ВОСПРИЯТИЕ НА НЕЙРОМЫШЕЧНОМ УРОВНЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНЗЫ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
NEUROMUSCULAR PERCEPTION FOR ELECTRONIC OPHTHALMIC LENS WITH VARIABLE OPTICAL PROPERTIES

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе с изменяемыми оптическими свойствами, имеющей датчик и связанные с ним аппаратные и программные средства для обнаружения сигналов цилиарной мышцы, и, более конкретно, относится к датчику и связанным с ним аппаратным и программным средствам для обнаружения сигналов цилиарной мышцы человека для активации и управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой с изменяемыми оптическими свойствами.
2. Описание смежной области
Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или микроэлектронных устройств с возможностью встраивания для различных областей применения. Такие области применения могут включать контроль биохимических процессов в организме, контроль введения доз лекарственных средств или терапевтических агентов за счет различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или в ответ на внешние сигналы управления, а также усиление обменных процессов в органах или тканях. Примеры таких устройств включают инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новой особенно полезной областью применения являются пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодная для ношения линза может включать узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для увеличения или улучшения функций глаза. В другом примере, независимо от наличия или отсутствия фокуса с возможностью регулирования, пригодная для ношения контактная линза может включать электронные датчики для обнаружения концентраций конкретных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенных в узел линзы электронных компонентов определяет потенциальную потребность в установлении связи с такими электронными компонентами, способе подачи питания и/или повторной зарядки электронных компонентов, взаимном соединении электронных компонентов, внутреннем и внешнем сборе информации с датчика и/или контроле, а также в управлении электронными компонентами и всей работой линзы.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко адаптироваться к меняющимся условиям освещения и передавать сигналы или информацию в мозг со скоростью, превышающей скорость высокоскоростного Интернет-соединения. В настоящее время линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, используют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), пресбиопия и астигматизм. Однако надлежащим образом выполненные линзы, которые содержат дополнительные компоненты, можно использовать как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Стандартные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в данные полимерные структуры необходимо встраивать различные схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства обмена данными, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительной функциональности, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению и уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. В альтернативном варианте осуществления или в дополнение к любым из данных или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, причем пациенту нет необходимости тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для обнаружения падающего на глаз света для компенсации окружающей освещенности или определения шаблонов моргания.
Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональность, однако существует ряд сложностей, связанных со встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. По существу, производство таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности затруднительны. Также затруднительно производство компонентов в масштабе. Компоненты, которые размещаются на или в линзе, нужно уменьшить в размере и встроить в прозрачный полимер размером 1,5 квадратных сантиметра, обеспечивая при этом защиту компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Учитывая ограничения площади и объема офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду его эксплуатации, при физической реализации устройства необходимо решить ряд проблем, включая монтаж и взаимное соединение ряда электронных компонентов на неплоской поверхности, в основном содержащей пластмассу оптического качества. Таким образом, существует потребность в создании надежной электронной контактной линзы с механическими и электронными компонентами.
Поскольку данные линзы представляют собой линзы с электропитанием, существует проблема потребления энергии или, более конкретно, тока, который активирует электронные компоненты, с учетом того, что технология аккумуляторов должна применяться в масштабе офтальмологической линзы. В дополнение к обычному потреблению тока устройства или системы с электропитанием данного типа по существу требуют текущие запасы тока, точное управление напряжением и возможности переключения для обеспечения эксплуатации в потенциально широком диапазоне эксплуатационных параметров, а также при пиковом потреблении, например, до 18 (восемнадцати) часов на одном заряде после потенциального отсутствия активности в течение нескольких лет. Соответственно, существует потребность в системе, оптимизированной для низкозатратной, продолжительной и надежной работы, обеспечивающей безопасность и размер, сохраняя при этом требуемую мощность.
Кроме того, учитывая сложную функциональность, связанную с линзой с электропитанием, и высокий уровень взаимодействия между всеми компонентами, включенными в линзу с электропитанием, существует потребность в координации и управлении всей работой электронных и оптических компонентов, включенных в офтальмологическую линзу с электропитанием. Соответственно, существует потребность в системе, управляющей работой всех других компонентов, которая является безопасной, низкозатратной и надежной, имеет низкое энергопотребление и обеспечивает масштабируемость, что позволяет встроить ее в офтальмологическую линзу.
