眼科革命！可以矫正视力的智能隐形眼镜

自19世纪隐形眼镜的概念被首次提出以来，隐形眼镜的发展与变革便从未停下脚步。1930年塑料隐形眼镜问世，而后1940年的角膜镜、1960年的软水胶镜、1980年的一次性隐形眼镜，直到今天花样繁复备受爱美女性追捧的各式美瞳。而现如今随着技术的发展，隐形眼镜所能提供给我们的不再仅仅是视力提高和美化作用，智能隐形眼镜将引起一场眼疾治疗的新变革。

天然虹膜能够根据外界光强相对应的调控瞳孔大小，进而调制进入视网膜的透射光来控制我们的视觉感受。由于生理性或病理性的原因导致的虹膜损伤，可能会对天然的光调节反应造成破坏甚至完全丧失。据统计，患有虹膜缺损，圆锥形角膜，以及干眼症症候群（DES）而导致的光敏性和畏光症的患者人数总计超过2000万。

目前对于虹膜缺失类疾病普遍采用的治疗手段是：固定虹膜的隐形眼镜、人造虹膜植入物以及透明度可变的隐形眼镜。然而，这些被动的解决方案无法自主的调节景深，并造成可视化区域的衰减与分散，使分辨率变低，同时视网膜区呈现出的画质也不可避免的受到影响。

图源：Veer

近日，来自根特大学，马德里实验室和比利时微电子研究中心的研究人员以“Artificial iris performance for smart contact lens vision correction applications”为题在Scientific Reports 发表论文。

他们通过将宾主型液晶显示器（后简称GH-LCD）嵌入同心圆中并通过电驱控制，使液晶连续不断的同步开/关状态以实现与自然虹膜相似的调节功能。研究结果不仅实现了GH-LCD智能人工虹膜在不同外界光强条件下的视觉化仿真，同时通过进一步对虹膜缺失案例的真实数据的模拟，验证了智能自主式人工虹膜动态光衰减的可靠性和卓越的视觉化表现。不同于目前采用的被动式解决方式，自主智能化的人工虹膜集成式的隐形眼镜，作为一种非侵入式的光学手段，通过自动调整视觉环境中的光进入眼睛的总量，来调制出适合视网膜的理想光强，进而减少了高次像差造成的成像模糊，提高视网膜最终的成像质量。智能隐形眼镜的发明，不仅为圆锥角膜、虹膜缺失等的病人提供了新的治愈手段，对偏头痛和脑损伤造成的视力障碍也有着很大的帮助。

图1 本研究提出的基于GH-LCD技术自主式智能隐形眼镜

图源：根特大学

图一为本研究提出的基于GH-LCD技术自主式智能人工虹膜，GH-LCD是由液晶、手性掺杂剂以及中性黑二向色性染料组合而成的同心圆形状，构成了智能人工虹膜自主调节的区域。为避免画面闪烁，同时降低能量损耗以实现高质量的视网膜成像，智能人工虹膜装置的开关状态受频率严格筛选的方波电控驱动。至此，包括GH-LCD和电子驱动组成的微平台集成进传统的硬性透氧性巩膜隐形眼镜（rigid gas permeable scleral contact lens）中，实现对角膜缘的保护并提高病人视觉成像的质量。

图2 智能GH-LCD人工虹膜在开/关状态下CMOS图像

图源：Scientific Reports, 2020. Vol.10:1, 2.Fig.1

自主GH-LCD形成的光学画面质量和可见光透光率通过实验架构的外置白光装置和CMOS 相机进行测量和评估。如图二（c）所示，当GH-LCD处于开启状态时外界光穿透强度明显减弱，代替虹膜调节瞳孔面积进而对透射光强进行衰减，对由于角膜缺损而导致畏光的患者起保护作用；另一方面，由于GH-LCD自身小孔密集排列的构造形成的小孔径以及隐形眼镜本身的静态衍射，使实现近距离图片聚焦成为可能。本研究对智能人工虹膜开/关状态下可见光波段（380nm-780nm）的透射光光谱进行了研究，结果证实智能隐形眼镜在可见光的各个波段对外界光强均有衰减作用。

图3 虹膜缺失患者在不同隐形眼镜下的视网膜成像模拟图

图源：Scientific Reports, 2020. Vol.10:1, 4. Fig.3

基于GH-LCD人工智能虹膜对于光强调节的实验结果，研究员依据虹膜缺失案例的真实数据，对虹膜缺损患者在同一外界光强下，佩戴不同隐形眼镜后的视觉成像结果进行了进一步的模拟和研究。如图3（a-d）所示分别为：虹膜缺损病人在不佩戴任何外界隐形眼镜下的视觉成像情况;佩戴传统的球形隐形眼镜下的成像图;佩戴特质隐形眼镜的成像图；以及佩戴了智能GH-LCD隐形眼镜后的成像图。不难看出，智能GH-LCD自主式人工虹膜对于成像质量的大幅度提高。

值得一提的是，仅当佩戴智能GH-LCD隐形眼镜时，角膜缺损患者的瞳孔直径缩小为原来的3/4，进一步佐证了智能人工虹膜对于瞳孔大小及聚焦深度的调节作用。

本工作中提出了透射光可调的智能隐形眼镜，通过将GH-LCD与可控电驱动装置集成化在隐形眼镜中，通过电驱对液晶开/关状态的控制，模拟天然虹膜对瞳孔大小的调控。本研究中不仅通过外置白光与CMOS图像，对GH-LCD分别在开/关下的成像和可见光透过谱进行测量与评估；同时，依据真实的角膜缺损案例数据进行了GH-LCD智能人工虹膜的模拟，证明了GH-LCD自主性智能人工虹膜的卓越的光强调节效果。

Azalea Vision团队与志愿者们正在对智能隐形眼镜进行缜密的临床研究，为患有光敏性和缺乏视觉清晰度的各种眼部疾病提供功能强大且安全的医疗设备。随着科技的发展，隐形眼镜，作为一种与眼睛直接接触的高精密电子集成器件，实现了超越现有方式的视觉化图像校正系统，为自主式人工虹膜在医疗上的发展提供了新的途径。

文章信息

Vásquez Quintero, A., Pérez-Merino, P. & De Smet, H. Artificial iris performance for smart contact lens vision correction applications. Sci Rep 10, 14641 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41598-020-71376-1

来源：先进制造

编辑：aloysius

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