Система обнаружения морганий для электронной офтальмологической линзы - RU2601688C2

Чертежи

Показать все 11 чертежа(ей)

Описание

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящая заявка на патент испрашивает преимущество предварительной заявки на патент США № 61/619,682, поданной 3 апреля 2012 года.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе, имеющей датчик и связанные с ним аппаратные и программные средства для обнаружения морганий человека, и, более конкретно, относится к датчику и связанным с ним аппаратным и программным средствам для обнаружения морганий и шаблонов морганий человека для активации и управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой.

2. Обзор информации по теме заявки

Поскольку размеры электронных устройств продолжают уменьшаться, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или встраивания микроэлектронных устройств для различных сфер применения. Такие сферы применения могут включать контроль биохимических процессов в организме, введение контролируемых доз лекарственных препаратов или терапевтических агентов с помощью различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или внешние сигналы управления, а также усиление работы органов или тканей. Примеры таких устройств включают инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новую особенно ценную сферу применения создают пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодная для ношения линза может включать узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для дополнения или улучшения функции глаза. В другом примере пригодная для ношения контактная линза, с фокусом с возможностью регулирования или без него, 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. Линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, в настоящее время применяют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), пресбиопия и астигматизм. Однако правильно сконструированные линзы, которые содержат дополнительные компоненты, можно использовать как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.

Контактные линзы можно применять для коррекции миопии, гиперметропии, астигматизма и других дефектов остроты зрения. Контактные линзы также можно использовать для улучшения естественного внешнего вида глаз пользователя. Контактные линзы - это просто линзы, которые размещают на передней поверхности глаза. Контактные линзы относятся к медицинским устройствам и могут применяться для коррекции зрения и/или в косметических или иных терапевтических целях. Контактные линзы применяют в коммерческих масштабах для улучшения зрения с 1950-х г. Первые образцы контактных линз изготавливали или конструировали из твердых материалов. Такие линзы были относительно дорогими и хрупкими. Кроме того, такие первые контактные линзы изготавливали из материалов, которые не обеспечивали достаточной диффузии кислорода через контактную линзу в конъюнктиву и роговицу, что могло потенциально повлечь за собой ряд неблагоприятных клинических эффектов. Хотя такие контактные линзы используются и в настоящее время, они применимы не у всех пациентов вследствие низкого уровня первичного комфорта. Более поздние разработки в этой области привели к созданию мягких контактных линз на основе гидрогелей, которые сегодня чрезвычайно популярны и широко используются. В частности, доступные в настоящее время силикон-гидрогелевые контактные линзы сочетают преимущества силикона, отличающегося исключительно высокой кислородной проницаемостью, с признанным удобством при ношении и клиническими показателями гидрогелей. По существу такие силикон-гидрогелевые контактные линзы обладают более высокой кислородной проницаемостью, и их по существу удобнее носить, чем контактные линзы, изготовленные из применяемых ранее твердых материалов.

Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в такие полимерные структуры встраивают различные электрические схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактную линзу 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 или 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 в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные 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. С другой стороны или в дополнение к любым из этих 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, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для обнаружения падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.

Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. По существу по множеству причин 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 с обеспечением защиты этих компонентов от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя при ношении с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.

Учитывая ограничения площади и объема офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду ее 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 необходимость в создании надежной электронной контактной линзы с механическими и электронными компонентами.

Поскольку такие линзы подключены к электропитанию, существует проблема с доставкой энергии или, более конкретно, тока, который приводит в действие электронные компоненты, учитывая, что технология батарей должна применяться в масштабе офтальмологической линзы. В дополнение к обычному потреблению тока устройства или системы с электропитанием такого типа по существу требуют запас тока в холостом режиме, 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 от одной зарядки после потенциального отсутствия активности в течение нескольких лет. Соответственно, существует потребность в системе, оптимизированной для низкозатратной, продолжительной и надежной работы, обеспечивающей безопасность и размер и при этом требуемую мощность.

Кроме того, учитывая сложную функциональность линзы с электропитанием и высокий уровень взаимодействия между всеми компонентами, содержащими линзу с электропитанием, существует потребность в координации и управлении всей работой электронных и оптических компонентов, составляющих 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.

Офтальмологические линзы с электропитанием или электронные офтальмологические линзы, возможно, должны учитывать конкретные уникальные физиологические функции человека, использующего офтальмологическую линзу с электропитанием или электронную офтальмологическую линзу. Более конкретно, линзы с электропитанием, возможно, должны учитывать моргание, включая количество морганий за конкретный период времени, продолжительность моргания, временной интервал между морганиями и любое количество возможных шаблонов моргания, например, если пользователь засыпает. Процесс обнаружения морганий также можно использовать для реализации конкретной функциональности, например, моргание можно использовать как средство контроля одного или более аспектов офтальмологической линзы с электропитанием. Дополнительно при определении морганий необходимо учитывать внешние факторы, такие как изменения уровней освещения и количества видимого света, задерживаемого веком человека. Например, если уровень освещенности комнаты находится в диапазоне от 54 (пятидесяти четырех) до 161 (ста шестидесяти одного) люкса, фотодатчик должен быть достаточно чувствительным, чтобы обнаруживать изменения интенсивности света, происходящие при моргании.

Датчики освещения окружающей среды или фотодатчики используются во многих системах и изделиях, например, в телевизорах, чтобы регулировать яркость в соответствии с освещенностью комнаты, в светильниках, чтобы они включались при сумерках, а также в телефонах, чтобы регулировать яркость экрана. Однако такие используемые в настоящее время системы датчиков являются недостаточно маленькими и/или не обеспечивают достаточно низкое энергопотребление, чтобы их можно было встраивать в контактные линзы.

Также важно отметить, что возможна реализация разных типов детекторов моргания с компьютерными видеосистемами, направленными на глаз(а) человека, например, цифровая камера, связанная с компьютером. Программное обеспечение на компьютере может распознавать зрительные шаблоны, например, то, открыт глаз или закрыт. Такие системы можно использовать в клинических офтальмологических установках для диагностических и исследовательских целей. В отличие от описанных выше детекторов и систем, такие системы предназначены для использования вне глаза, и они направлены на глаз, а не из него. Хотя такие системы недостаточно малы, чтобы их можно было встраивать в контактные линзы, используемое в них программное обеспечение может быть аналогичным тому, которое может работать с контактными линзами с электропитанием. Любая система может включать программные реализации искусственных нейронных сетей, которые обучаются на входных данных и соответствующим образом регулируют выходные данные. С другой стороны, для создания интеллектуальных систем можно использовать программные реализации небиологического типа, использующие статистическую информацию, другие адаптивные алгоритмы и/или обработку сигналов.