Каждый глаз содержит цилиарную мышцу, которая размещена вокруг хрусталика или в непосредственной близости от него. К цилиарной мышце и, кроме того, к хрусталику присоединены связки. При взгляде на предметы, находящиеся на разных расстояниях, цилиарная мышца выполняет функцию аккомодации, изменяя форму хрусталика. Например, при фокусировке на близко расположенном объекте, когда требуется небольшое фокусное расстояние, цилиарная мышца сжимается и ослабляет натяжение связок, в результате чего хрусталик приобретает более округлую и сжатую форму. Однако при фокусировке на дальнем объекте, когда требуется большее фокусное расстояние, цилиарная мышца расслабляется, и связки натягивают края хрусталика, в результате чего он становится более тонким и плоским. Соответственно, цилиарная мышца и поступающие от нее электрические сигналы могут использоваться для активации и управления офтальмологической линзой с электропитанием.
Офтальмологические линзы с электропитанием или электронные офтальмологические линзы, возможно, должны учитывать различные сигналы цилиарной мышцы, исходящие от человека, использующего офтальмологическую линзу с электропитанием или электронную офтальмологическую линзу. Более конкретно, линзы с электропитанием должны обнаруживать и различать различные сигналы цилиарной мышцы, а также один или более из других сигналов, шумов и помех. Следовательно, существует потребность в разработке средства и способа обнаружения сигналов цилиарной мышцы, а также их использования для активации электронной офтальмологической линзы или офтальмологической линзы с электропитанием в соответствии с типом сигнала цилиарной мышцы, который обнаруживает датчик, таким как сжатие или расслабление цилиарной мышцы.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением нейромышечные датчики не имеют ограничений, связанных с управлением офтальмологической линзой с электропитанием, когда оно основано на сигналах обратной связи, поступающих непосредственно от пользователя.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к электронной офтальмологической линзе. Электронная офтальмологическая линза содержит пригодную для ношения офтальмологическую линзу, имеющую оптическую зону и периферийную зону, элемент с изменяемыми оптическими свойствами, встроенный в оптическую зону пригодной для ношения офтальмологической линзы, причем элемент с изменяемыми оптическими свойствами выполнен с возможностью изменения оптической силы пригодной для ношения офтальмологической линзы, и электронный компонент, встроенный в периферийную зону пригодной для ношения офтальмологической линзы, причем электронный компонент включает сенсорную систему для обнаружения движения цилиарной мышцы, связанного с процессом аккомодации, причем сенсорная система выполнена с возможностью генерировать действие для управления элементом с изменяемыми оптическими свойствами.
Настоящее изобретение относится к контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, выполняющую любое количество функций, включая активацию оптического элемента с переменным фокусом. Электронная система включает один или более аккумуляторов или других источников энергии, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, алгоритмы и схему управления, а также схему привода линзы.
Управление офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью ручного внешнего устройства, которое сообщается с линзой беспроводным образом, такого как ручной блок дистанционного управления. В альтернативном варианте осуществления управление офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью схемы обратной связи или сигналов управления, поступающих непосредственно от пользователя. Например, датчики, встроенные в линзу, могут воспринимать сигналы, свидетельствующие о движении цилиарной мышцы, т.е. сжатии и расслаблении. На основе данных сигналов офтальмологическая линза с электропитанием может изменять состояние, например оптическую силу, для фокусировки на близком или удаленном объекте.
Цилиарная мышца представляет собой структуру, которая управляет формой хрусталика. Хрусталик заключен в оболочку, известную как капсула и подвешенную на волокнах, называемых связками, которые соединены с цилиарной мышцей. Цилиарная мышца заставляет связки туго натягиваться или расслабляться, изменяя тем самым форму и преломляющую силу хрусталика и способствуя преломлению входящего или падающего света. Радужная оболочка, или пигментированная часть глаза, представляет собой диафрагму между передней и задней камерами глаза. Она состоит из двух мышц, которые регулируют размер зрачка, изменяя тем самым количество света, попадающего в глаз. Мышца-дилататор расширяет зрачок, а мышца-сфинктер сужает его. Глаз также содержит шесть внешних глазных мышц, которые управляют всеми перемещениями глаза или глазного яблока. Обнаружение сигналов от внешних глазных мышц и/или мышцы-дилататора и мышцы-сфинктера может обеспечить другую или дополнительную функциональность электронной офтальмологической линзы или офтальмологической линзы с электропитанием. Однако в настоящем изобретении электрическая схема предпочтительно выполнена с возможностью усиливать сигналы от цилиарной мышцы и при этом фильтровать помехи, шумы и другие мышечные сигналы.
