CN103356160A - 用于电子式眼科透镜的眨眼检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于包括电子系统的眼科透镜的眨眼检测算法和相关联的电路。所述眨眼检测算法在系统控制器中实现，所述系统控制器是结合到所述眼科透镜中的电子系统的一部分。所述电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电源管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动电路。所述眨眼检测算法实现以下步骤：以预定速率对入射在个体眼睛上的光取样并且至少暂时保存收集的样本，确定眼睑何时打开或闭合以便预测来自收集的样本的眨眼的次数、时间周期和脉冲宽度，计算给定时间周期中眨眼的次数和眨眼的持续时间，以及将给定时间周期中眨眼的次数、眨眼的持续时间、以及给定时间周期中眨眼之间的时间与存储的样本组比较以确定眨眼模式。

Description

用于电子式眼科透镜的眨眼检测系统

相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2012年4月3日提交的美国临时专利申请No61/619,682的权益。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及具有用于检测个体何时眨眼的传感器与相关联的硬件和软件的动力式或电子式眼科透镜，并且更具体地涉及用于检测个体中的眨眼和眨眼模式，以激活和控制动力式或电子式眼科透镜的传感器与相关联的硬件和软件。

2.相关领域的描述

随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴的或可嵌入的微电子装置。此类用途可包括监视身体化学性质的方面、响应于测量或者响应于外部控制信号经由各种机构(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂、以及增强器官或组织的性能。此类装置的例子包括葡萄糖输注泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新型特定有用于应用领域的是眼科可佩戴透镜和接触透镜。例如，可佩戴透镜可结合透镜组件，该透镜组件具有电子可调节焦点，以增强或提高眼睛的性能。在另一个例子中，无论具有还是不具有可调节焦点，可佩戴接触透镜都可结合电子传感器，以检测角膜前(泪液)膜中特定化学物质的浓度。在透镜组件中使用嵌入式电子器件引起对与电子器件通信、通电和/或重新激活电子器件的方法、将电子器件互连、内部和外部传感和/或监测，以及电子器件和透镜的总体功能的控制的潜在需求。

人眼睛具有辨别百万种颜色、易于调节以改变光条件、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输给大脑的能力。当前，例如接触透镜和眼内透镜的透镜用来矫正视力缺陷，例如近视、远视、老花和散光。然而，结合附加组件的适当地设计的透镜可用于提高视力以及矫正视力缺陷。

接触透镜可用于矫正近视、远视、散光以及其它视敏度缺陷。接触透镜也可用于增强佩戴者眼睛的自然外观。接触透镜或“触体”仅是放置在眼睛前表面上的透镜。接触透镜被视为医疗装置并且可被佩戴以矫正视力和/或用于美容或其它治疗原因。自20世纪50年代起，市场上就可购买到改善视力的接触透镜。早期的接触透镜由硬性材料制成或加工成形，相对较为昂贵并且脆弱。此外，这些早期的接触透镜由如下材料加工成形，所述材料不允许足够的氧气穿过接触透镜传输到结膜和角膜，这可潜在地引起许多不良临床效应。尽管仍使用这些接触透镜，但它们因其不良的初始舒适度而并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触透镜，所述软性接触透镜在当今极为流行且被广泛应用。具体地，当今可用的有机硅水凝胶接触透镜将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。事实上，这些基于有机硅水凝胶的接触透镜比早期由硬性材料构成的接触透镜具有更高的透氧度并且通常具有更高的佩戴舒适度。

常规的接触透镜为具有特定形状的聚合物结构，以如上所简述的矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，必须将各种电路和组件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制内置的光电组件集成到接触透镜中，从而不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以经由放大和缩小或者仅简单地改变透镜的折射能力而提供提高的视力。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换成字幕、提供导航系统的视觉提示以及提供图像处理和互联网接入。透镜可经设计用以允许佩戴者在低光条件下视物。透镜上经适当地设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦点光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示装置，甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触透镜可结合用于非入侵性监视佩戴者的生物标记物的组件和健康指示器。例如，通过分析泪液膜的成分，内置于透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，适当地配置的透镜可结合用于监测胆固醇、钠和钾水平的传感器以及其它生物标记物。这与无线数据发送器联接可允许内科医生能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。此外，内置于透镜中的传感器可用于检测入射在眼睛上的光，以补偿环境光条件，或在确定眨眼模式中使用。

装置的适当组合可产生可能无限制的功能；然而，存在许多与将额外的组件结合到光度聚合物部件上相关联的困难。通常，由于多种原因难以在透镜上直接制造此类组件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比率进行制造。待放置在透镜上或透镜中的组件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护这些组件不受眼睛上液体环境的影响。由于附加组件的增加的厚度还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的接触透镜。

考虑到诸如接触透镜的眼科装置的面积和体积限制以及其使用环境，装置的物理实现必须克服多个问题，包括将多个电子组件安装和互连在非平面表面上，大多数电子组件包括光学塑料。因此，需要提供机械稳固和电稳固的电子式接触透镜。

由于这些透镜是动力式透镜，所以用于运行电子器件的能量或更具体地电流消耗是令人关注的在眼科透镜规模上给出的电池技术。除正常电流消耗之外，这种性质的电力装置或系统通常需要待机电流储备、精确电压控制和转换能力，以确保在可能宽范围的操作参数下操作，以及脉冲消耗，例如在潜在地保持闲置数年后，单次充电后至多十八(18)小时。因此，需要如下的系统，所述系统在提供所需电能的同时，对于低成本、长期可靠服务、安全性和尺寸是最优化的。

此外，由于动力式透镜相关联的功能的复杂性以及包括动力式透镜在内的所有组件之间的高水平相互作用，需要协调和控制构成动力式眼科透镜的电子器件和光学器件的总体操作。因此，需要控制安全、低成本且可靠的所有其它组件的操作的系统，该系统具有低功耗速率，并且可扩展为用于结合到眼科透镜中。