Соответственно, существует потребность в средстве и способе распознавания конкретных физиологических функций, таких как моргание, и их использования для активации и/или управления работой электронной офтальмологической линзы или офтальмологической линзы с электропитанием в соответствии с типом обнаруженной датчиком последовательности морганий. Используемый датчик должен быть выполнен по форме и размеру с возможностью использования в контактной линзе.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Алгоритм обнаружения морганий в соответствии с настоящим изобретением лишен характерных для устройств предшествующего уровня техники ограничений, кратко описанных выше. Более конкретно, алгоритм обнаружения морганий, составляющий предмет настоящего изобретения, способен различать обычные шаблоны морганий и уникальные шаблоны преднамеренных морганий для управления функциональными возможностями офтальмологической линзы с электропитанием. Алгоритм обнаружения морганий, составляющий предмет настоящего изобретения, также может быть встроен в контактную линзу.

В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к способу обнаружения морганий и шаблонов морганий. Способ включает этапы, на которых осуществляют выборку, с предварительно заданной частотой, уровня света, падающего на глаз человека, и по меньшей мере временно сохраняют собранные выборки, определяют, открыто ли веко или закрыто, чтобы предположить количество, временной период и ширину импульса морганий на основе собранных значений, рассчитывают количество морганий и продолжительность морганий за заданный период времени, а также сравнивают количество морганий, продолжительность морганий за заданный период времени и время между морганиями за заданный период времени с сохраненным набором выборок, представляющих одну или более предварительно заданных последовательностей преднамеренных морганий, для определения шаблонов морганий и определяют, соответствуют ли моргания одной или более предварительно заданным последовательностям преднамеренных морганий.

В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение относится к системе обнаружения морганий и шаблонов морганий. Система содержит фотоэлемент, выполненный с возможностью генерирования сигнала, соответствующего интенсивности падающего на глаз света, усилитель, выполненный с возможностью принимать сигнал от фотоэлемента и увеличивать уровень его мощности для дополнительной обработки с целью генерирования усиленного сигнала, соответствующего интенсивности падающего на глаз света, а также процессор, выполненный с возможностью принимать усиленный сигнал, при этом процессор осуществляет выборку с предварительно заданной частотой и по меньшей мере временно сохраняет собранные выборки, определяет, открыто веко или закрыто, чтобы предположить количество, временной период и ширину импульса морганий на основе собранных значений, рассчитывает количество морганий и продолжительность морганий за заданный период времени, сравнивает количество морганий, продолжительность морганий за заданный период времени и время между морганиями за заданный период времени с сохраненным набором выборок для определения шаблонов морганий и определяет, соответствуют ли моргания одной или более последовательностям преднамеренных морганий.

Настоящее изобретение относится к контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, выполняющую любое количество функций, включая активацию оптического элемента с переменным фокусом при его наличии. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, управляющие алгоритмы и схемы, а также схемы привода линзы.

Управление офтальмологической линзой с электропитанием можно осуществлять с помощью ручного внешнего устройства, которое сообщается с линзой беспроводным образом, например ручного блока дистанционного управления. С другой стороны, управление офтальмологической линзой с электропитанием может осуществляться с помощью сигналов обратной связи или сигналов управления, поступающих непосредственно от пользователя. Например, датчики, встроенные в линзу, могут обнаруживать моргание и/или шаблоны морганий. Учитывая шаблон или последовательность морганий, офтальмологическая линза с электропитанием может изменять состояние, например, оптическую силу, для фокусировки на близком или удаленном объекте.

Алгоритм обнаружения моргания является компонентом системного контроллера, который обнаруживает характеристики морганий, например, когда веко открыто или закрыто, продолжительность пребывания века в открытом или закрытом состоянии, временные интервалы между морганиями и количество морганий за конкретный период времени. В примере алгоритма, обладающего признаками настоящего изобретения, используется регистрация характеристик падающего на глаз света при осуществлении выборки с конкретной частотой. Предварительно заданные шаблоны моргания сохраняются и сравниваются с последними данными выборок падающего света. При выявлении соответствия шаблонам алгоритм обнаружения морганий активирует операцию системного контроллера, например, активацию приводного элемента линзы для изменения оптической силы линзы.

Алгоритм обнаружения морганий и соответствующая схема, составляющая предмет настоящего изобретения, предпочтительно работают в достаточно широком диапазоне условий освещенности и

предпочтительно могут разделять последовательность преднамеренных и непроизвольных морганий. Также предпочтительным является минимальное обучение, необходимое для использования преднамеренных морганий для активации и/или управления офтальмологической линзы с электропитанием. Алгоритм обнаружения морганий и соответствующая схема, составляющая предмет настоящего изобретения, обеспечивают безопасное низкозатратное и надежное средство и способ обнаружения морганий с помощью контактной линзы с электропитанием или электронной контактной линзы, которая также имеет низкий уровень энергопотребления и возможность масштабирования для встраивания в офтальмологическую линзу, для выполнения по меньшей мере одного из активации или управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Описанные выше и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после изучения представленного ниже более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных с помощью сопроводительных чертежей.

На фигуре 1 представлен пример контактной линзы, содержащей систему обнаружения морганий, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

На фигуре 2 представлен график зависимости падающего на поверхность глаза света от времени, иллюстрирующий возможный шаблон непроизвольных морганий, зарегистрированных при разных уровнях интенсивности света в зависимости от времени, и применимый пороговый уровень, основанный на некоторой точке между максимальным и минимальным уровнями интенсивности света, в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 3 представлен пример диаграммы изменения состояния системы обнаружения морганий в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 4 схематически представлен путь фотодетекции, используемый для обнаружения и осуществления выборки принимаемых световых сигналах в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 5 представлена блок-схема цифровой логической схемы обработки в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 6 представлена блок-схема цифровой логической схемы обнаружения в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 7 представлен пример временной диаграммы в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 8 схематически представлен цифровой системный контроллер в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 9 представлен пример временной диаграммы для автоматического регулирования уровня в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 10 схематически представлены светонепроницаемые и светопропускающие области на примере кристалла интегральной схемы в соответствии с принципами настоящего изобретения.

На фигуре 11 схематически представлен пример электронной вставки, включающей детектор морганий, для контактной линзы с электропитанием в соответствии с принципами настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в такие полимерные структуры встраивают различные схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактную линзу 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 или 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 в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные 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. С другой стороны или в дополнение к любым из этих 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, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для обнаружения падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.

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, электронную контактную линзу можно использовать просто для улучшения нормального зрения или обеспечения широкого спектра функциональных характеристик, как описано выше. 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 электронные компоненты, встроенные напрямую без линзы для обеспечения любых применимых функциональных характеристик. Электронная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, может быть встроена в любое количество контактных линз, как описано выше. Кроме того, интраокулярные линзы также могут содержать различные компоненты и функции, описанные в настоящем документе. Однако для простоты объяснения описание будет посвящено электронной контактной линзе для коррекции дефектов зрения, которая предназначена для одноразового повседневного использования.

