CN107219641B - 用于控制近视、延长焦深和矫正老花眼的脉冲正镜片设计 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于控制近视、延长焦深和矫正老花眼的脉冲正镜片设计”。本发明公开了一种眼科镜片，该眼科镜片结合了多焦点特性，以用于减慢、延缓、控制或预防近视发生或发展、矫正老花眼视力或允许延长焦深的目的。该镜片具有电子控制的可调节焦点，其中焦点的变化快速振荡以使得人类视觉对其不可感知。

Description

用于控制近视、延长焦深和矫正老花眼的脉冲正镜片设计

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年3月22日提交的美国临时专利申请62/311,485的权益。

背景技术

1.技术领域

本发明涉及眼科镜片，并且更具体地涉及被设计成减慢、延缓或预防近视发展、延长眼睛的焦深或提供老花眼矫正的接触镜片。本发明的眼科镜片利用透射式高速可调谐光学器件向人眼显示短周期(脉冲)改变的光焦度或光学设计，以提供眼睛生长停止信号或延长眼睛的焦深。此类透射式高速可调谐光学器件的示例包括透射式空间光调制器(液晶)或可变静电液体光学器件，诸如油/水封闭镜片。

2.相关领域描述

导致视敏度下降的常见病症是近视和远视，对于该病症需配戴呈眼镜或刚性或软性接触镜片形式的矫正镜片。该病症一般被描述为在眼睛的长度和眼睛的光学元件的聚焦之间的不平衡。近视眼在视网膜平面的前方聚焦，并且远视眼在视网膜平面的后方聚焦。通常因为眼睛的轴向长度生长至长于眼睛的光学部件的焦距，即眼睛生长得过长，所以形成近视。通常因为眼睛的轴向长度与眼睛的光学部件的焦距相比过短，即眼睛长得不够长，所以远视发展。

正如指出的，近视通常由于眼睛的过度轴向生长或伸长而发生。现在公认的是，主要来自动物研究，轴向眼睛生长可以受视网膜图像的质量和聚焦的影响。利用多个不同的实验范式，在一系列不同的动物种类上进行实验，已经示出了改变视网膜图像质量可以导致在眼睛生长中的一致的和可预测的变化。

此外，已知通过正透镜(近视性散焦)或负透镜(远视性散焦)使在小鸡和灵长类动物模型中的视网膜图像散焦导致可预测的(在方向和量值两个方面)眼睛生长的变化，该变化符合眼睛生长以补偿强加的散焦。与光学模糊相关联的眼睛长度的变化已被示出是由巩膜生长和脉络膜厚度两者的变化调制的。带有正透镜的模糊，其导致近视模糊且降低巩膜生长速率，致使远视性屈光不正。带有负透镜的模糊，其导致远视模糊且提高巩膜生长速率，致使近视性屈光不正。响应视网膜图像散焦的这些眼睛生长的变化已经被证明在很大程度上是通过局部视网膜机构中介的，因为当视神经受损时，眼睛长度的变化仍会发生，而且强加散焦在局部视网膜区域上已被示出导致被局限于特定的视网膜区域的改变的眼睛生长。

在人类中，存在支持视网膜图像质量可以影响眼睛生长的概念的间接和直接两种证据。各种不同的眼部病症，所有这些都导致形成视力的干扰诸如上睑下垂、先天性白内障、角膜混浊、玻璃体出血和其他眼部疾病，已经被发现与在年轻人中的异常的眼睛生长相关联，这表明在视网膜图像质量中的相对大的改变确实影响在人类受试者中眼睛的生长。基于在可以为人类的眼睛生长和近视发展提供刺激的近距离工作期间在人类聚焦系统中的光学误差，也已经假设了更精细的视网膜图像变化对人类眼睛生长的影响。近视在世界许多地区均具有高患病率。该病症最值得关注的是其可能持续发展为高度近视，例如屈光度大于五(5)或六(6)，在没有光学辅助工具的情况下这将显著地影响一个人的行为能力。高度近视还与视网膜疾病、白内障和青光眼的风险增大相关联。