动力式或电子式眼科透镜可能必须考虑到个体利用动力式或电子式眼科透镜所产生的某些独特生理功能。更具体地，动力式透镜可能必须考虑到眨眼，包括给定时间周期中眨眼的次数、眨眼的持续时间、眨眼之间的时间以及任何次数的可能眨眼模式，例如，如果个体正在打瞌睡。眨眼检测也可用于提供某些功能，例如，眨眼可用作控制动力式眼科透镜的一个或多个方面的方式。另外，确定眨眼时必须考虑到外部因素，例如光强度水平的变化，以及人眼睑闭合时的可见光量。例如，如果室内具有介于五十四(54)和一百六十一(161)勒之间的照明度，则光传感器的灵敏度应足以检测人眨眼时发生的光强度变化。

环境光传感器或光传感器用于多个系统和产品中，例如用于电视机上以便根据室内光线调整亮度，用于灯上以便在黄昏时分开启，以及用于电话上以便调整屏幕亮度。然而，这些目前使用的传感器系统还不够小和/或不具有足够低的功耗以用于结合到接触透镜中。

还重要的是应注意，不同类型的眨眼检测器可使用针对人眼睛的计算机视觉系统(例如计算机中的数字化相机)来实现。在计算机上运行的软件可识别视觉图案，例如睁眼和闭眼。这些系统可用于眼科临床环境中以用于诊断目的和研究。与上述检测器和系统不同的是，这些系统旨在避开眼睛使用，以及观察而非将视线从眼睛移开。虽然对于结合到接触透镜而言这些系统还不够小，但所用软件可能类似于可结合动力式接触透镜工作的软件。两种系统中的任一者可结合人工神经网络的软件实现，所述网络从输入中获得信息，并因此调整它们的输出。或者，结合统计学、其它自适应算法和/或信号处理的基于非生物的软件实现可用于创建智能系统。

因此，需要用于检测某些生理功能(例如眨眼)的装置和方法，以及利用这些装置和方法根据传感器检测到的眨眼序列类型激活和/或控制电子式或动力式眼科透镜。所用的传感器的尺寸和配置必须适于在接触透镜中使用。

发明内容

根据本发明的眨眼检测算法克服了如上简述的与现有技术相关联的局限性。更具体地，本发明的眨眼检测算法能够分辨正常眨眼模式和独特目的的眨眼模式，以便控制动力式眼科透镜中的功能。本发明的眨眼检测算法也能够集成到接触透镜中。

根据一个方面，本发明涉及用于检测眨眼和眨眼模式的方法。所述方法包括以下步骤：以预定速率对入射在个体眼睛上的光取样并且至少暂时保存收集的样本，确定眼睑何时打开或闭合以便预测来自收集的样本的眨眼次数、时间周期和脉冲宽度，计算给定时间周期中眨眼的次数和眨眼的持续时间，以及将给定时间周期中眨眼的次数、眨眼的持续时间、以及给定时间周期中眨眼之间的时间与代表一种或多种预定的有意眨眼序列的存储的样本组比较以确定眨眼模式，以及确定眨眼是否对应于预定的有意眨眼序列中的一种或多种。

根据另一个方面，本发明涉及用于检测眨眼和眨眼模式的系统。所述系统包括配置成输出与入射在眼睛上的光的强度对应的信号的光检测器、配置成接收来自光检测器的信号并配置成提高其功率电平以进一步处理产生对应于入射在眼睛上的光的放大信号的放大器，以及配置成接收所放大的信号的处理器，所述处理器以预定速率取样并且至少暂时保存收集的样本，确定眼睑何时打开或闭合以便预测来自收集的样本的眨眼次数、时间周期和脉冲宽度，计算给定时间周期中眨眼的次数和眨眼的持续时间，将给定时间周期中眨眼的次数、眨眼的持续时间、以及给定时间周期中眨眼之间的时间与存储的样本组比较以确定眨眼模式，以及确定眨眼是否对应于一种或多种有意眨眼序列。

本发明涉及包括电子系统的动力式接触透镜，所述系统执行多种功能，包括致动可变焦光学器件(如果包括的话)。所述电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电源管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动电路。

对动力式眼科透镜的控制可通过与透镜无线通信的手动操作的外部装置(例如手持远程单元)来实现。或者，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自佩戴者的反馈或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。根据眨眼的模式或顺页序，动力式眼科透镜可改变状态(例如其屈光力)以聚焦在近距物体或远距物体上。

眨眼检测算法是检测眨眼特性的系统控制器的组件，所述眨眼特性例如眼睑是打开还是闭合、眨眼打开或闭合的持续时间、眨眼间隔持续时间、以及给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的示例性算法依赖于以某一取样率对入射在眼睛上的光取样。保存预定眨眼模式，并将其与入射光样本的最近历史比较。当模式匹配时，眨眼检测算法触发系统控制器中的活动，例如，激活透镜驱动器以改变透镜的屈光力。

本发明的眨眼检测算法和相关联的电路优选在相当宽的照明条件范围内运作，并且优选能够从无意眨眼中分辨有意眨眼序列。还优选的是，需要简单培训以利用有意眨眼来激活和/或控制动力式眼科透镜。本发明的眨眼检测算法和相关联的电路提供了通过动力式或电子式接触透镜检测眨眼的安全、低成本且可靠的装置和方法，该装置和方法还具有低功耗速率，并且可扩展以用于结合到眼科透镜中，以用于激活或控制动力式或电子式眼科透镜中的至少一种。

附图说明

以下是附图所示的本发明优选实施例的更为具体的说明，通过这些说明，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。

图1示出了示例性接触透镜，其包括根据本发明的一些实施例的眨眼检测系统。

图2示出了入射在眼睛表面上的光对时间的图示，其示出了以各种光强度水平对时间记录的可能无意眨眼模式，以及基于根据本发明的最大和最小光强度水平之间的一些点的可用阈值级别。

