at the electrode-electrolyte interface defines the voltage safety window and limits the charge injection capacity (CIC) of an electrode material. For an electrode that is not ideally capacitive, the CIC depends on the waveform of the stimulus. We study the modeling of the charge injection dynamics to optimize the waveforms for efficient neural stimulation within the electrochemical safety limits.Approach The charge injection dynamics at the electrode-electrolyte interface is typically characterized by the electrochemical impedance spectrum, and is often approximated by discrete-element circuit models. We compare the modeling of the complete circuit, including a non-linear driver such as a photodiode, based on the harmonic-balance (HB) analysis with the analysis based on various discrete element approximations. To validate the modeling results, we performed experiments with iridium-oxide electrodes driven by a current source with diodes in parallel, which mimics a photovoltaic circuit.Main results Application of HB analysis based on a full impedance spectrum in frequency domain eliminates the complication of finding the discrete-element circuit model in traditional approaches. HB-based results agree with the experimental data better than the discrete-element circuit analysis. HB technique can be applied not only to demonstrate the circuit response to periodic stimulation, but also to describe the initial transient behavior when a burst waveform is applied.Significance HB-based circuit analysis accurately describes the dynamics of electrode-electrolyte interfaces and driving circuits for all pulsing schemes. This allows optimizing the stimulus waveform to maximize the CIC, based on the impedance spectrum alone.

Purpose: Photovoltaic subretinal prosthesis is designed for restoration of central vision in patients with age-related macular degeneration (AMD). We investigated the utility of prosthetic central vision for complex visual tasks using augmented-reality (AR) glasses simulating reduced acuity, contrast and visual field. Methods: AR glasses with blocked central 20° of visual field included an integrated video camera and software which adjusts the image quality according to three user-defined parameters: resolution, corresponding to the equivalent pixel size of an implant, field of view, corresponding to the implant size, and number of contrast levels. The real-time processed video was streamed on a screen in front of the right eye. Nineteen healthy participants were recruited to complete visual tasks including vision charts, sentence reading, and face recognition. Results: With vision charts, letter acuity exceeded the pixel-sampling limit by 0.2 logMAR. Reading speed decreased with increasing pixel size and with reduced field of view (7-12°). In the face recognition task (4-way forced choice, 5° angular size) participants identified faces at >75% accuracy, even with 100 μm pixels and only 2 grey levels. With 60 μm pixels and 8 grey levels, the accuracy exceeded 97%. Conclusions: Subjects with simulated prosthetic vision performed slightly better than the sampling limit on the letter acuity tasks, and were highly accurate at recognizing faces, even with 100 μm/pixel resolution. These results indicate feasibility of the reading and face recognition using prosthetic central vision even with 100 μm pixels, and performance improves further with smaller pixels.

Abstract Objective Patients with the photovoltaic subretinal implant PRIMA demonstrated letter acuity by ~0.1 logMAR worse than the sampling limit for 100μm pixels (1.3 logMAR) and performed slower than healthy subjects, which exceeded the sampling limit at equivalently pixelated images by ~0.2 logMAR. To explore the underlying differences between the natural and prosthetic vision, we compare the fidelity of the retinal response to visual and subretinal electrical stimulation through single-cell modeling and ensemble decoding. Approach Responses of the retinal ganglion cells (RGC) to optical or electrical (1mm diameter arrays, 75μm pixels) white noise stimulation in healthy and degenerate rat retinas were recorded via MEA. Each RGC was fit with linear-non-linear (LN) and convolutional neural network (CNN) models. To characterize RGC noise level, we compared statistics of the spike-triggered average (STA) in RGCs responding to electrical or visual stimulation of healthy and degenerate retinas. At the population level, we constructed a linear decoder to determine the certainty with which the ensemble of RGCs can support the N -way discrimination tasks. Main results Although LN and CNN models can match the natural visual responses pretty well (correlation ~0.6), they fit significantly worse to spike timings elicited by electrical stimulation of the healthy retina (correlation ~0.15). In the degenerate retina, response to electrical stimulation is equally bad. The signal-to-noise ratio of electrical STAs in degenerate retinas matched that of the natural responses when 78±6.5% of the spikes were replaced with random timing. However, the noise in RGC responses contributed minimally to errors in the ensemble decoding. The determining factor in accuracy of decoding was the number of responding cells. To compensate for fewer responding cells under electrical stimulation than in natural vision, larger number of presentations of the same stimulus are required to deliver sufficient information for image decoding. Significance Slower than natural pattern identification by patients with the PRIMA implant may be explained by the lower number of electrically activated cells than in natural vision, which is compensated by a larger number of the stimulus presentations.

Abstract In patients with atrophic age-related macular degeneration, subretinal photovoltaic implant (PRIMA) provided visual acuity up to 20/440, matching its 100μm pixels size. Next-generation implants with smaller pixels should significantly improve the acuity. This study in rats evaluates removal of a subretinal implant, replacement with a newer device, and the resulting grating acuity in-vivo. Six weeks after the initial implantation with planar and 3-dimensional devices, the retina was re-detached, and the devices were successfully removed. Histology demonstrated a preserved inner nuclear layer. Re-implantation of new devices into the same location demonstrated retinal re-attachment to a new implant. New devices with 22μm pixels increased the grating acuity from the 100μm capability of PRIMA implants to 28μm, reaching the limit of natural resolution in rats. Reimplanted devices exhibited the same stimulation threshold as for the first implantation of the same implants in a control group. This study demonstrates the feasibility of safely upgrading the subretinal photovoltaic implants to improve prosthetic visual acuity.

Abstract Precise control of the temperature rise is a prerequisite for proper photothermal therapy. In retinal laser therapy, the heat deposition is primarily governed by the melanin concentration, which can significantly vary across the retina and from patient to patient. In this work, we present a method for determining the optical and thermal properties of layered materials, directly applicable to the retina, using low-energy laser heating and phase-resolved optical coherence tomography (pOCT). The method is demonstrated on a polymer-based tissue phantom heated with a laser pulse focused onto an absorbing layer buried below the phantom’s surface. Using a line-scan spectral-domain pOCT, optical path length changes induced by the thermal expansion were extracted from sequential B-scans. The material properties were then determined by matching the optical path length changes to a thermo-mechanical model developed for fast computation. This method determined the absorption coefficient with a precision of 2.5% and the temperature rise with a precision of about 0.2°C from a single laser exposure, while the peak did not exceed 8°C during 1 ms pulse, which is well within the tissue safety range and significantly more precise than other methods.