矫正眼科镜片用于分别通过从视网膜平面的前方转移焦点以矫正近视或从视网膜平面的后方转移焦点以矫正远视来改变眼睛的总聚焦，以使得在视网膜平面处呈现更清晰的图像。然而，这些病症的矫正方法并未解决病因，而只是修复性的并且仅解决症状。用于减慢近视发展的许多方法依赖于在镜片的一些区域中引入附加的正光焦度，诸如同心双焦点和/或多焦点接触镜片。例如，在归本申请人所有并且以引用方式并入本文的美国已公布专利申请US20160054588中，镜片包含具有用于近视视力矫正的负光焦度的中心区，该中心区被治疗区包围，该治疗区具有这样的光焦度分布：其从中心区的外边缘到治疗区增加至多+5屈光度的光焦度。治疗区中的这种附加的正光焦度提供延缓眼睛生长的信号；而具有负光焦度的中心区提供近视视力矫正。为获得良好的视力，还必须在镜片的一些区域中为远距(远视)视力提供最佳矫正。在一个简单的示例中，双区同心双焦点设计可具有中心距屈光矫正和旨在减慢眼睛生长的具有附加的正光焦度的外部同心区域。诸如此类的光学设计在一定程度上降低了视敏度和对比敏感度，因为并非通过佩戴者的入射光瞳的所有光都将在眼睛内的相同焦距 (或平面)处聚焦。

另一种方法考虑到眼睛对光的光谱分布的响应。在美国专利5,838,419 中，光学滤光器或色调用于眼部装置上，以便偏移进入眼睛视网膜上的光的光谱分布。具体地，通过利用将光谱分布朝向短的可见波长移动的蓝色滤光器来实现近视矫正。同样，可采用红色滤光器治疗远视。虽然这种方法可用于屈光矫正，但它无法解决近视发展的问题。

还提出了眼部装置诸如具有光源的眼镜以提供治疗效果，如在美国已公布的专利申请US20090192437中提出，其中描述了一种可佩戴的眼部光活化装置。该装置由受试者以类似于佩戴眼镜的方式佩戴，并且该装置具有能够在佩戴装置时被导向眼睛的光源。光的功率和波长均可调节。这通常与由光源活化的光敏治疗剂结合来实现。(即：光线疗法似乎是本专利申请的焦点)。尽管该申请的发明人声称光可以单独施用以用于治疗目的，但是并未提供更多描述或治疗方法。该发明人继续提到将眼睛角膜暴露于特定波长的光的益处，暴露时间长于便于受试者保持静止的时间(例如：>10秒，>20秒，…>2分钟)。这可能适用于在佩戴眼镜并执行其它功能时待进行治疗的受试者，而非另选的在光被导向眼睛时一直坐在一件设备前。他们还指出光可以为“脉冲的”，并且解释这样可以是有利的，因为在连续暴露期间，脉冲峰值功率高于平均功率。该发明公开的内容未提到近视治疗，调制的焦点是用人工光源实现的波长，并且在他们的申请中所用的术语“功率”涉及强度而非屈光度。发明人也没有提出光疗法的频率和持续时间，而关注的是光敏治疗剂。

在美国专利8,764,185中，公开了一种具有被导向视网膜的光源的眼睛可安装装置，其中与电路耦接的光源被配置成可调制的。调制可以呈颜色、亮度、强度或持续时间的形式，然而在这种情况下，目的是向佩戴者发送消息。‘185专利的发明人公开了一种调制形式，其提供了一系列光脉冲诸如莫尔斯码，有效实现与佩戴者通信的目的，关键在于脉冲是装置的佩戴者可理解和可辨别的。‘185专利及同类领域的一个关键方面在于光源为人造光源并且包括在内作为装置本身的一部分，这与本申请人的发明相反，本申请人的发明利用通过镜片的入射光，因此不需要人造光源，但是如果本申请人的发明有需要的话，也可以利用人造光源。此外，‘185专利的意图在于佩戴者完全感知脉冲并且通过发明人公开的莫尔斯码或其它合适的手段来理解脉冲所含的信息。这与本申请人的发明相反，因此不具有教导意义。根据本申请人的发明，以足够高而不被大脑感知(高于临界闪光融合速率)但足以被视网膜感知的频率并且具有适当的焦点/功率的光脉冲对于有效的治疗至关重要，并且据本申请人的了解是新颖的，并且与使用脉冲光作为与佩戴者的可感知的通信装置直接相反。