图3是根据本发明的眨眼检测系统的示例性状态转换图。

图4是用于根据本发明对接收到的光信号检测和取样的光检测路径的图示。

图5是根据本发明的数字调节逻辑的方框图。

图6是根据本发明的数字检测逻辑的方框图。

图7是根据本发明的示例性时序图。

图8是根据本发明的数字系统控制器的图示。

图9是根据本发明自动增益控制的示例性时序图。

图10是根据本发明的示例性集成电路管芯上的遮光区域和透光区域的图示。

图11是示例性电子插件的图示，其包括用于根据本发明的动力式接触透镜的眨眼检测器。

具体实施方式

常规的接触透镜为具有特定形状的聚合物结构，以如上所简述的矫正各种视力问题。为了获得增强的功能，各种电路和组件可集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、电源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可经由定制构建的光电组件集成到接触透镜，以便不仅矫正视力，还提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以经由放大和缩小或者仅简单地改变透镜的折射能力而提供提高的视力。电子式和/或动力式接触透镜可经设计用以提高颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转换成字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。透镜可经设计用以允许佩戴者在低光条件下视物。透镜上经适当地设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦点光学透镜的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示装置，并且甚至提供唤醒警示。作为另一种选择或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触透镜可结合有用于非入侵性监测佩戴者的生物标记物的组件和健康指示器。例如，通过分析泪液膜的成分，内置于透镜中的传感器可允许糖尿病患者监视血糖水平，而不需要抽血。此外，经适当地配置的透镜可结合有用于监测胆固醇、钠和钾水平的传感器以及其它生物标记物。这与无线数据发送器结合可允许医师能够几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室进行抽血。此外，内置于透镜中的传感器可用于检测入射在眼睛上的光，以补偿环境光条件，或在确定眨眼模式中使用。

本发明的动力式或电子式接触透镜包括必要元件，以矫正和/或提高具有一种或多种上述视力缺陷的患者的视力，或者以其它方式执行有用的眼科功能。此外，电子式接触透镜仅可用来提高正常的视力，或者提供如上所述的种种功能。电子式接触透镜可包括可变焦点光学透镜，嵌入到接触透镜中的组装前光学器件，或者仅简单地嵌入任何合适功能的电子器件而没有透镜。本发明的电子式透镜可结合到任何数量的上述接触透镜中。此外，眼内透镜也可结合本文所述的各种组件和功能。然而，为了容易解释，本发明将集中于用于矫正视力缺陷的单次使用的日抛型电子式接触透镜。

本发明可用于包括电子系统的动力式眼科透镜或动力式接触透镜中，该电子系统致动可变焦光学器件或任何其它配置成实现可被执行的任何数量的多种功能的一种或多种装置。该电子系统包括一个或多个电池或其它电源、电源管理电路、一个或多个传感器、时钟产生电路、控制算法和电路、以及透镜驱动电路。这些组件的复杂性可根据所需或要求的透镜功能而变化。

对电子式或动力式眼科透镜的控制可通过与透镜通信的手动操作的外部装置(例如手持远程单元)来实现。例如，遥控发射器(fob)可基于来自佩戴者的人工输入与动力式透镜无线通信。作为另外一种选择，对动力式眼科透镜的控制可通过直接来自佩戴者的反馈或控制信号来实现。例如，内置于透镜中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。根据眨眼的模式或顺页序，动力式眼科透镜可改变状态(例如其屈光力)以聚焦到近距物体或远距物体上。

作为另外一种选择，动力式或电子式眼科透镜中的眨眼检测可用于其它各种用途，其中存在使用者和电子式接触透镜之间的相互作用，例如激活另一个电子装置，或向另一个电子装置发送命令。例如，眼科透镜中的眨眼检测可与计算机上的相机结合使用，其中相机跟踪眼睛在计算机屏幕上的移动位置，以及使用者何时执行其检测的眨眼序列，这引起鼠标指针执行命令，例如双击项目、突出显示项目、或选择菜单项目。

眨眼检测算法是检测眨眼特性的系统控制器的组件，所述眨眼特性例如眼睑是打开还是闭合、眨眼的持续时间、眨眼间隔持续时间、以及给定时间周期中的眨眼次数。根据本发明的算法依赖于以某一取样率对入射在眼睛上的光取样。保存预定眨眼模式，并将其与入射光样本的最近历史比较。当模式匹配时，眨眼检测算法可触发系统控制器中的活动，例如，以激活透镜驱动器改变透镜的屈光力。

眨眼是眼睑的迅速闭合和打开，并且是眼睛的基本功能。眨眼保护眼睛不受外来物体的侵害，例如当物体意外地出现在眼睛附近时的个体眨眼。眨眼通过散布泪液在眼睛前表面上提供润滑作用。眨眼也用于从眼睛移除污染物和/或刺激物。通常，眨眼是自动完成的，但在有刺激物的情况下外来刺激物可能促使眨眼发生。然而，眨眼也可以是有目的的，例如，对于不能口头交流或用手势交流的个体，能够眨一次眼以表示赞同，并眨两次眼以表示反对。本发明的眨眼检测算法和系统利用不会与正常眨眼响应混淆的眨眼模式。换句话讲，如果眨眼被用作用于控制行为的方式，则为给定行为选择的特定模式不能随机发生；否则，可能出现无意的行为。由于眨眼速度可能受到多种因素影响，包括疲劳、眼损伤、药物和疾病，因此控制目的的眨眼模式优选是影响眨眼的这些和任何其它变量的原因。无意眨眼的平均长度在约一百(100)至四百(400)毫秒的范围内。成年男性和女性的平均眨眼速率为每分钟十(10)次无意眨眼，并且无意眨眼之间的平均时间为约0.3至七十(70)秒。