Датчик, компоненты которого могут быть встроены в контактную линзу, может обнаруживать характеристики различных сигналов глазных мышц. Например, различные сигналы могут включать один или более из сигналов о перемещении глазного яблока вверх или вниз, фокусировке на близко расположенном объекте и/или адаптации к изменению уровня окружающей освещенности, такого как переход от света к темноте, от темноты к свету и все промежуточные состояния освещенности. Цилиарная мышца управляет только формой хрусталика для фокусировки глаза на близком или удаленном объекте, т.е. выполнения аккомодации. В соответствии с настоящим изобретением принцип действия датчика основан на отслеживании различных сигналов, включая амплитуду, временной отклик и частоту, которые формируются цилиарной мышцей или исходят от нее при определенных условиях, например, когда пользователь читает, фокусирует зрение на удаленных объектах или находится в помещении с флуоресцентным освещением. Данные сигналы цилиарной мышцы можно фиксировать и отслеживать, причем различную форму волны и частоту каждого из сигналов можно отличить от одного или более других сигналов, шумов и помех. Как указано выше, схема, составляющая предмет настоящего изобретения, предпочтительно выполнена с возможностью обнаружения, выделения и/или фильтрации и усиления сигналов цилиарной мышцы. Каждый раз, когда датчик распознает обнаруженный сигнал цилиарной мышцы, он может активировать электронную схему, например, изменяя оптическую силу линзы. В альтернативных вариантах осуществления другие мышечные сигналы могут использоваться для усиления или реализации других функций глаза, которые глаз не может больше осуществлять самостоятельно. Кроме того, датчик может содержать любое подходящее средство для распознавания действий цилиарной мышцы, как подробно описано ниже.
Датчик и связанная с ним схема, составляющие предмет настоящего изобретения, предпочтительно способны отличать один от другого разнообразные сигналы цилиарной мышцы, а также предпочтительно способны отличать сигналы цилиарной мышцы от других сигналов, шума и помех. Датчик и связанная с ним схема, составляющие предмет настоящего изобретения, представляют удобное, безопасное, низкозатратное и надежное средство и способ обнаружения сигналов цилиарной мышцы с помощью электронной контактной линзы с изменяемыми оптическими свойствами, которая также характеризуется низким потреблением электроэнергии и масштабируется для встраивания в офтальмологическую линзу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описанные выше и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут понятны после следующего более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных с помощью прилагаемых чертежей.
На фиг.1 представлен пример контактной линзы, содержащей неконтактный датчик в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 представлен пример контактной линзы, содержащей контактный датчик в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.3 представлена графическая схема, иллюстрирующая корреляции между измеряемыми электрическими параметрами и необходимым фокусным расстоянием глаза в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.4 представлен двухмерный вид офтальмологической линзы, содержащей электронные компоненты, включая электрическую схему датчика и элемент с изменяемыми оптическими свойствами в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Стандартные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в данные полимерные структуры необходимо встраивать различные схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства обмена данными, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светодиоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактные линзы с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительной функциональности, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению и уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Надлежащим образом выполненные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. В альтернативном варианте осуществления или в дополнение к любым из данных или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови путем анализа компонентов слезной пленки без необходимости забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля уровней холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным передатчиком данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, причем пациенту нет необходимости тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, датчики, встроенные в линзы, можно использовать для обнаружения сигналов, исходящих от цилиарной мышцы глаза, с целью определения того, какое действие или перемещение пытается выполнить глаз, а также для активации электронной линзы.
Контактная линза с электропитанием или электронная контактная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, содержит элементы, которые необходимы для коррекции и/или улучшения зрения пациентов с одним или более из описанных выше дефектов зрения или выполнения полезных офтальмологических функций иным способом. Кроме того, они могут использоваться только для усиления нормального зрения или обеспечения широкого спектра описанной выше функциональности. Электронная контактная линза может содержать оптическую линзу с переменным фокусом, оптическое устройство в сборе, устанавливаемое на переднюю поверхность глаза и встроенное в контактную линзу, или только встраиваемые электронные компоненты без линзы для обеспечения любой подходящей функциональности. Электронная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, может быть встроена в любое количество контактных линз, как описано выше. Однако для простоты объяснения описание будет посвящено электронной контактной линзе для коррекции дефектов зрения, которая предназначена для одноразового повседневного использования.
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая активирует оптические элементы с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества возможных функций. Электронная система включает один или более аккумуляторов или других источников энергии, схему управления питанием, схему передачи данных, один или более датчиков, схему тактового генератора, алгоритмы и схему управления, а также схему привода линзы. Сложность данных компонентов может варьироваться в зависимости от требуемой или необходимой функциональности линзы.