Настоящее изобретение может применяться в офтальмологической линзе с электропитанием или в контактной линзе с электропитанием, содержащих электронную систему, которая активирует оптические элементы с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества из множества возможных функций. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, управляющие алгоритмы и схемы, а также схемы привода линзы. Сложность этих компонентов может быть различной в зависимости от требуемой или желаемой функциональности линзы.

Управление электронной офтальмологической линзой или офтальмологической линзой с электропитанием можно осуществлять с помощью ручного внешнего устройства, которое сообщается с линзой, например ручного блока дистанционного управления. Например, брелок может сообщаться беспроводным образом с линзой с электропитанием на основании входных данных, вводимых вручную пользователем. С другой стороны, 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 обнаруживать моргание и/или шаблоны морганий. Учитывая шаблон или последовательность морганий, офтальмологическая линза с электропитанием может изменять состояние, например, оптическую силу, для фокусировки на близком или удаленном объекте.

С другой стороны, обнаружение морганий с помощью офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой можно использовать для различных других целей, в которых предусмотрено взаимодействие между пользователем и электронной контактной линзой, такое как активация другого электронного устройства или отправка команды на другое электронное устройство. Например, процесс обнаружения морганий в офтальмологической линзе можно использовать в сочетании с камерой на компьютере, при этом камера отслеживает перемещение глаз(а) по экрану компьютера и, когда пользователь моргает в определенной последовательности, указатель мыши выполняет команду, например производит двойное нажатие на элемент, выделяет элемент или выбирает пункт меню.

Алгоритм обнаружения морганий является компонентом системного контроллера, который обнаруживает характеристики морганий, например, когда веко открыто или закрыто, продолжительность моргания, временные интервалы между морганиями и количество морганий за конкретный период времени. В алгоритме, обладающем признаками настоящего изобретения, используется регистрация характеристик падающего на глаз света при осуществлении выборки с конкретной частотой. Предварительно заданные шаблоны моргания сохраняются и сравниваются с последними данными выборок падающего света. При выявлении соответствия шаблонам алгоритм обнаружения моргания может активировать операцию системного контроллера, например активацию приводного элемента линзы для изменения оптической силы линзы.

Моргание - процесс быстрого закрывания и открывания век, который является важной функцией глаза. Моргание защищает глаз от чужеродных объектов, например, человек моргает, когда объекты неожиданно появляются вблизи глаза. Моргание обеспечивает смазку передней поверхности глаза путем распределения по ней слезной жидкости. Моргание также служит для удаления загрязняющих и/или раздражающих веществ из глаза. Как правило, моргание происходит автоматически, но внешние стимулы также могут играть свою роль, как в случае с раздражающими веществами. Однако моргание также может быть преднамеренным, например у людей, не способных к речевому общению или общению жестами, одно моргание может означать «да», а два моргания - «нет». Алгоритм и система обнаружения морганий настоящего изобретения используют шаблоны морганий, которые нельзя перепутать с нормальной реакцией моргания. Иными словами, если моргание используется в качестве средства управления каким-либо действием, то конкретный шаблон, выбранный для заданной операции, не должен быть случайным, иначе возможны непредвиденные действия. Поскольку на скорость моргания может влиять множество факторов, включая усталость, повреждение глаза, прием препаратов и заболевание, в шаблонах моргания, которые используются для целей управления, предпочтительно должны быть учтены эти и любые другие переменные факторы, влияющие на процесс моргания. Средняя продолжительность непроизвольных морганий находится в диапазоне от 100 (ста) до 400 (четырехсот) миллисекунд. Средний взрослый мужчина или женщина моргает с частотой 10 (десять) непроизвольных морганий в минуту, а средний интервал между непроизвольными морганиями составляет от приблизительно 0,3 до 70 (семидесяти) секунд.

Пример осуществления алгоритма обнаружения морганий можно кратко описать следующими этапами.

1. Определение «последовательности преднамеренных морганий», которая будет использоваться для положительного обнаружения морганий.

2. Осуществление выборки падающего света с частотой, соответствующей процессу обнаружения последовательности морганий и исключения непроизвольных морганий.

3. Сравнение истории измеренных уровней света с ожидаемой «последовательностью морганий», определяемой шаблоном значений.

4. Необязательное внедрение последовательности-«маски», указывающей на части шаблона, которые следует игнорировать при сравнениях, например у границ переходов. Это может предоставить пользователю возможность отклоняться от желаемой «последовательности морганий», например предусматривать «окно ошибки» на плюс или минус 1 (один), в котором имеет место одно или более действий по активации линзы, управлению и изменению фокусировки. Кроме того, таким образом можно позволить пользователю изменять последовательность морганий во времени.

Пример последовательности морганий можно определить следующим образом:

1. моргание (закрытые веки) на 0,5 с;

2. открытые веки на 0,5 с;

3. моргание (закрытые веки) на 0,5 с.

При частоте выборок, равной 100 (ста) мс, шаблон морганий из 20 (двадцати) выборок задается следующим образом:

blink_template = [1,1,1, 0,0,0,0,0, 1,1,1,1,1, 0,0,0,0,0, 1,1].

«Маска морганий» создается для отсева выборок сразу после изменения состояния (0 - отсеивание или игнорирование выборок), и она задается следующим образом:

blink_mask = [1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1,1,1,1, 0,1].

Необязательно можно отсеять более широкую пограничную область, чтобы обеспечить допустимость большей временной неопределенности, и такая маска задается следующим образом:

blink_mask = [1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1,1,1,0, 0,1].

Могут быть реализованы альтернативные шаблоны, например продолжительное одиночное моргание, в данном случае - 1,5-секундное моргание с шаблоном из 24 выборок, который описывается следующим образом:

blink_template = [1,1,1,1,0,0, 0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0, 0,1,1,1,1,1].

Важно отметить, что вышеуказанный пример приведен только для иллюстрации и не является конкретным набором данных.