眨眼检测算法的示例性实施例可概括为以下步骤。

1.定义使用者将针对积极眨眼检测执行的有意“眨眼序列”。

2.以与检测眨眼序列和拒绝无意眨眼一致的速率对入射光水平取样。

3.将取样光水平的历史与如通过眨眼模板值所定义的预期“眨眼序列”比较。

4.任选地实施眨眼“掩蔽”顺页序，以指示在比较期间(如，转换附近)被忽略的模板部分。这可允许使用者偏离所需“眨眼序列”，例如从错误窗口加或减一(1)，其中可能发生透镜激活、控制和聚焦变化中的一者或多者。另外，这可允许眨眼序列的使用者时序发生变化。

示例性眨眼序列可定义如下：

1.眨眼(闭合)0.5s

2.睁开0.5s

3.眨眼(闭合)0.5s

在一百(100)毫秒的取样率下，二十(20)个样本的眨眼模板由下式给出：

blink_template＝[1，1，1，0，0，0，0，0，1，1，1，1，1，0，0，0，0，0，1，1]。

“眨眼掩蔽”被定义为恰好在转换后遮住样本(0至遮住或忽略样本)，并且由下式给出：

blink_mask＝[1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，1，1，1，1，0，1]。

任选地，可遮住更宽的转换区域，以允许更多的时序不确定性，并且由下式给出：

blink_mask＝[1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，0，1]。

可实施替代模式，如单次长时间眨眼，在这种情况下1.5s眨眼具有24个样本的模板，由下式给出：

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]。

还重要的是应注意，上述例子仅用于示例性目的，并不代表特定的数据集。

检测可通过将样本的历史与模板和掩蔽进行逻辑比较来实现。逐位逻辑操作将对模板和样本历史顺页序进行“异或”(XOR)运算，然后证实所有未掩蔽的历史位与模板匹配。例如，如上面的眨眼掩蔽样本所示出，在值为逻辑1的眨眼掩蔽顺页序的每个位置中，眨眼必须与顺页序的该位置中的眨眼掩蔽模板匹配。然而，在值为逻辑0的眨眼掩蔽顺页序的每个位置中，眨眼不必与顺页序的该位置中的眨眼掩蔽模板匹配。例如，可利用如

中编码的以下Boolean算法公式。

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

其中test_sample为样本历史。匹配值为具有与眨眼模板、样本历史和blink_mask相同长度的序列。如果匹配序列均为逻辑1，则实现了良好匹配。将其分解，not(xor(blink_template，test_sample))对于每个失配得到逻辑0，并且对于每个匹配得到逻辑1。具有翻转掩蔽的逻辑“或”迫使匹配顺页序中的每个位置达到逻辑1，在此处掩蔽为逻辑0。因此，在眨眼掩蔽模板中其值被指定为逻辑0的位置越多，与允许个人眨眼相关联的误差界限就越大。

是高级程序语言，可实现数值计算、可视化和编程，并且是马萨诸塞州内迪克的迈斯沃克公司(MathWorks(Natick，Massachusetts)的产品。同样重要的是应注意，眨眼掩蔽模板中逻辑0的数量越多，与预期或预定的眨眼模式匹配的假阳性可能性就越大。应当理解，可将多种预期或预定的眨眼模式编程到每次具有一种或多种行为的装置中。更具体地，多个预期或预定的眨眼模式可用于相同的目的或功能，或用于实现不同或替代的功能。例如，一种眨眼模式可用于引起透镜在预定物体上放大或缩小，而另一种眨眼模式可用于引起透镜上的另一个装置(例如泵)递送一剂治疗剂。

图1以方框图形式示出了接触透镜100，其包括根据本发明示例性实施例的电子眨眼检测器系统。在该示例性实施例中，电子眨眼检测器系统可包括光传感器102、放大器104、模数转换器(或ADC)106、数字信号处理器108、电源110、致动器112和系统控制器114。

当接触透镜100置于使用者眼的前表面上时，眨眼检测器系统的电子电路可用于实现本发明的眨眼检测算法。光传感器102，以及其它电路配置成检测由使用者眼睛产生的眨眼和/或各种眨眼模式。

在该示例性实施例中，光传感器102可嵌入到接触透镜100中并接收环境光101，将入射光子转变成电子，从而产生流入放大器104中的电流(用箭头103表示)。光传感器或光电探测器102可包括任何合适的装置。在一个示例性实施例中，光传感器102包括光电二极管。在优选的示例性实施例中，光电二极管以互补金属氧化物半导体(CMOS处理技术)实现，以增强集成能力并减小光传感器102和其它电路的总体尺寸。电流103与入射光水平成比例，并且当光电探测器102被眼睑覆盖时显著减小。放大器104产生与输入成比例的具有增益的输出，并且可用作将输入电流转换成输出电压的互阻抗放大器。放大器104可将信号放大到系统的其余部分可用的水平，例如使信号获得ADC106所能捕获的足够电压和功率。例如，由于光传感器102的输出可能相当小，并且可能在弱光环境中使用，所以放大器对于驱动后续的方框可能是必须的。放大器104可实现为可变增益放大器，其增益可通过反馈布置中的系统控制器114进行调节，从而使系统的动态范围最大化。除了提供增益之外，放大器104还可包括其它模拟信号调节电路，例如适合于光传感器102和放大器104输出的过滤和其它电路。放大器104可包括用于放大和调节光传感器102的信号输出的任何合适的装置。例如，放大器104可仅包括单个运算放大器或包括一个或多个运算放大器的更为复杂的电路。如上所示，光传感器102和放大器104配置成基于通过眼睛接收的入射光强度检测和隔离眨眼序列，并且将输入电流转换成系统控制器114最终可使用的数字信号。系统控制器114优选地被预编程或预配置成识别各种光强度水平条件下的各种眨眼序列和/或眨眼模式，并且为致动器112提供适当的输出信号。系统控制器114还包括相关联的存储器。