在归本申请人所有并且以引用方式并入本文的美国专利9,289,623中，一种呈接触镜片形式的通电眼科装置利用光源来治疗与季节性情感障碍相关联的症状。公开了“智能光疗法”的使用，意味着处理器的存在允许数据分析，然后可采用数据分析调整光疗法计划表或功能，诸如频率、持续时间、波长、暴露时间、屈光度和强度等等。

在美国专利4,279,474中，一种玻璃眼镜镜片利用两个玻璃部分之间的液晶层构成眼镜镜片。‘474专利的目的是将透过眼镜镜片的光级限制在特定的限值以上。(即：液晶太阳镜)。‘474专利的发明人公开了液晶层的使用导致响应时间快于单独的光致变色技术，因此它们是优选的，不仅由于它们的响应时间缩短，而且在人们返回室内时能够实现对原始状态的更快的恢复。尽管‘474专利的发明人指出其发明的另一个目的是提供一种具有连续可变控制密度的治疗性镜片，但是在他们的说明书几乎没有提供附加信息。未呈现对屈光度调制的提及，也没有关于控制存在的近视发展的任何讨论。

使用结合到接触镜片中的液晶是最近的一项创新。在美国专利 8,542,325中，提供液晶(在这种情况下为热成像液晶)用于改变接触镜片的颜色，该改变由温度变化激活。在美国专利9,155,614中，一种电活性元件嵌入柔性折射光学器件内。通过柔性导电材料和液晶的组合可以改变折射率，从而允许人们矫正眼睛的屈光不正。

在归本申请人所有并且以引用方式并入本文的美国专利8,906,088中，利用包括液晶元件并与能量源组合的可变焦眼科装置来以电的方式控制折射特性。液晶镜片可向入射到其主体上的偏振光提供电力可变的折射率。其中偏振轴线在第二镜片中相对于第一镜片旋转的两种镜片的组合允许镜片元件能够改变环境非偏振光的折射率。通过将电活性液晶层与电极组合，可实现可通过跨电极施加电场而被控制的物理实体。如果在液晶层周边上存在有介电层，那么跨介电层的场和跨液晶层的场可组合成跨电极的场。在三维形状中，可基于电力学原理以及介电层和液晶层的几何形状来估计跨各层的场的组合的性质。如果有效电厚度的电介质层以非均匀方式制成，则跨电极的场的效应可按照电介质的有效形状“成形”并在液晶层中产生维度形状的折射率变化。在一些示例性实施方案中，此类成形可产生能够采用可变聚焦特性的镜片。当包含液晶层的物理镜片元件使其自身成形为具有不同的聚焦特性时，可得到另选的示例性实施方案。然后，可基于通过使用电极跨液晶层施加的电场，利用液晶层的电力可变的折射率来引入镜片的聚焦特性的变化。前容纳表面与液晶层形成的形状以及后容纳表面与液晶层形成的形状可确定系统的一级聚焦特性。

显然，部件诸如液晶、电路和能量源的复杂性和利用最近已经显著地扩展了通电或电力式眼科产品的潜在应用，其现在可以执行各种任务。

美国专利6,511,175涉及儿童弱视(也称为“懒眼”)的治疗。在‘175 专利中，护目镜或眼镜配备有液晶镜片，其选择性地制成使视力强的眼睛上的镜片不透明，以便迫使儿童佩戴者锻炼视力弱的眼睛。‘175专利公开了使用可变频率脉冲发生器对LCD镜片由从透明状态转变为不透明状态的时间进行计时。他们还公开了这些转变的频率高于闪光融合速率，他们将其确定成通常为约60Hz。重要的是注意，闪光融合阈值是统计值而非绝对量，并且可以随波长、亮度或照明而变化。其还可根据光照在视网膜内发生的位置而不同，并且受到个体疲劳的影响。尽管本申请人的发明还依赖于利用高于闪光融合速率的频率，但是本申请人的发明为调制屈光度，也就是说，以高于闪光融合速率的频率改变透射图像的聚焦和散焦以治疗近视发展。‘175专利的发明人通过在遮挡或阻挡透射的图像与使图像透射通过镜片之间交替来调节整个透射图像通过镜片以便治疗弱视。本申请人的发明是不同的，并与‘175专利有所不同，因为根据本申请人的发明，图像连续透射通过镜片，但是图像或图像质量在聚焦和散焦状态之间交替，事实上散焦状态的存在发送延缓眼睛生长的信号。