Обнаружение может быть реализовано путем логического сравнения истории выборок с шаблоном и маской. Логическая операция представляет собой побитовую операцию исключающего ИЛИ (XOR) между шаблоном и последовательностью из истории выборок, а также проверку того, что все не отсеиваемые маской биты истории соответствуют шаблону. Например, как показано в приведенных выше примерах маски морганий, для каждой позиции последовательности маски морганий, в которой находится логическая 1, моргание должно соответствовать шаблону маски морганий этой позиции последовательности. Однако для каждой позиции последовательности маски морганий, в которой находится логический 0, не обязательно, чтобы моргание соответствовало шаблону маски морганий этой позиции последовательности. Например, можно использовать следующее булево уравнение алгоритма, записанное на языке MATLAB^®:

matched = not (blink_mask)|not (xor (blink_template, test_sample)),

где test_sample - выборка из истории выборок. Значение matched представляет собой последовательность той же длины, что и blink_template, история выборок и blink_mask. Если последовательность matched содержит только логические 1, это означает, что достигнуто хорошее соответствие. Если расшифровывать уравнение, выражение not (xor (blink_template, test_sample)) дает логический 0 для каждого несовпадения и логическую 1 для каждого совпадения. В результате выполнения операции логического ИЛИ (OR) с инвертированной маской последовательность matched принимает значение логической 1 в тех позициях, в которых маска имеет логический 0. Соответственно, чем больше позиций в шаблоне маски морганий занимают логические 0, тем выше допустимая погрешность моргания пользователя. MATLAB^® - язык высокого уровня и программный пакет для выполнения математических вычислений, визуализации и программирования, разработанный компанией MathWorks (г. Натик, штат Массачусетс, США). Также важно отметить, что, чем больше количество логических 0 в шаблоне маски морганий, тем выше вероятность ложноположительных результатов в отношении шаблонов ожидаемых или преднамеренных морганий. Следует понимать, что в устройстве могут быть запрограммированы различные шаблоны ожидаемых или преднамеренных морганий, при этом активной может быть одна или более схем. Более конкретно, множество шаблонов ожидаемых или преднамеренных морганий можно использовать для той же цели или функциональности или для реализации разных или меняющихся функций. Например, один шаблон морганий можно использовать в линзе для увеличения или уменьшения нужного объекта, а другой шаблон морганий можно использовать для того, чтобы воздействовать на другое устройство, например насос, расположенный на линзе, для подачи дозы терапевтического препарата.

На фигуре 1 в виде блок-схемы представлена контактная линза 100, содержащая электронную систему обнаружения морганий, в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. В этом примере осуществления электронная система обнаружения морганий может содержать фотодатчик 102, усилитель 104, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 106, процессор цифровых сигналов 108, источник питания 110, исполнительное устройство 112 и системный контроллер 114.

При помещении контактной линзы 100 на переднюю поверхность глаза пользователя электронная схема системы обнаружения морганий может применяться для реализации алгоритма обнаружения морганий, составляющего предмет настоящего изобретения. Фотодатчик 102, а также другие схемы выполнены с возможностью обнаружения морганий и/или различных шаблонов морганий, производимых глазом пользователя.

В данном примере осуществления фотодатчик 102 может быть встроен в контактную линзу 100 и может принимать свет окружающей среды 101, преобразуя падающие фотоны в электроны и посредством этого заставляя ток, показанный стрелкой 103, проходить через усилитель 104. Фотодатчик, или фотодетектор, 102 может представлять собой любое применимое устройство. В одном примере осуществления фотодатчик 102 представляет собой фотодиод. В предпочтительном примере осуществления фотодиод реализован в виде комплементарной системы металл-оксид-полупроводник (технология КМОП) для повышения возможности интеграции и снижения общего размера фотодатчика 102 и других схем. Ток 103 пропорционален величине падающего света, и он по существу уменьшается, когда веко закрывает фотодетектор 102. Усилитель 104 создает выходной сигнал, пропорциональный входному сигналу с коэффициентом усиления, и может выступать в качестве трансимпедансного усилителя, преобразующего входной ток в выходное напряжение. Усилитель 104 может усиливать сигнал до уровня, который подходит для использования в остальной системе, например, доводя сигнал до достаточного уровня напряжения и мощности, чтобы его можно было подать на АЦП 106. Например, усилитель может быть необходим для работы последующих блоков, так как выходной сигнал фотодатчика 102 может быть достаточно небольшим и фотодатчик может использоваться в условиях низкой освещенности. Усилитель 104 может быть реализован в виде усилителя с переменным коэффициентом, и коэффициент усиления может регулироваться системным контроллером 114 по системе обратной связи для расширения динамического диапазона системы. Помимо системы усиления, усилитель 104 может включать другую схему обработки аналогового сигнала, такую как система фильтрации, и иные схемы, подходящие для выходных сигналов фотодатчика 102 и усилителя 104. Усилитель 104 может представлять собой любое применимое устройство для усиления и обработки выходного сигнала фотодатчика 102. Например, усилитель 104 может просто содержать одиночный оперативный усилитель или более сложную схему, содержащую один или более оперативных усилителей. Как было указано выше, фотодатчик 102 и усилитель 104 выполнены с возможностью обнаружения и выделения последовательностей морганий на основе интенсивности падающего на глаз света и преобразования входного тока в цифровой сигнал, который в итоге подходит для использования системным контроллером 114. Системный контроллер 114 предпочтительно предварительно программируют или конфигурируют для обнаружения различных последовательностей и/или шаблонов морганий в различных условиях интенсивности освещения, а также для генерирования соответствующего выходного сигнала, который направляется на исполнительное устройство 112. Системный контроллер 114 также содержит связанную с ним память.

В этом примере осуществления АЦП 106 может применяться для преобразования непрерывного аналогового выходного сигнала усилителя 104 в выбранный цифровой сигнал, подходящий для дальнейшей обработки. Например, АЦП 106 может преобразовывать аналоговый выходной сигнал усилителя 104 в цифровой сигнал, подходящий для использования в последующих или расположенных далее схемах, например в системе обработки цифровых сигналов или микропроцессоре 108. Систему обработки цифровых сигналов или процессор цифровых сигналов 108 можно использовать для обработки цифровых сигналов, включая один или более из сигналов - фильтрацию, обработку, обнаружение и прочие способы управления/обработки данных выборок, чтобы данные процесса обнаружения падающего света можно было использовать в устройствах, расположенных далее по схеме. В программу процессора цифровых сигналов 108 могут быть внесены последовательности и/или шаблоны морганий, описанные выше. Процессор цифровых сигналов 108 также содержит связанную с ним память. Процессор цифровых сигналов 108 может быть реализован с использованием аналоговых схем, цифровых схем, программного обеспечения или их комбинации. В представленном примере осуществления процессор реализован в виде цифровой схемы. АЦП 106 и связанный с ним усилитель 104 и процессор цифровых сигналов 108 активируются с применимой частотой в соответствии с ранее описанной частотой осуществления выборок, например каждые 100 (сто) мс.

Источник питания 110 обеспечивает питанием множество компонентов, содержащих систему обнаружения морганий. Питание может подаваться от батареи, устройства сбора энергии или другого применимого средства, известного среднему специалисту в данной области. По существу можно использовать любой тип источника энергии 110, обеспечивающий надежное питание для всех других компонентов системы. Последовательность морганий можно применять для изменения состояния системы и/или системного контроллера. Более того, системный контроллер 114 может контролировать другие аспекты контактной линзы с электропитанием в зависимости от входного сигнала процессора цифровых сигналов 108, например путем изменения фокусировки или оптической силы линзы с электронным управлением посредством исполнительного устройства 112.