Управление электронной офтальмологической линзой или офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью ручного внешнего устройства, которое сообщается с линзой, такого как ручной блок дистанционного управления. Например, брелок может беспроводным образом сообщаться с линзой с электропитанием на основе входного сигнала, вводимого вручную пользователем. В альтернативном варианте осуществления управление офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью схемы обратной связи или сигналов управления, поступающих непосредственно от пользователя. Например, датчики, встроенные в линзу, могут воспринимать сигналы, свидетельствующие о движении цилиарной мышцы, т.е. сжатии и расслаблении, что позволяет компенсировать дисфункцию хрусталика или любые другие состояния, связанные с остротой зрения или заболеваниями глаз. На основе данных сигналов офтальмологическая линза с электропитанием может изменять состояние, например оптическую силу, для фокусировки на близком или удаленном объекте. Цилиарная мышца глаза представляет собой структуру, которая управляет или пытается управлять формой хрусталика. Хрусталик заключен в капсулу, которая подвешена с помощью связок, которые соединены с цилиарной мышцей. Цилиарная мышца заставляет связки сжиматься или расслабляться, изменяя тем самым форму и/или преломляющую силу хрусталика. Если хрусталик частично или полностью не способен реагировать на движение цилиарной мышцы, у пользователя будет нарушена аккомодация. Такое заболевание называется пресбиопией. Следовательно, офтальмологическая линза с электропитанием или электронная офтальмологическая линза, реагирующая на те же сигналы, может использоваться для компенсации данного нарушения способности к аккомодации.
Радужная оболочка, или пигментированная часть глаза, представляет собой диафрагму между передней и задней камерами глаза. Она состоит из двух мышц, которые регулируют размер зрачка, изменяя тем самым количество света, попадающего в глаз. Мышца-дилататор расширяет зрачок, а мышца-сфинктер сужает его. Глаз также содержит шесть внешних глазных мышц, которые управляют всеми перемещениями глаза или глазного яблока. Обнаружение сигналов от внешних глазных мышц и/или мышцы-дилататора и мышцы-сфинктера может обеспечить другую или дополнительную функциональность электронной офтальмологической линзы или офтальмологической линзы с электропитанием. Глаз содержит ряд жидких компонентов, включая слезную пленку. Данные жидкости являются отличными проводниками электрических сигналов, а также других сигналов, таких как акустические сигналы или звуковые волны. Таким образом, необходимо понимать, что в соответствии с настоящим изобретением нейромышечный датчик может обеспечивать сигналы обратной связи для управления любым количеством функций, которые способна осуществлять офтальмологическая линза с электропитанием или электронная офтальмологическая линза. Однако в соответствии с настоящим изобретением схема выполнена с возможностью обнаружения, выделения и усиления сигналов цилиарной мышцы с одновременным фильтрованием шума и других мышечных сигналов.
Датчик, компоненты которого могут быть встроены в контактную линзу с электропитанием, может обнаруживать характеристики разных сигналов глазных мышц. Например, различные сигналы могут включать один или более из сигналов о перемещении глазного яблока вверх или вниз, фокусировке на близко расположенном объекте и адаптации к изменению уровней окружающей освещенности, таких как переход от света к темноте, от темноты к свету или любое другое состояние освещенности. Цилиарная мышца управляет только формой хрусталика для фокусировки глаза на близком или удаленном объекте. Принцип действия датчика основан на отслеживании различных сигналов, включая амплитуду, временной отклик и частотную композицию, которые формируются цилиарной мышцей или исходят от нее при определенных условиях, например, когда пользователь читает, фокусирует зрение на удаленных объектах или находится в помещении с флуоресцентным освещением. Необходимо отметить, что данный список условий приведен в качестве примера и не является исчерпывающим. Данные сигналы цилиарной мышцы можно фиксировать и отслеживать, причем различную форму волны и частоту каждого из сигналов можно отличить от одного или более других сигналов, шумов и помех. Как указано выше, схема, составляющая предмет настоящего изобретения, предпочтительно выполнена с возможностью обнаружения, выделения и/или фильтрации и усиления сигналов цилиарной мышцы. В альтернативных вариантах осуществления другие мышечные сигналы могут использоваться для усиления или реализации иных функций глаза. Каждый раз, когда датчик распознает обнаруженный сигнал цилиарной мышцы, он может активировать электронную схему, например, активируя электронную линзу.