在该示例性实施例中，ADC106可用于将来自放大器104的连续模拟信号输出转换成适合于进行进一步信号处理的取样数字信号。例如，ADC106可将来自放大器104的模拟信号输出转换成后续或下游电路(例如数字信号处理系统或微处理器108)可使用的数字信号。数字信号处理系统或数字信号处理器108可用于数字信号处理，包括过滤、处理、检测和操纵/处理取样数据中的一者或多者，以允许入射光检测以供下游使用。数字信号处理器108可使用上述的眨眼序列和/或眨眼模式进行预编程。数字信号处理器108还包括相关联的存储器。数字信号处理器108可利用模拟电路、数字电路、软件或其组合实现。在示出的示例性实施例中，它以数字电路实现。ADC106连同相关联的放大器104和数字信号处理器108一起以与前述取样率一致的合适速率(例如每一百(100)毫秒)激活。

电源110为包括眨眼检测系统的多个组件供应电力。电力可由电池、能量采集器或本领域普通技术人员已知的其它合适的装置供应。基本上，任何类型的电源110均可用于为系统的所有其它组件提供可靠的电力。眨眼序列可用于改变系统和/或系统控制器的状态。此外，系统控制器114可根据来自数字信号处理器108的输入控制动力式接触透镜的其它方面，例如通过致动器112改变电子式控制透镜的焦点或屈光力。

系统控制器114使用来自光传感器链即光传感器102、放大器104、ADC106和数字信号处理系统108的信号，以将取样的光水平与眨眼激活模式比较。参见图2，其示出了以各种光强度水平对时间的关系记录的眨眼模式样本的图示和可用的阈值水平。因此，考虑各种因素可减轻和/或防止对入射在眼睛上的光取样时在检测眨眼中的误差，例如考虑不同位置中和/或执行各种活动时光强度水平的变化。另外，当对入射在眼睛上的光取样时，考虑环境光强度的变化可能对眼睛造成的影响，并且眼睑也可减轻和/或防止检测眨眼中的误差，例如当眼睑在低强度光水平和高强度光水平下闭合时其阻挡的可见光量。换句话讲，为了避免将错误的眨眼模式用于控制，优选地考虑环境光水平，如将在下面更详细地解释。

例如，在研究中，已经发现的是眼睑平均阻挡大约百分之九十九(99％)的可见光，但在较低波长下，更少的光趋向于透过眼睑，此时眼睑阻挡大约99.6％的可见光。在较长的波长下，朝着光谱的红外段，眼睑可能仅阻挡百分之三十(30％)的入射光。然而，重要的是应注意不同频率、波长和强度的光可以不同的效率透过眼睑。例如，当看着明亮光源时，个体可通过其闭合的眼睑看到红光。基于个体差异，例如个体的皮肤色素沉淀，眼睑阻挡的可见光的量也可能有变化。如图2中所示出，在横跨各种照明度下的眨眼模式的数据样本在七十(70)秒时间间隔的过程中进行模拟，其中在模拟的过程中记录了透过眼睛的可见光强度水平，并示出了可用的阈值。阈值设定在可见光强度的峰值至峰值之间的值处，记录该值的目的在于确定在光强度水平变化的模拟过程中的样本眨眼模式。在跟踪随时间推移的平均光水平并调整阈值的同时具备对眨眼模式进行预编程的能力对于能够检测个体眨眼的时间可能是至关重要的，这与个体未眨眼时和/或仅在某些区域中存在光强度水平的变化的情况完全不同。

现在再次参见图1，在其它可供选择的示例性实施例中，系统控制器114可接收来自源的输入，所述源包括眨眼检测器、眼肌传感器和遥控发射器控制器中的一者或多者。作为一般性原则，激活和/或控制系统控制器114的方法可能需要使用一种或多种激活方法对于本领域的技术人员可能是显而易见的。例如，电子式或动力式接触透镜可针对个体使用者进行编程，例如当执行各种行为时(例如聚焦到远处物体上或聚焦到近处物体上时)对透镜进行编程以识别个体的眨眼模式和个体的睫状肌信号两者。在一些示例性实施例中，使用多于一种的方法来激活电子式接触透镜(例如眨眼检测和睫状肌信号检测)可能在接触透镜激活之前使得每种方法能够用另一方法进行交叉检验。交叉检验的优点可能包括减轻假阳性，例如将无意触发透镜激活的可能性降至最低。在一个示例性实施例中，交叉检验可能涉及投票方案，其中在任何行为发生之前需满足一定数量的条件。

致动器112可包括基于接收的命令信号实现特定行为的任何合适的装置。例如，如果眨眼激活模式与上述取样光水平相比是匹配的，则系统控制器114可使能致动器112，例如可调光电子式或动力式透镜。致动器112可包括电气装置、机械装置、磁性装置或其任何组合。除接收来自电源110的电力之外，致动器112还接收来自系统控制器114的信号，并且基于来自系统控制器114的信号产生一些行为。例如，如果系统控制器114信号是佩戴者试图聚焦到近处物体上的指示，则致动器112可用于(例如通过动态多液体光学区域)改变电子式眼科透镜的屈光力。在供选择的示例性实施例中，系统控制器114可输出指示治疗剂应递送至眼睛的信号。在该示例性实施例中，致动器112可包括泵和贮存器，例如微机电系统(MEMS)泵。如上所示，本发明的动力式透镜可提供各种功能；因此，一个或多个致动器可被不同地配置以实现功能。