Системный контроллер 114 использует сигнал от цепи фотодатчика, а именно фотодатчика 102, усилителя 104, АЦП 106 и системы обработки цифровых сигналов 108, чтобы сравнить уровни освещения выборок с активирующими шаблонами морганий. На фигуре 2 представлено графическое изображение выборок шаблонов морганий, зарегистрированных при разных уровнях интенсивности света в зависимости от времени, с указанием практического порогового уровня. Соответственно, учет различных факторов, например изменений интенсивности света в разных местах и/или при различной деятельности, может снизить и/или предотвратить ошибки обнаружения морганий по выборкам падающего на глаз света. Кроме того, при осуществлении выборок падающего на глаз света уменьшить и/или предотвратить ошибки обнаружения морганий также можно при учете тех эффектов, которые могут оказывать на глаз и веки изменения интенсивности света окружающей среды, например, насколько закрытые веки блокируют видимый свет при низком и высоком уровне освещения. Иными словами, чтобы предотвратить использование ошибочно зафиксированных шаблонов морганий при управлении, предпочтительно следует учитывать уровень освещения окружающей среды, как более подробно описано ниже.

Например, в одном исследовании было выявлено, что веко в среднем блокирует приблизительно 99 (девяносто девять) процентов видимого света, но свет с более короткой длиной волны, как правило, в меньшей степени проходит через веки, и блокирование видимого света в этом случае составляет приблизительно 99,6 процентов. На более длинных волнах, в направлении инфракрасной части спектра, веко может блокировать лишь 30 (тридцать) процентов падающего света. Однако важно отметить, что свет с разной частотой, длиной волны и интенсивностью может проходить сквозь веки с разной эффективностью. Например, если смотреть с закрытыми веками на яркий источник света, можно увидеть красный свет. Также возможны индивидуальные различия в степени пропускания видимого света через веки, например, в зависимости от пигментации кожи человека. На фигуре 2 представлены смоделированные данные шаблонов морганий при разных уровнях освещения за временной интервал, равный 70 (семидесяти) секундам, причем в процессе моделирования были зарегистрированы уровни интенсивности видимого света, проходящего через глаз, и показано допустимое пороговое значение. Порог задается на уровне между пиковыми значениями интенсивности видимого света, зарегистрированными в процессе моделирования шаблонов морганий при разных уровнях интенсивности света. Возможность предварительно программировать шаблоны морганий, одновременно отслеживая средний уровень освещения с течением времени и регулируя порог, может оказаться очень важным фактором для обнаружения моргания в противоположность состоянию, когда субъект не моргает и/или просто происходит изменение уровня интенсивности света в конкретном месте.

Как также показано на фигуре 1, в дополнительных альтернативных примерах осуществления системный контроллер 114 может принимать входной сигнал от источников, включая один или более из детектора морганий, датчиков глазных мышц и брелок управления. Если обобщить, то специалисту в данной области будет 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 запрограммирована для конкретного пользователя, например на обнаружения как шаблонов морганий, так и сигналов цилиарных мышц человека при выполнении различных действий, например при фокусировании на удаленном или близкорасположенном объекте. В некоторых примерах осуществления использование более одного способа активации электронной контактной линзы, такого как обнаружение морганий и обнаружение сигналов цилиарной мышцы, может позволить выполнять перекрестную проверку каждого способа другим способом перед активацией контактной линзы. Преимущества перекрестной проверки могут включать уменьшение количества ложноположительных результатов, например снижение риска непреднамеренной активации линзы. В одном примере осуществления перекрестная проверка может проводиться по схеме голосования, в которой перед любым действием выполняется проверка определенного количества условий.

Исполнительное устройство 112 может представлять собой любое устройство, применимое для реализации конкретного действия на основе принятого командного сигнала. Например, если уровень света выборки совпадает с активирующим шаблоном морганий, как описано выше, системный контроллер 114 может задействовать исполнительное устройство 112, например электронную линзу или линзу с электропитанием с переменной оптической силой. Исполнительное устройство 112 может представлять собой электрическое устройство, механическое устройство, магнитное устройство или любую их комбинацию. Исполнительное устройство 112 принимает сигнал от системного контроллера 114, а также питание от источника питания 110 и производит некоторое действие в зависимости от сигнала системного контроллера 114. Например, если сигнал системного контроллера 114 показывает, что пользователь пытается сфокусироваться на близкорасположенном объекте, исполнительное устройство 112 может использоваться для изменения оптической силы электронной офтальмологической линзы, например, с помощью динамической многожидкостной оптической зоны. В альтернативном примере осуществления системный контроллер 114 может подавать сигнал, показывающий, что в глаз(а) необходимо ввести терапевтический препарат. В этом примере осуществления исполнительное устройство 112 может содержать насос и резервуар, например насос на основе микроэлектромеханической системы (МЭМС). Как было указано выше, линза с электропитанием, составляющая предмет настоящего изобретения, может обеспечивать различную функциональную возможность; соответственно, одно или более исполнительных устройств могут быть выполнены по-разному для реализации функциональной возможности.

На фигуре 3 представлена диаграмма изменения состояний 300 примера системы обнаружения морганий, соответствующая алгоритму обнаружения морганий, составляющему предмет настоящего изобретения. Система начинает работу с состояния IDLE 302, ожидая сигнала включения bl_go. При воспроизведении сигнала bl_go, например, тактовым генератором и схемой управления, которая подает импульсные сигналы bl_go с интервалами 100 (сто) мс, соразмерными с частотой осуществления выборок морганий, машина состояний переходит в состояние WAIT_ADC 304, в котором включается АЦП для преобразования принятого значения уровня освещения в цифровое значение. АЦП подает сигнал adc_done, подтверждающий завершение операций, и система или машина состояний переходит в состояние SHIFT 306. В состоянии SHIFT 306 система помещает только что полученное выходное значение АЦП в регистр сдвига, где хранится история выборок морганий. В некоторых примерах осуществления выходное значение АЦП сначала сравнивается с пороговым значением, чтобы получить однобитовое (1 или 0) значение выборки для максимального уменьшения требуемого объема памяти. Затем система или машина состояний переходит в состояние COMPARE 308, в котором значения в регистре сдвига истории выборок сравниваются с одним или более шаблонами и масками последовательностей морганий, как описано выше. При выявлении совпадений может быть сгенерирован один или более выходных сигналов, например сигнал переключения состояния привода линзы bl_cp_toggle, или выполнена любая другая функция, которой обладает офтальмологическая линза с электропитанием. Затем система или машина состояний переходит в состояние DONE 310 и подает сигнал bl_done, свидетельствующий о завершении операций.