Как указано в настоящем документе, хрусталик глаза подвешен с помощью связок, т.е. волокон, присоединенных как к хрусталику, так и к цилиарной мышце. Цилиарная мышца реагирует на различные стимулы и посылает любое количество сигналов, которые в обычных условиях интерпретируются центральной нервной системой. После этого происходит то или иное действие. Например, во время аккомодации, когда сетчатка принимает изображение близко расположенного или удаленного объекта, цилиарная мышца сжимается. Данное сжатие приводит к расслаблению связок и утолщению хрусталика, что, в свою очередь, делает хрусталик оптически более сильным (увеличивая его оптическую силу). Это необходимо для фокусировки на близко расположенном или удаленном объекте. Данный процесс известен как аккомодация. Более конкретно, это одна из общепринятых теорий работы цилиарной мышцы вместе со связками и хрусталиком при аккомодации. У пользователей, страдающих пресбиопией, хрусталик становится менее гибким и, таким образом, не может перемещаться в ответ на сжатие цилиарной мышцы. Хотя хрусталик не реагирует, цилиарная мышца по-прежнему сжимается или иным образом реагирует на стимул и отсылает измеряемый сигнал. Данный измеряемый сигнал может использоваться в линзе с электропитанием для компенсации недостаточной реакции хрусталика. Другими словами, независимо от теории, объясняющей точный механизм аккомодации относительно участия цилиарной мышцы, последняя реагирует на различные стимулы, и, таким образом, ее реакцию можно измерить подходящими датчиками. Следовательно, можно измерить все ответные реакции цилиарной мышцы в различных условиях или под воздействием различных стимулов и сформировать набор данных, который будет использоваться в качестве набора сигналов обратной связи для непосредственного управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой. Офтальмологическая линза с электропитанием или электронная офтальмологическая линза может использоваться для компенсации различных нарушений остроты зрения, включая пресбиопию, а также любых других состояний.
Возможны различные способы реализации некоторых примеров осуществления настоящего изобретения. Например, датчик может обнаруживать сигнал цилиарной мышцы с помощью одной или более из следующих технологий: электромиография (ЭМГ), магнитомиография (ММГ), фономиография (ФМГ) и импеданс. Более того, датчик может содержать неконтактный датчик, такой как антенна, встроенный в контактную линзу, но не контактирующий непосредственно с поверхностью глаза. В альтернативном варианте осуществления датчик может содержать контактный датчик, такой как контактные площадки, которые непосредственно соприкасаются с поверхностью глаза. Необходимо отметить, что для обнаружения сигналов цилиарной мышцы можно использовать любое количество подходящих устройств и способов, как подробно описано ниже.
Как описано в настоящем документе, можно использовать любой тип датчика и/или технологию восприятия. В соответствии с альтернативным примером осуществления для создания изображений участка цилиарного тела глаза может применяться ультразвуковая биомикроскопия. Использование ультразвуковой биомикроскопии позволяет различать и анализировать изменения контура цилиарной мышцы в различных состояниях аккомодации. Поскольку данная технология позволяет распознавать изменения контура цилиарной мышцы, результаты или изменения можно получать и использовать в соответствии с настоящим изобретением так же, как и любое другое сенсорное устройство.
На фиг.1 в виде блок-схемы представлена контактная линза 100, содержащая неконтактную сенсорную систему, показанную на передней поверхности глаза или роговицы 112, в соответствии с одним примером осуществления настоящего изобретения. В данном примере осуществления система неконтактного датчика может содержать антенну 102, усилитель 104, аналого-цифровой преобразователь 106, процессор обработки цифровых сигналов 108, источник энергии 116, исполнительное устройство 118 и системный контроллер 114. Как показано на фигуре, цилиарная мышца 110 размещена за передней поверхностью глаза или роговицы 112. Более конкретно, глазное яблоко можно разделить на два сегмента, а именно: переднюю камеру и заднюю камеру. Радужная оболочка представляет собой диафрагму между передней и задней камерами. Между передней поверхностью хрусталика и задней поверхностью радужной оболочки находится задняя камера. В основании радужной оболочки находится цилиарное тело, которое формирует внутриглазную жидкость и переходит в цилиарную мышцу. Контактную линзу 100 помещают на переднюю поверхность глаза 112, причем электронная схема системы датчика может использоваться для восприятия на нейромышечном уровне, составляющего предмет настоящего изобретения. Антенна 102, как и другая схема, выполнена с возможностью восприятия сигналов от цилиарной мышцы 110 через различные ткани и жидкости, формирующие глаз или формируемые глазом. Как указано выше, различные жидкости, содержащиеся в глазу, являются хорошими проводниками электрических и акустических сигналов.