图3示出了根据本发明的眨眼检测算法的示例性眨眼检测系统的状态转换图300。系统在IDLE状态302开始启动，等待使能信号bl_go置位。当使能bl_go信号(例如)通过振荡器和控制电路(该电路以与眨眼取样率相当的一百(100)毫秒速率脉冲bl_go)发生时，状态机转换到WAIT_ADC状态304，其中ADC能够将接收的光水平转换成数字值。ADC置位adc_done信号，以指示其操作完结，并且系统或状态机转换到SHIFT状态306。在SHIFT状态306中，系统将最近接收的ADC输出值推送到移位寄存器上，以保持眨眼样本的历史。在一些示例性实施例中，首先将ADC输出值与阈值比较，从而提供样本值的一位(1或0)，以便最小化储存要求。然后，系统或状态机转换到COMPARE状态308，其中样本历史移位寄存器中的值与一个或多个眨眼序列模板和掩蔽比较，如上所述。如果检测到匹配，则可发出一个或多个输出信号，例如一个切换透镜驱动器的状态的信号bl_cp_toggle，或者通过动力式眼科透镜执行任何其它功能。然后，系统或状态机转换到DONE状态310，并且置位bl_done信号以指示其操作完结。

图4示出了示例性光传感器或光电探测器信号路径pd_rx_top，该路径可用于对接收的光水平进行检测和取样。信号路径pd_rx_top可包括光电二极管402、互阻抗放大器404、自动增益和低通滤波阶段406(AGC/LPF)和ADC408。adc_vref信号从电源110(参见图1)输入到ADC408，或作为另外一种选择其可由模数转换器408内部的专用电路提供。来自ADC408的输出adc_data传送到数字信号处理和系统控制器方框108/114(参见图1)。虽然在图1中示出为单独的方框108和114，但为了便于解释，数字信号处理和系统控制器优选地以单个方框410实现。使能信号adc_en、起始信号adc_start和复位信号adc_rst_n由数字信号处理和系统控制器410接收，而完结信号adc_complete传送到该处。时钟信号adc_clk可由信号路径pd_rx_top外部的时钟源接收，或由数字信号处理和系统控制器410接收。重要的是应注意，adc_clk信号和系统时钟可在不同的频率下运行。还重要的是应注意，可根据本发明利用任何数量的不同ADC，其可具有不同的界面和控制信号，但其执行提供光传感器信号路径模拟部分输出的取样数字表示的类似功能。光检测使能pd_en和光检测增益pd_gain由数字信号处理和系统控制器410接收。

图5示出了数字调节逻辑500的方框图，该数字调节逻辑可用于将接收的ADC信号值adc_data降低至一位值pd_data。数字调节逻辑500可包括用以接收来自光检测信号路径pd_rx_top的数据adc_data的数字寄存器502，以提供信号adc_data_held上的保持值。数字寄存器502配置成当adc_complete信号发出时接受adc_data信号上的新值，并且当接收到adc_complete信号时，保持最后的接受值。这样，一旦数据锁存，系统就可禁用光检测信号路径，以降低系统电流消耗。然后，可在阈值产生电路504中，例如通过积分陡落平均法(integrate-and-dump average)或数字逻辑中实现的其它求平均值法对保持数据值取平均数，以产生信号pd_th上的一个或多个阈值。然后，保持数据值可通过比较器506与一个或多个阈值进行比较，以产生信号pd_data上的一位数据值。应当理解，比较操作可采用滞后或与一个或多个阈值的比较，以使输出信号pd_data上的噪声最小化。数字调节逻辑还可包括增益调整方框pd_gain_adj508，以如图4中所示的通过信号pd_gain根据计算的阈值和/或根据保持数据值设置光检测信号路径中自动增益和低通滤波阶段406的增益。还重要的是应注意，在该示例性实施例中，6位字在眨眼检测的动态范围内提供了足够的分辨率，同时将复杂性降至最低。

在一个示例性实施例中，阈值产生电路504包括峰值检测器、谷值检测器和阈值计算电路。在该示例性实施例中，阈值和增益控制值可如下产生。峰值检测器和谷值检测器配置成接收信号adc_data_held上的保持值。峰值检测器还配置成提供输出值pd_pk，该值迅速追踪adc_data_held值的增加，并且如果adc_data_held值减小则缓慢回落。该操作类似于如电领域中所熟知的经典二极管包络探测器的操作。谷值检测器还配置成提供输出值pd_vl，该值迅速追踪adc_data_held值的减小，并且如果adc_data_held值增加则缓慢回落至较高值。谷值检测器的操作也类似于二极管包络检测器，其中放电电阻器与正电源电压相关联。阈值计算电路配置成接收pd_pl和pd_vl值，并还配置成基于pd_pk和pd_vl值的平均值计算中点阈值pd_th_mid。阈值产生电路504基于中点阈值pd_th_mid提供阈值pd_th。

阈值产生电路504还可适于响应pd_gain值的变化更新pd_pk和pd_vl水平的值。如果pd_gain值增大一步，则pd_pk和pd_vl值增大到原来的x倍，其中x等于光检测信号路径中的预期增益增加。如果pd_gain值减小一步，则pd_pk和pd_val值减小到原来的1/x，其中x等于光检测信号路径中的预期增益减小。这样，分别如在pd_pk和pd_vl值中保持的峰值检测器和谷值检测器的状态，以及如由pd_pk和pd_vl值计算的阈值pd_th得以更新，以匹配信号路径增益的变化，从而避免仅由光检测信号路径增益的有意改变导致的状态或值的不连续或其它变化。

在阈值产生电路504的其它示例性实施例中，阈值计算电路还可配置成基于pd_pk值的比例或百分比计算阈值pd_th_pk。在优选的示例性实施例中，pd_th_pk可有利地配置成pd_pk值的八分之七，该计算可通过简单右移三位和如相关领域中熟知的减法实现。阈值计算电路可选择pd_th_mid和pd_th_pk中的较小者作为阈值pd_th。这样，pd_th值将永远不会等于pd_pk值，甚至在可能导致pd_pk和pd_vl值相等的持续光照长期入射在光电二极管上之后。应当理解，pd_th_pk值确保在长的时间间隔后眨眼的检测。阈值产生电路的行为在图9中进一步示出，如随后所讨论的。