На фигуре 4 представлен пример сигнального пути фотодатчика или фотодетектора pd_rx_top, который можно использовать для обнаружения и измерения принятых значений уровней света. Сигнальный путь pd_rx_top может содержать фотодиод 402, трансимпедансный усилитель 404, звено автоматической регулировки усиления и низкочастотной фильтрации 406 (AGC/LPF), а также АЦП 408. Сигнал adc_vref является входным для АЦП 408 от источника питания 110 (см. рисунок 1) или, как вариант, может быть сгенерирован специальной схемой, расположенной в аналого-цифровом преобразователе 408. Выходной сигнал АЦП 408, adc_data, передается в блок системы обработки цифровых сигналов и системного контроллера 108/114 (см. рисунок 1). Хотя для упрощения объяснения на фигуре 1 система обработки цифровых сигналов и системный контроллер показаны отдельными блоками 108 и 114, предпочтительно, чтобы они были реализованы в виде единого блока 410. Сигнал активации adc_en, сигнал пуска adc_start и сигнал сброса adc_rst_n принимаются от блока системы обработки цифровых сигналов и системного контроллера 410, а на него передается сигнал завершения adc_complete. Тактовый сигнал adc_clk может приниматься от источника тактовых сигналов, внешнего по отношению к сигнальному пути pd_rx_top, или от блока системы обработки цифровых сигналов и системного контроллера 410. Важно отметить, что сигнал adc_clk и тактовый генератор системы могут работать на разных частотах. Также важно отметить, что в соответствии с принципами настоящего изобретения может быть использовано любое количество различных АЦП, которые могут иметь разные интерфейсы и сигналы управления, но которые выполняют аналогичную функцию по обеспечению цифрового представления выборки выходного сигнала аналоговой части сигнального пути фотодатчика. От блока системы обработки цифровых сигналов и системного контроллера 410 принимается сигнал включения фотодетектора pd_en и сигнал усиления работы фотодетектора pd_gain.

На фигуре 5 представлена блок-схема цифровой логической схемы обработки 500, которую можно использовать для сведения полученного от АЦП значения сигнала adc_data к однобитовому значению pd_data. Цифровая логическая схема обработки 500 может содержать цифровой регистр 502 для приема данных adc_data от сигнального пути фотодетекции pd_rx_top и формирования сохраненного значения сигнала adc_data_held. Цифровой регистр 502 выполнен с возможностью приема нового значения сигнала adc_data при получении сигнала adc_complete, а в противном случае - сохранения последнего принятого значения при получении сигнала adc_complete. Таким образом, система может заблокировать сигнальный путь фотодетекции после получения данных для снижения потребления тока системой. Затем сохраненное значение можно усреднить, например, используя способ интеграции со сбросом или другим способом усреднения, реализованным в цифровой логической схеме, в схеме генерирования порога 504 с получением одного или более порогов в сигнале pd_th. Затем с помощью компаратора 506 сохраненное значение можно сравнивать с одним или более порогами, получив однобитовое значение данных в сигнале pd_data. Следует понимать, что в операции сравнения гистерезис или сравнение с одним или более порогами можно использовать для максимального снижения шума в выходном сигнале pd_data. Цифровая логическая схема обработки может дополнительно содержать блок регулировки усиления pd_gain_adj 508, который задает коэффициент усиления для стадии автоматического усиления и фильтрации низких частот 406 в сигнальном пути фотодетекции с помощью сигнала pd_gain, как показано на фигуре 4, в соответствии с расчетными пороговыми значениями и/или в соответствии с сохраненным значением. Важно отметить, что в данном примере осуществления шестибитные слова обеспечивают достаточное разрешение для всего динамического диапазона обнаружения морганий при максимальном упрощении работы.

В одном примере осуществления схема генерирования порога 504 содержит пиковый детектор, детектор «долин» и схему вычисления порога. В данном примере осуществления значения для порога и управления усилением могут генерироваться следующим образом. Пиковый детектор и детектор «долин» выполнены с возможностью принимать сохраненное значение в сигнале adc_data_held. Пиковый детектор дополнительно выполнен с возможностью предоставления выходного значения pd_pk, быстро повторяющего рост значения adc_data_held и медленно снижающегося при уменьшении значения adc_data_held. Эта операция аналогична работе диодного амплитудного детектора, хорошо известного в сфере электротехники. Детектор «долин» дополнительно выполнен с возможностью предоставления выходного значения pd_vl, быстро повторяющего снижение значения adc_data_held и медленно возвращающегося к более высокому значению при росте значения adc_data_held. Работа детектора «долин» также аналогична работе диодного амплитудного детектора, при этом к положительному полюсу источника питания подключен разрядный резистор. Схема вычисления порога выполнена с возможностью принимать значения pd_pl и pd_vl, а также с возможностью вычисления медианного порогового значения pd_th_mid как среднего значений pd_pk и pd_vl. Схема генерирования порога 504 предоставляет пороговое значение pd_th на основе медианного порогового значения pd_th_mid.

Схема генерирования порога 504 дополнительно может быть выполнена с возможностью обновления значений уровней pd_pk и pd_vl в ответ на изменения значения pd_gain. Если значение pd_gain увеличивается на одну ступень, то значения pd_pk и pd_vl увеличиваются с коэффициентом, равным ожидаемому увеличению усиления в сигнальном пути фотодетекции. Если значение pd_gain уменьшается на одну ступень, то значения pd_pk и pd_vl уменьшаются с коэффициентом, равным ожидаемому уменьшению усиления в сигнальном пути фотодетекции. Таким образом, состояния пикового детектора и детектора «долин», сохраненные в значениях pd_pk и pd_vl соответственно, а также пороговое значение pd_th, рассчитанное по значениям pd_pk и pd_vl, обновляются в соответствии с изменениями усиления в сигнальном пути, таким образом позволяя избегать разрывов или других изменений состояния или значения, полученных только в результате преднамеренного изменения усиления в сигнальном пути фотодетекции.

В дополнительном примере осуществления схемы генерирования порога 504 схема вычисления порога дополнительно может быть выполнена с возможностью вычисления порогового значения pd_th_pk на основе пропорциональной или процентной доли значения pd_pk. В предпочтительном примере осуществления pd_th_pk может быть преимущественно присвоено значение, равное семи восьмых pd_pk. Такой расчет может быть выполнен путем простого сдвига вправо на три бита и вычитания, как хорошо известно в соответствующей области техники. Схема вычисления порога может выбирать пороговое значение pd_th как меньшее из pd_th_mid и pd_th_pk. Таким образом, значение pd_th никогда не будет равным значению pd_pk, даже после продолжительного периода непрерывного попадания света на фотодиод, что может привести к тому, что значения pd_pk и pd_vl станут равными. Следует понимать, что значение pd_th_pk гарантирует обнаружение моргания даже после продолжительных интервалов. Работа схемы генерирования порога дополнительно проиллюстрирована на фигуре 9, как описано ниже.