В данном примере осуществления антенна 102 может быть встроена в контактную линзу 100 и изолирована от глаза и слезной пленки на передней поверхности глаза 112 с помощью диэлектрика. Неконтактная антенна 102 может функционировать как рецептор для обнаружения электромагнитного сигнала, формируемого цилиарной мышцей 110 глаза. Например, с помощью антенны 102 можно распознавать различные сигналы в зависимости от состояния цилиарной мышцы, такого как сжатое или расслабленное, или от типа действий, которые пытается выполнить цилиарная мышца, такого как фокусировка глаза на близком или удаленном объекте. Антенна 102 может содержать любое подходящее устройство для приема сигналов от цилиарной мышцы 110. В одном примере осуществления антенна 102 может содержать единственную рамочную антенну. Усилитель 104 может усиливать сигнал до уровня, пригодного для использования в остальной системе, например, доводя мощность сигнала до такого уровня, чтобы его можно было подать на аналого-цифровой преобразователь 106. Помимо обеспечения усиления усилитель 104 может включать другую схему для нормирования аналогового сигнала, такую как схема фильтрации и согласования полного сопротивления, соответствующую выходному сигналу антенны 102 и усилителя 104. Усилитель 104 может представлять собой любое подходящее устройство для усиления и нормирования выходного сигнала антенны 102. Например, усилитель 104 может просто содержать единственный оперативный усилитель или более сложную схему, содержащую один или более оперативных усилителей. Как указано выше, антенна 102 и усилитель 104 выполнены с возможностью принимать и выделять сигналы от цилиарной мышцы из шума и других сигналов, формируемых в глазу или глазом, а также преобразовывать их в сигнал, полностью пригодный для работы системного контроллера 114. Системный контроллер 114 предпочтительно запрограммирован на обнаружение различных сигналов, формируемых цилиарной мышцей при различных условиях, и подачу соответствующего выходного сигнала на исполнительное устройство 118.
В данном примере осуществления для преобразования аналогового выходного сигнала от усилителя в цифровой сигнал, пригодный для обработки, может использоваться аналого-цифровой преобразователь 106. Например, аналого-цифровой преобразователь 106 может преобразовывать аналоговый выходной сигнал от усилителя 104 в цифровой сигнал, подходящий для использования в последующих или расположенных далее схемах, таких как система обработки цифровых сигналов 108 или микропроцессор. Систему обработки цифровых сигналов или процессор обработки цифровых сигналов 108 можно использовать для обработки цифровых сигналов, включая одно или более из фильтрации, обработки, обнаружения и прочих способов управления/обработки полученных данных, чтобы отличить сигнал цилиарной мышцы от шума и помех. Процессор обработки цифровых сигналов 108 может быть запрограммирован с учетом ответных реакций цилиарной мышцы, описанных выше. Процессор обработки цифровых сигналов 108 может быть реализован с использованием аналоговой схемы, цифровой схемы, программного обеспечения и/или предпочтительно их комбинации. Например, различные сигналы цилиарной мышцы, генерируемые в определенном диапазоне частот, можно отличить от других сигналов, шума и помех, которые возникают в других диапазонах частот. Определенный часто возникающий шум и помехи могут быть исключены на различных этапах приема сигнала с помощью аналогового или цифрового фильтров, например гармоник с частотой 50/60 Гц переменного тока и флуоресцентного освещения.
Источник энергии 116 подает питание на множество компонентов, содержащих систему неконтактных датчиков. Питание может подаваться от аккумулятора, устройства сбора энергии или другого подходящего средства, известного специалисту в данной области. По существу можно использовать любой тип источника энергии для обеспечения надежного питания для всех других компонентов системы. Сигнал цилиарной мышцы, преобразованный из аналогового в цифровой, может активировать системный контроллер 114. Более того, системный контроллер 114 может управлять другими аспектами контактной линзы с электропитанием в зависимости от входного сигнала от процессора обработки цифровых сигналов 108, например, путем изменения фокусировки или оптической силы линзы с электронным управлением через исполнительное устройство 118.
В дополнительных альтернативных примерах осуществления системный контроллер 114 может принимать входной сигнал от источников, включая один или более из контактного датчика, детектора моргания и брелока управления. Если обобщить, то специалисту в данной области может быть очевидно, что для активации и/или управления системным контроллером 114 может потребоваться один или более способов активации. Например, электронная контактная линза или контактная линза с электропитанием может быть специально запрограммирована для конкретного пользователя, например, запрограммирована на обнаружение как шаблонов морганий, так и сигналов цилиарных мышц человека при выполнении различных действий, например при фокусировке на удаленном или при фокусировке на близком объекте. В некоторых примерах осуществления использование более одного способа активации электронной контактной линзы, такого как обнаружение сигнала цилиарной мышцы и обнаружение морганий, может позволить выполнить перекрестную проверку каждого способа другим способом перед активацией контактной линзы. Преимущество перекрестной проверки может включать уменьшение количества ложноположительных результатов, таких как сведение к минимуму риска непреднамеренной активации линзы. В одном примере осуществления перекрестная проверка может проводиться по избирательной схеме, в которой перед любым действием выполняется проверка определенного количества условий.