图6示出了数字检测逻辑600的方框图，该数字检测逻辑可用于实现根据本发明实施例的示例性数字眨眼检测算法。数字检测逻辑600可包括适于接收来自光检测信号路径pd_rx_top(图4)或来自数字调节逻辑(图5)的数据的移位寄存器602，如此处在具有一位值的信号pd_data上所示出。移位寄存器602保持接收的样本值的历史，此处在24位寄存器中保持。数字检测逻辑600还包括比较方框604，其适于接收样本历史、以及一个或多个眨眼模板bl_tpl与眨眼掩蔽bl_mask，并且配置成指示与一个或多个模板以及一个或多个输出信号上的掩蔽匹配，该匹配可保持以供以后用。比较方框604的输出通过D触发器606锁存。数字检测逻辑600还可包括计数器608或抑制逐次比较的其它逻辑，所述逐次比较可在由于掩蔽操作而设置在小移位处的同一样本历史上。在优选的示例性实施例中，发现阳性匹配后样本历史将被清除或复位，因此在能够识别后续匹配之前需要对完整的新建匹配眨眼序列取样。数字检测逻辑600还可进一步包括状态机或类似的控制电路，以提供控制信号给光检测信号路径和ADC。在一些示例性实施例中，控制信号可通过独立于数字检测逻辑600的控制状态机产生。该控制状态机可为数字信号处理和系统控制器410的一部分。

图7示出了由眨眼检测子系统向光检测信号路径中使用的ADC408(图4)提供的控制信号的时序图。使能信号和时钟信号adc_en、adc_rst_n和adc_clk在样本顺页序的起始处被激活，并持续到模数转换过程完结。在一个示例性实施例中，当脉冲提供在adc_start信号上时启动ADC转换过程。ADC输出值保持在adc_data信号中，并且过程的完结由adc_complete信号上的模数转换器逻辑指示。图7中还示出了用于在ADC之前设置放大器增益的pd_gain信号。该信号示出为在允许模拟电路偏压和信号水平在转换之前稳定的暖机时间之前进行设置。

图8示出了包括数字眨眼检测子系统dig_blink802的数字系统控制器800。数字眨眼检测子系统dig_blink802可通过主状态机dig_master804控制，并且可适于接收来自数字系统控制器800外部的时钟发生器clkgen806的时钟信号。数字眨眼检测子系统dig_blink802可适于为上述光检测子系统提供控制信号，并且接收来自该光检测子系统的信号。除了用于控制眨眼检测算法中操作顺页序的状态机之外，数字眨眼检测子系统dig_blink802还可包括上述数字调节逻辑和数字检测逻辑。数字眨眼检测子系统dig_blink802可适于接收来自主状态机804的使能信号，并且提供完结或完成指示和眨眼检测指示返回主状态机804。

图9提供了波形(图9A-9G)，以示出阈值产生电路和自动增益控制(图5)的操作。图9A示出了光电流对时间的关系的例子，该关系如通过光电二极管响应不同光水平提供。在图的第一部分中，光水平和所得的光电流与图的第二部分相比相对低。在图的第一部分和第二部分两者中，均看到了双重眨眼减小光和光电流的现象。注意到，通过眼睑减弱光可能不为百分之百(100％)，而可能是由眼睑对于入射在眼睛上的光的波长的透射特性所决定的较低值。图9B示出了捕集到的响应于图9A的光电流波形的adc_data_held值。为简单起见，将adc_data_held值以连续模拟信号而非一系列不连续的数字样本示出。应当理解，数字样本值将对应于图9B中在相应的取样时间处示出的水平。图的顶部和底部处的虚线表示adc_data和adc_data_held信号的最大值和最小值。最小值和最大值之间的范围也称为adc_data信号的动态范围。如下面所讨论，光检测信号路径增益不同于(低于)图的第二部分中的增益。一般来讲，adc_data_held值与光电流成正比，并且增益变化仅影响定额或比例常数。图9C示出了pd_pk、pd_vl和pd_th_mid值，其通过阈值产生电路响应adc_data_held值计算。图9D示出了pd_pk、pd_vl和pd_th_pk值，其在阈值产生电路的一些示例性实施例中，响应adc_data_held值计算。注意到，pd_th_pk值总是与pd_pk值成一定比例。图9E示出了adc_data_held值以及pd_th_mid和pd_th_pk值。注意到，在很长一段时间内，当pd_vl值回落到同一水平时，adc_data_held值相对恒定，且pd_th_mid值变得与adc_data_held值相等。pd_th_pk值总是比adc_data_held值低一些。图9E还示出了对pd_th的选择，其中pd_th值被选择为pd_th_pk和pd_th_mid中的较低者。这样，阈值总是设置为与pd_pk值存在一定距离，从而避免由于光电流和adc_data保持信号上的噪声而造成的pd_data的假跃迁。图9F示出了通过adc_data_held值与pd_th值的比较产生的pd_data值。注意到，pd_data信号是眨眼发生时较低的双值信号。图9G示出了这些示例波形的tia_gain值对时间的关系。当pd_th开始超过图9E中以agc_pk_th示出的高阈值时，tia_gain的值被设置为较低。应当理解，当pd_th开始降至低于低阈值时，出现类似的升高tia_gain的行为。再次查看图9A至9E中每一个的第二部分，较低tia_gain的影响是清晰的。尤其注意到，adc_data_held值维持在adc_data和adc_data_held信号的动态范围的中值附近。此外，重要的是应注意，pd_pk和pd_vl值根据上述的增益变化更新，使得避免仅仅由于光检测信号路径增益的变化而在峰值和谷值检测器的状态和值中出现不连续。