На фигуре 6 представлена блок-схема цифровой логической схемы обнаружения 600, которую можно использовать для реализации примера алгоритма цифрового обнаружения морганий в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Цифровая логическая схема обнаружения 600 может содержать регистр сдвига 602, выполненный с возможностью приема данных от сигнального пути фотодетекции pd_rx_top (рисунок 4) или цифровой логической схемы обработки (рисунок 5), как показано в настоящем документе на примере сигнала pd_data, имеющего однобитовое значение. В регистре сдвига 602 хранится история принятых значений выборки, в данном случае это 24-битный регистр. Цифровая логическая схема обнаружения 600 дополнительно содержит блок сравнения 604, выполненный с возможностью приема истории выборок и одного или более шаблонов морганий bl_tpl и масок морганий bl_mask и отображения совпадения с одним или более шаблонами и масками в одном или более выходных сигналах, которые могут быть сохранены для дальнейшего использования. Выходной сигнал блока сравнения 604 фиксируется D-триггером 606. Цифровая логическая схема обнаружения 600 может дополнительно содержать счетчик 608 или иной логический элемент для предотвращения последовательных сравнений одного и того же набора выборок с небольшими сдвигами вследствие операций маскирования. В предпочтительном примере осуществления история выборок очищается или сбрасывается после получения положительного результата совпадения, и, следовательно, перед попыткой выявить следующее совпадение требуется выполнить измерение новой полной последовательности морганий. Цифровая логическая схема обнаружения 600 может дополнительно содержать машину состояний или аналогичную схему управления для подачи сигналов управления в сигнальный путь фотодетекции и АЦП. В некоторых примерах осуществления сигналы управления могут генерироваться машиной управления состояниями, которая установлена отдельно от цифровой логической схемы обнаружения 600. Такая машина управления состояниями может входить в состав блока системы обработки цифровых сигналов и системного контроллера 410.

На фигуре 7 представлена временная схема сигналов управления, поступающих от подсистемы обнаружения морганий к АЦП 408 (рисунок 4), входящей в сигнальный путь фотодетекции. Сигналы активации и тактовые сигналы adc_en, adc_rst_n и adc_clk активируются в начале последовательности выборок и продолжаются до завершения процесса аналого-цифрового преобразования. В одном примере осуществления процесс аналого-цифрового преобразования (АЦП) начинается при подаче импульса сигнала adc_start. Выходное значение АЦП сохраняется в сигнале adc_data, и на завершение процесса указывает логический сигнал АЦП adc_complete. Также на фигуре 7 представлен сигнал pd_gain, который используется для установки коэффициента усиления для усилителей, расположенных до АЦП. Как видно на фигуре, этот сигнал устанавливается до времени прогрева, чтобы обеспечить стабилизацию смещений в аналоговой схеме и уровнях сигналов перед преобразованием.

На фигуре 8 представлен цифровой системный контроллер 800, содержащий цифровую подсистему обнаружения морганий dig_blink 802. Цифровая подсистема обнаружения морганий dig_blink 802 может управляться главной машиной состояний dig_master 804 и может быть выполнена с возможностью приема тактовых сигналов от тактового генератора clkgen 806, внешнего по отношению к цифровому системному контроллеру 800. Цифровая подсистема обнаружения морганий dig_blink 802 может быть выполнена с возможностью подачи сигналов управления и приема сигналов от подсистемы фотодетекции, как описано выше. Цифровая подсистема обнаружения морганий dig_blink 802 может содержать цифровую логическую схему обработки и цифровую логическую схему обнаружения, как описано выше, в дополнение к машине состояний для управления последовательностью операций в алгоритме обнаружения морганий. Цифровая подсистема обнаружения морганий dig_blink 802 может быть выполнена с возможностью приема сигнала активации от главной машины состояний 804 и для передачи сигнала о завершении или окончании работы и сигнала обнаружения морганий обратно в главную машину состояний 804.

На фигуре 9 (фигуры 9A-9G) представлены формы сигналов, иллюстрирующие работу схемы генерирования порога и автоматического управления усилением (рисунок 5). На фигуре 9A представлен пример зависимости фототока от времени, которая может быть характерна для реакции фотодиода на разные уровни освещения. На первой части графика уровень освещения и полученный фототок являются относительно низкими в сравнении со второй частью графика. И на первой, и на второй частях графика видно, что двойное моргание снижает освещенность и фототок. Следует отметить, что ослабление света веком может не быть равным 100 (ста) процентам, а может иметь меньшее значение, которое зависит от пропускающих свойств века в отношении длин волн падающего на глаз света. На фигуре 9B представлено регистрируемое значение adc_data_held, которое является реакцией на колебания фототока с рисунка 9A. Для простоты значение adc_data_held представлено в виде непрерывного аналогового сигнала, а не в виде серии дискретных цифровых значений выборки. Следует понимать, что цифровые значения выборки соответствуют уровню, представленному на фигуре 9B, в соответствующие моменты осуществления выборок. Пунктирные линии в верхней и нижней частях графика отображают максимальное и минимальное значения сигналов adc_data и adc_data_held. Диапазон от минимального до максимального значений также называют динамическим диапазоном сигнала adc_data. Как описано ниже, усиление в сигнальном пути фотодетекции на второй части графика отличается (ниже). По существу значение adc_data_held прямо пропорционально фототоку, и изменения усиления влияют только на отношение или коэффициент пропорциональности. На фигуре 9C показаны значения pd_pk, pd_vl и pd_th_mid, вычисленные для значения adc_data_held схемой генерирования порога. На фигуре 9D показаны значения pd_pk, pd_vl и pd_th_pk, вычисленные для значения adc_data_held в некоторых примерах осуществления схемы генерирования порога. Следует отметить, что значение pd_th_pk всегда составляет некоторую часть значения pd_pk. На фигуре 9E показано значение adc_data_held со значениями pd_th_mid и pd_th_pk. Следует отметить, что в течение продолжительных интервалов времени, при которых значение adc_data_held является относительно постоянным, значение pd_th_mid становится равным значению adc_data_held, когда значение pd_vl снижается до того же уровня. Значение pd_th_pk всегда остается несколько ниже значения adc_data_held. Также на фигуре 9E показан выбор значения pd_th, при котором pd_th выбрано как меньшее из pd_th_pk и pd_th_mid. Таким образом, порог всегда будет несколько отличаться от значения pd_pk, что позволяет избежать ложных переходов состояния pd_data вследствие шума в сигналах фототока и adc_data. На фигуре 9F показано значение pd_data, генерируемое путем сравнения значения adc_data_held со значением pd_th. Следует отметить, что сигнал pd_data может принимать два значения, меньшее из которых генерируется при моргании. На фигуре 9G показана зависимость tia_gain от времени для данных примеров форм сигналов. Значение tia_gain устанавливается более низким, когда pd_th начинает превышать верхний порог, показанный на фигуре 9E как значение agc_pk_th. Следует понимать, что аналогичные реакции имеют место при росте tia_gain, когда pd_th начинает падать ниже нижнего порога. Если посмотреть на вторую часть каждого из графиков на рисунках 9A-9E, то воздействие более низкого tia_gain станет очевидным. В частности, следует обратить внимание на то, что значение adc_data_held поддерживается на уровне середины динамического диапазона сигналов adc_data и adc_data_held. Важно дополнительно отметить, что значения pd_pk и pd_vl обновляются в соответствии с изменением усиления, как описано выше, что позволяет избежать разрывов в пиковых и «долинных» состояниях и значениях детектора, обусловленных только изменениями усиления в сигнальном пути фотодетекции.