Исполнительное устройство 118 может представлять собой любое устройство, подходящее для реализации конкретного действия на основе принятого сигнала управления. Исполнительное устройство 118 может представлять собой электрическое устройство, механическое устройство, магнитное устройство или любую их комбинацию. Исполнительное устройство 118 принимает сигнал от системного контроллера 114, а также питание от источника энергии 116 и формирует некоторое действие в зависимости от сигнала от системного контроллера 114. Например, если сигнал системного контроллера 114 показывает, что пользователь пытается сфокусироваться на близком объекте, исполнительное устройство 118 может использоваться для некоторого изменения оптической силы электронной офтальмологической линзы.
На фиг.2 представлена контактная линза 200, содержащая контактную сенсорную систему, показанную на передней поверхности глаза или роговицы 112 в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения. В данном примере осуществления контактная сенсорная система может содержать контакт или множество контактов 202, источник/измеритель напряжения-силы тока-импеданса 204, аналого-цифровой преобразователь 206, процессор обработки цифровых сигналов 208, источник энергии 216, исполнительное устройство 218 и системный контроллер 214. Цилиарная мышца 110 размещена за передней поверхностью глаза или роговицы 112. Контактную линзу 200 помещают на переднюю поверхность глаза 112 таким образом, что электронную схему датчика можно использовать для восприятия на нейромышечном уровне, составляющего предмет настоящего изобретения. Компоненты данного примера осуществления системы аналогичны компонентам, представленным на фиг.1, и выполняют те же функции за исключением контактов 202 и источника/измерителя 204. Другими словами, поскольку используются прямые контакты 202, необходимость в антенне или усилителе для увеличения и нормирования сигнала, принятого антенной, отсутствует.
В проиллюстрированном примере осуществления контакты 202 могут обеспечивать непосредственное электрическое соединение со слезной пленкой и поверхностью глаза. Например, контакты 202 могут быть реализованы в виде металлических контактов, открытых на задней поверхности контактной линзы 200 и изготовленных из биосовместимых проводящих материалов, таких как золото или титан. Более того, полимер контактной линзы может быть спрессован вокруг контактов 202, что будет способствовать повышению комфорта изделия при ношении и обеспечивать улучшенную проводимость через контактную линзу 200. Контакты 202 дополнительно могут обеспечивать соединение с низким сопротивлением между поверхностью глаза 112 и электронной схемой внутри контактной линзы 200. Для уменьшения эффектов контактного сопротивления на глаз может использоваться четырехполюсная сенсорная система, также известная как сенсорная система Кельвина. Во время измерения напряжения/силы тока на контактах 202 источник энергии/измеритель 204 может продуцировать сигнал с несколькими составными частотами или качанием частот.
В альтернативном примере осуществления настоящего изобретения источник энергии/измеритель 204 может быть выполнен с возможностью считывания разницы потенциалов в тканях глаза, возникающей благодаря напряжению или току, формируемому при сжатии или расслаблении цилиарной мышцы 110. Необходимо отметить, что благодаря разным жидкостям, содержащимся в глазу, включая слезную жидкость, и обладающим отличной проводимостью, возможно использование датчиков разных типов.
Источник энергии/измеритель 204 может быть выполнен с возможностью измерения импеданса глаза, причем импеданс может изменяться в определенном положении в зависимости от того, какое действие пытается выполнить цилиарная мышца, например сжатие или расслабление. В отличие от неконтактного датчика, показанного на фиг.1, в данном примере осуществления с использованием контактного датчика аналого-цифровой преобразователь 206 и система обработки цифровых сигналов 208 могут быть выполнены иначе. Например, можно использовать другую частоту замеров, другое разрешение и другой алгоритм обработки сигналов 208.
На фиг.3 представлено графическое изображение корреляций между измеряемыми электрическими параметрами и фокусным расстоянием глаза в соответствии с данными, описанными в упоминаемой литературе. Кривая 302 представляет собой измеряемый электрический сигнал в или на глазу. Например, такие сигналы можно обнаружить как один или более из импеданса, потенциала напряжения, индуцируемого электромагнитного поля и других измеряемых параметров. Кривая 304 представляет собой необходимое фокусное расстояние, где, например, при фокусировке субъектов на объектах, расположенных на расстоянии 0,2 и 2,0 метра, измеряемые электрические параметры цилиарной мышцы могут претерпевать соответствующие изменения в зависимости от фокусного расстояния. Однако в том же самом примере фактическое фокусное расстояние линзы может не измениться или измениться в минимальной степени, как, например, в случаях, где пользователь страдает пресбиопией и хрусталик слишком ригиден и не способен к аккомодации, необходимой для изменения фокуса, даже когда цилиарные мышцы реагируют на изменение. Как описано в литературе, существует корреляция между измеряемым электрическим сигналом и фокусным расстоянием. Как показано на фиг.3, импеданс является высоким (306) при большом (308) фокусном расстоянии и импеданс является низким (310) при маленьком (312) фокусном расстоянии. Кроме того, в соответствии с данными, описанными в литературе, но не представленными на фиг.3, для промежуточных значений существует корреляция между амплитудами кривых 302 и 304.