图10示出了集成电路管芯1000上的示例性遮光结构和透光结构。集成电路管芯1000包括透光区域1002、遮光区域1004、接合焊盘1006、钝化开口1008和遮光层开口1010。透光区域1002位于光传感器(未示出)上方，所述光传感器例如用半导体工艺实现的光电二极管阵列。在优选的示例性实施例中，透光区域1002允许尽可能多的光到达光传感器，从而使灵敏度最大化。这可通过移除多晶硅、金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺和光感受器上的其它层完成，如在用于制造的半导体工艺中或在后处理中所允许。透光区域1002也可接收其它特殊处理以优化光检测，例如减反射涂层、滤光片和/或扩散片。遮光区域1004可覆盖管芯上的不需要曝光的其它电路。其它电路的性能可能被光电流(例如需要并入如前面所述的接触透镜的超低电流电路中的移位偏置电压和振荡频率)劣化。遮光区域1004优选地由薄的不透明反射材料形成，例如铝或铜已用于半导体晶片处理和后处理。如果用金属实现，则形成遮光区域1004的材料必须与下面的电路以及接合焊盘1006绝缘，以防止短路情况。此类绝缘可由管芯上存在的钝化提供，该钝化作为正常晶片钝化的一部分，例如氧化物、氮化物和/或聚酰亚胺，或由在后处理期间添加的其它电介质提供。掩蔽允许存在遮光层开口1010，使得导电遮光金属不与管芯上的接合焊盘重叠。遮光区域1004被附加的电介质覆盖或被钝化以保护管芯，并且在管芯附接期间避免短路。该最终钝化具有钝化开口1008，以允许连接到接合焊盘1006。

图11示出了具有电子插件的示例性接触透镜，其包括根据本发明实施例的眨眼检测系统。接触透镜1100包括柔软的塑性部分1102，该部分包括电子插件1104。该插件1104包括通过电子器件激活(例如，根据激活聚焦到近处或远处)的透镜1106。集成电路1108安装到插件1104上，并且连接到电池1110、透镜1106、以及系统所必需的其它组件。集成电路1108包括光传感器1112和相关联的光电探测器信号路径电路。光传感器1112穿过透镜插件面向外，并且远离眼睛，并因此能够接收环境光。光传感器1112可在集成电路1108(如所示出)上，例如作为单个光电二极管或光电二极管的阵列实现。光传感器1112也可作为安装到插件1104上并与布线迹线1114连接的单独的装置实现。当眼睑闭合时，包括光电探测器1112在内的透镜插件1104被覆盖，从而减少入射在光电探测器1112上的光水平。光电探测器1112能够测量环境光，以确定使用者是否正在眨眼。

眨眼检测算法的附加实施例可允许持续时间和眨眼序列间隔的更多变化，例如通过基于测量的第一次眨眼的结束时间测定第二次眨眼的起始时间，而不是通过使用固定模板或通过使掩蔽“无关”间隔(0值)变宽。

应当理解，眨眼检测算法可在数字逻辑中或在运行于微控制器上的软件中实现。算法逻辑或微控制器可在具有光检测信号路径电路和系统控制器的单个专用集成电路(ASIC)中实现，或其可横跨度多于一个的集成电路进行分配。

重要的是应注意，本发明的眨眼检测系统具有比视觉诊断、视觉矫正和视觉增强更宽的用途。这些更宽的用途包括对于具有生理缺陷的个体，可利用眨眼检测控制多种功能。眨眼检测可设置为在眼睛上使用或避开眼睛使用。

尽管所示出并且描述的据信是最为实用和优选的实施例，但显然，对所述和所示的具体设计和方法的变更对本领域中的技术人员来说不言自明，并且可在不脱离本发明的实质和范围的条件下使用所述变更。本发明并非局限于所述和所示的具体构造，而是应该理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。

Claims (6)

1. 一种用于检测眨眼和眨眼模式的方法，所述方法包括：

以预定速率对入射在个体眼睛上的光取样并且至少暂时保存收集的样本；

确定眼睑何时打开或闭合以便预测来自所述收集的样本的所述眨眼的次数、时间周期和脉冲宽度；

计算给定时间周期中眨眼的次数和所述眨眼的持续时间；

将所述给定时间周期中眨眼的次数、所述眨眼的持续时间、以及所述给定时间周期中眨眼之间的时间与代表一种或多种预定的有意眨眼序列的存储的样本组比较以确定眨眼模式；以及

确定所述眨眼是否对应于所述预定的有意眨眼序列中的一种或多种。

2. 根据权利要求1所述的用于检测眨眼和眨眼模式的方法，还包括基于所述一种或多种有意眨眼序列控制装置的步骤。

3. 根据权利要求2所述的用于检测眨眼和眨眼模式的方法，其中控制装置的所述步骤包括激活和控制电子式眼科透镜。

4. 一种用于检测眨眼和眨眼模式的系统，所述系统包括：

光检测器，所述光检测器配置成输出对应于入射在眼睛上的光的强度的信号；

放大器，所述放大器配置成接收来自所述光检测器的所述信号并配置成提高其功率电平以进一步处理产生对应于入射在所述眼睛上的所述光的放大信号；以及

处理器，所述处理器配置成接收所放大的信号，所述处理器以预定速率取样，并且至少暂时保存收集的样本，确定眼睑何时打开或闭合以便预测来自所述收集的样本的所述眨眼的次数、时间周期和脉冲宽度，计算给定时间周期中眨眼的次数和所述眨眼的持续时间，将所述给定时间周期中眨眼的次数、所述眨眼的持续时间、以及所述给定时间周期中眨眼之间的时间与存储的样本组比较以确定眨眼模式，以及确定所述眨眼是否对应于一种或多种有意眨眼序列。

5. 根据权利要求4所述的用于检测眨眼和眨眼模式的系统，还包括控制器和致动器，所述控制器和致动器配置成接收所述一种或多种有意眨眼序列并产生对应的输出。

6. 根据权利要求5所述的用于检测眨眼和眨眼模式的系统，其中所述系统的所述组件配置成以电子式眼科透镜实现。

Images