На фигуре 10 представлены примеры светонепроницаемых и светопропускающих элементов кристалла интегральной схемы 1000. Кристалл интегральной схемы 1000 содержит светопропускающую область 1002, светонепроницаемую область 1004, контактные площадки 1006, отверстия в пассивации 1008 и отверстия в светонепроницаемом слое 1010. Светопропускающая область 1002 находится над фотодатчиками (не показаны), например матрицей фотодатчиков, реализованной по технологии производства полупроводниковых устройств. В предпочтительном примере осуществления светопропускающая область 1002 пропускает максимально возможное количество света к фотодатчикам посредством максимального повышения чувствительности. Это может быть реализовано путем удаления поликремниевого, металлического, оксидного, нитридного, полиимидного и других слоев над фотодатчиками в соответствии с тем, как допустимо по технологии производства полупроводниковых устройств, используемой для изготовления или последующей обработки. Светопропускающая область 1002 также может быть подвергнута другой специальной обработке для оптимизации светового обнаружения, например нанесению противоотражающих, фильтрующих и/или светорассеивающих покрытий. Светонепроницаемая область 1004 может закрывать на кристалле прочие схемы, не требующие воздействия света. Фототоки могут отрицательно влиять на эффективность других схем, например, в результате изменения напряжения смещения и частот тактового генератора в схемах со сверхнизкими токами, которые необходимы, как было указано ранее, для встраивания в контактные линзы. Светонепроницаемая область 1004 предпочтительно образована из тонкого непрозрачного отражающего материала, например алюминия или меди, который уже применяется в производстве и последующей обработке полупроводниковых пластин. Если материал, образующий светонепроницаемую область 1004, является металлом, его необходимо изолировать от ранее расположенных схем и контактных площадок 1006 для предотвращения коротких замыканий. Такую изоляцию можно обеспечить, используя технологию пассивирования, которая уже используется на кристалле как часть обычного пассивирования полупроводниковой пластины, например с помощью оксида, нитрида и/или полиимида или других диэлектриков на этапе последующей обработки. При применении маскирования в светонепроницаемом слое создаются отверстия 1010, так чтобы проводящий светонепроницаемый металл не соприкасался с контактными площадками кристалла. Светонепроницаемый слой 1004 закрывается дополнительным слоем диэлектрика или пассиватора, чтобы защитить кристалл и предотвратить короткие замыкания при прикреплении кристалла. Этот последний пассивирующий слой имеет отверстия 1008 для возможности подключения к контактным площадкам 1006.

На фигуре 11 представлен пример контактной линзы с электронной вставкой, содержащей систему обнаружения морганий, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Контактная линза 1100 содержит мягкую пластиковую часть 1102, содержащую электронную вставку 1104. Такая вставка 1104 включает линзу 1106, активируемую электронными компонентами, например, фокусирующуюся при активации на близкорасположенных или удаленных объектах. Интегральная схема 1108 монтируется на вставке 1104 и подключается к батареям 1110, линзе 1106 и другим необходимым компонентам системы. Интегральная схема 1108 включает фотодатчик 1112 и связанные с ним схемы сигнального пути фотодетектора. Фотодатчик 1112 направлен через вставку линзы наружу из глаза и, следовательно, может принимать свет окружающей среды. Фотодатчик 1112 может быть реализован на интегральной схеме 1108 (как показано), например, в виде одного фотодиода или матрицы фотодиодов. Фотодатчик 1112 также может быть реализован в виде отдельного устройства, смонтированного на вставке 1104 и подключенного с помощью проводящих дорожек 1114. При закрытии века вставка линзы 1104, включая фотодетектор 1112, закрывается веком, посредством чего уменьшается попадание света на фотодетектор 1112. Фотодетектор 1112 может измерять свет окружающей среды и определять, моргнул пользователь или нет.

Дополнительные варианты осуществления алгоритма обнаружения морганий могут предусматривать больше вариаций продолжительности и интервалов последовательности морганий, например, путем отсчета времени начала второго моргания на базе измеренного времени окончания первого моргания, а не использования фиксированного шаблона или расширения при помощи маски «не учитываемых» интервалов (значения 0).

Следует понимать, что алгоритм обнаружения морганий может быть реализован в цифровых логических схемах или в виде программного обеспечения микроконтроллера. Реализующие алгоритм логические схемы или микроконтроллер могут быть выполнены в виде единой специализированной интегральной схемы (СИС) со схемой сигнального пути фотодетекции и системным контроллером, или же эти функции могут быть распределены по нескольким интегральным схемам.

Важно отметить, что система обнаружения морганий, составляющая предмет настоящего изобретения, имеет более широкую сферу применения, чем диагностика зрения, коррекция зрения и улучшение зрения. К этой более широкой сфере относится использование обнаружения морганий для управления широким спектром функций у людей с ограниченными возможностями. Система обнаружения морганий может устанавливаться на глазе или вне глаза.

Несмотря на то что представленные и описанные в настоящем документе варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, очевидно, что специалистам в данной области будут понятны возможности отступления от конкретных конструкций и способов, представленных и описанных в настоящем документе, которые могут быть реализованы без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничено конкретными конструкциями, описанными и изображенными в настоящем документе, но все конструкции должны согласовываться со всеми модификациями в пределах объема, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к области медицины и медицинской техники. Осуществляют выборку уровня света, падающего на глаз человека, с предварительно заданной частотой. Определяют характеристики морганий: количество, период и ширину импульса морганий. Рассчитывают количество и продолжительность морганий за заданный период времени. Сравнивают характеристики морганий с сохраненным набором результатов выборок преднамеренных морганий. Определяют, соответствуют ли моргания предварительно заданным последовательностям преднамеренных морганий. Используют последовательность преднамеренных морганий в качестве сигнала обратной связи для системы управления электронной офтальмологической линзой. Для реализации способа используют систему, содержащую фотоэлемент, выполненный с возможностью генерирования сигнала, падающего на глаз света; усилитель, выполненный с возможностью принимать сигнал и увеличивать уровень его мощности; процессор, выполненный с возможностью принимать усиленный сигнал. При этом процессор осуществляет выборку с предварительно заданной частотой, сохраняет результаты, определяет и сравнивает характеристики морганий. Изобретение расширяет функциональные возможности офтальмологической линзы для коррекции и улучшения зрения. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

Формула