В некоторых примерах осуществления характеристики электрического сигнала 302, такие как форма, спектр частот, синхронность и амплитуда, могут варьироваться благодаря нескольким факторам, включая одно или более из используемого способа обнаружения сигналов (например, импеданс или напряженность поля), физиологии глаза пользователя, утомления цилиарной мышцы, уровня электролитов в тканях глаза, состояния пресбиопии, помех и фокусного расстояния. Например, в зависимости от типа используемого способа обнаружения корреляция между необходимым фокусным расстоянием и измеряемым электрическим параметром может иметь противоположную полярность по сравнению с тем, что представлено на фиг.3. Кроме того, электрический сигнал, например, может искажаться в результате присутствия одного или более существенных шумов, помех от других мышц и помех от различных источников окружающей среды или под влиянием эффектов старения, заболеваний или генетических факторов. Соответственно, при программировании схемы цифровых сигналов, которая необходима для надлежащего обнаружения необходимого фокусного расстояния, могут использоваться исследования ответных реакций глаза и измерения конкретных параметров пользователя, а также тренировка. Параметры системы обработки цифровых сигналов могут быть отрегулированы с учетом других измерений, например времени суток, измеренных уровней электролитов, уровней окружающей освещенности и т.п. Более того, зафиксированные выборки фокусных сигналов глаза пользователя могут применяться вместе с технологиями обнаружения и уменьшения помех.
Необходимо отметить, что в соответствии с настоящим изобретением можно использовать любой тип датчика. До тех пор пока мышца выполняет движения, связанные с изменением внешних условий, их можно воспринимать, обрабатывать и использовать для усиления, улучшения или просто коррекции зрения.
На фиг.4 в двухмерном виде представлена пригодная для ношения электронная офтальмологическая линза, содержащая нейромышечный датчик в соответствии с настоящим изобретением. Офтальмологическая линза 400 содержит оптическую зону 402 и периферийную зону 404. Оптическая зона 402 может функционировать таким образом, чтобы обеспечивать одно или более из коррекции зрения, улучшения зрения, других связанных со зрением функций, механической опоры или даже пустоты для обеспечения четкого зрения. В соответствии с настоящим изобретением оптическая зона 402 может содержать элемент с измеряемыми оптическими свойствами, выполненный с возможностью улучшения зрения в близком или дальнем диапазоне в зависимости от сигналов, полученных от цилиарной мышцы. Элемент с изменяемыми оптическими свойствами может содержать любое подходящее устройство для изменения фокусного расстояния линзы или ее оптической силы в зависимости от сигналов активации, поступающих от сенсорной системы, описанной в настоящем документе. Например, элемент с изменяемыми оптическими свойствами может быть простым кусочком пластика оптического качества, встроенным в линзу и обладающим способностью изменять свою сферическую кривизну. Периферийная зона 404 содержит одну или более электрических схем 406, источник энергии 408, электрические взаимные соединения 410, механическую опору, а также другие функциональные элементы. Электрические схемы 406 могут содержать одну или более интегральных схем на кристалле, печатные электронные схемы, электрические взаимные соединения и/или любые другие подходящие устройства, включая сенсорную схему, описанную в настоящем документе. Источник энергии 408 может содержать один или более из аккумулятора, системы аккумулирования энергии и/или любых других подходящих накопителей или генераторов энергии. Специалистам в данной области очевидно, что фиг.4 представляет только один пример осуществления электронной офтальмологической линзы и что помимо представленных на фигуре могут использоваться и другие геометрические конфигурации для оптимизации площади, объема, функциональности, времени работы, срока хранения, а также других параметров конфигурации. Необходимо отметить, что при использовании любого типа элемента с изменяемыми оптическими свойствами устройство должно работать без сбоев при дальнем зрении. Например, если произойдет нарушение электропитания или сбой в работе электронных компонентов, оптический элемент в линзе пользователя обеспечит четкое дальнее зрение.
Хотя показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, специалистам в данной области будет очевидно, что представляются возможности отступления от конкретных описанных и показанных конфигураций и способов, и их можно использовать без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничивается конкретными конструкциями, описанными и показанными в настоящем документе, но все его конструкции должны быть согласованы со всеми модификациями, которые могут входить в объем приложенной формулы изобретения.