在最近公布于2016年9月15日的一篇研究论文中(Papadatou等人，“TemporalMultiplexing with Adaptive Optics for Simultaneous Vision” Biomedical OpticsExpress，第7卷第10期(2016年10月))，研究人员指出，尽管可以使用高速光电装置人工实现带有时间复用的同时视觉，但是实际应用有限。作者指出，出于尺寸和重量考虑以及对功率源的需要，此类应用最好限于测试视觉性能。

在美国专利7,423,801中，发明人公开了一种具有透明的光电焦点调制装置的多焦点镜片，其包括包封在镜片主体内的液晶盒，其目的是在两个或更多个焦点状态(即近焦状态和远焦状态)之间切换，相比之下，更常规的多焦点镜片将近处的物体和远处的物体同时聚焦到视网膜上。虽然‘801专利公开了两种聚焦状态(即：近焦和远焦)，但是并未考虑用于控制近视发展的有意散焦。

虽然先前讨论的许多设计非常复杂，但是它们未设想人为地且有目的地使用控制系统和液晶来暂时调节透射的视网膜图像，以便有效地治疗近视的发展，同时最大程度减小对观察的图像的影响。因此，存在对能够减慢近视发展的镜片设计的需求，并且该镜片的视敏度和对比灵敏度与常规光学设计相比无明显降低。

发明内容

本发明提供了一种用于控制近视、延长焦深和矫正老花眼的脉冲正镜片设计，克服了如上所简述的现有技术的局限性。根据本发明，通过在光焦度/焦点方面暂时调制透射的视网膜图像或该图像的一部分，以便在对于视网膜治疗有效的持续时间内实现大脑不可感知的短时散焦，使人们可通过影响眼睛生长而延缓近视的进一步发展。

根据一个方面，本发明涉及一种眼科镜片系统。该眼科镜片系统包括用于使视网膜上的入射光的焦点电子振荡的装置，其中焦点被暂时调制到镜片的佩戴者不可感知的水平，同时在近视距和远视距处提供可接受的视力。该眼科镜片系统包括第一镜片；镜片内的可变焦光学器件，该可变焦光学器件能够被调节；用于控制具有可选占空比的可变焦光学器件的控制器；以及用于可变焦光学器件和控制器的功率源。任选地，系统还可以包括人造光源。

本发明的眼科镜片利用透射式高速可调谐光学器件向人眼显示短周期 (脉冲)改变的光焦度或光学设计，这些短周期或脉冲具有提供眼睛生长停止信号(延缓近视发展)和/或延长眼睛焦深的效果。此类透射式高速可调谐光学器件的示例包括透射式空间光调制器(液晶)或可变静电液体光学器件，诸如油/水封闭镜片。

眼科镜片在其主光学区内包括电子寻址和可编程的透射式高速可调谐光学器件。在提供最佳距离矫正时，根据本发明所述的高速可调谐光学器件还引起不可感知的脉冲正光焦度，以在视网膜前面暂时产生近视散焦。为有效控制近视，同时仍然提供令人满意的视力，需要考虑的关键原则包括确保一般为20/25或更好的足够的远视力，并最大程度减小令人不快的图像伪影。另外，为控制近视的进一步发展，在任何距离和任何瞳孔大小下观察物体时，视网膜前面的图像的质量必须始终优于视网膜后面的图像的质量。最后，视网膜上的图像的质量必须始终优于视网膜前面或后面的图像的质量。

为确保治疗效果，正光焦度的周期与最佳距离矫正的周期的比率在约 5％至90％的范围内。不同光焦度的比率也可以由占空比限定，其为在单位时间段内显示的正光焦度周期的比率。例如，在任何1秒的总时间段内显示总共100ms的正光焦度为10％的占空比。如果该100ms部分是连续的并且每秒发生一次，或者在1秒周期内间歇性发生多次，只要在1秒周期内的累积持续时间为100ms，便符合上述定义。在任一种情况下，两种情形具有类似的10％的占空比，并且两者都可以是治疗有效的，然而根据本发明，申请人已发现在给定的占空比下，利用间歇式脉冲可最大程度减小对观察的图像的负面影响。另选地，控制器的存在还允许人们以类似的方式调制波长和强度。这些方法中的每一种还可具有治疗效果。

附图说明

通过对本发明的优选实施方案的以下更具体描述，如附图中所示，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见。

图1为通过根据本发明的透射式高速可调谐光学器件交替显示的正光焦度和平光焦度的脉冲正显示方法的图解示意图。

图2为根据本发明产生10％占空比的脉冲显示方法的两个等效但不同的占空比的示意图。

图3A和图3B为根据本发明的+3D的正光焦度的脉冲显示对视觉性能的影响的图形表示，其中LogMAR中的VA相对于占空比的变化示于图3A 中，而Weber对比度相对于占空比的变化示于图3B中。

图4示出根据本发明的弓形液体弯月形镜片的可变光学部分。

图5示出根据本发明具有液晶层的可变光学部分。

图6示出眼睛长度相对于一定屈光度范围的变化。

图7A 示出以百分比×屈光度为单位的占空比乘以正光焦度(即，诱导模糊)的乘积相比于视敏度损失的图。

图7B 示出以百分比×屈光度为单位的占空比乘以正光焦度(即，诱导模糊)的乘积相比于对比灵敏度的图。

具体实施方式

随着电子设备持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴或可嵌入的微电子设备。此类用途可包括监测身体化学性质的各方面、响应于测量或者响应于外部控制信号通过各种机械机构(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。此类设备的示例包括葡萄糖注入泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种全新的、特别有用的应用领域是眼科镜片，包括可佩戴镜片注如眼镜和接触镜片以及可植入镜片诸如高嵌体、镶嵌物和眼内镜片 (IOL'S)。例如，可佩戴镜片可结合镜片组件，该镜片组件具有电子可调节焦距，以增强或提高眼睛的性能。此类电子可变焦镜片，例如利用液晶或液体弯月形技术的镜片，可能需要足够的激活电压以影响光焦度的变化。根据设计参数，此类镜片还可以具有固有电容，其必须被充电和放电。因此，为了以快于闪烁阈值的速度交替聚焦，电子驱动器电路必须以足够快的速度吸收和提供电流以在镜片电容给定的情况下使镜片在与近焦和远焦相关联的电压之间切换。可以考虑采用多种技术满足这些标准，包括归本申请人所有并以引用方式并入本文的美国专利9,351,827所提到的那些技术。

在该示例中，电子部件可以被封装/嵌入在镜片主体中，该镜片主体适于作为接触镜片贴合到眼睛角膜的表面上。在另一个示例中，具有嵌入式电子部件的镜片主体可通过向镜片主体增加集成式触觉元件并作为眼内镜片植入来改造。在另一个示例中，无论具有还是不具有可调节焦距，可佩戴的接触镜片可结合电子传感器，以检测角膜前(泪)膜中的特定化学物质的浓度。在镜片组件中使用嵌入式电子器件引起对如下的潜在需求：需要与电子器件通信，需要一种对包括功率控制或功率管理电路的电子器件供电和/或重新供能的方法，需要将电子器件互连，需要内部和外部传感和/ 或监视，以及需要控制电子器件和镜片的总体功能。

常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构，其被置于眼睛上以矫正如上所简述的各种视力问题。常规的眼镜镜片通常包括具有特定形状的聚合物结构以矫正如上所简述的各种视力问题，并且被框架固定在适当的位置。常规的眼内镜片为具有集成式触觉元件的聚合物结构，以在移除人晶状体之后将晶状体固定在晶状体囊内。为了实现增强的功能，必须将各种电路和部件集成到这些聚合物结构和/或框架中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、功率源、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部件集成到接触镜片或眼内镜片中，从而不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加功能。此外，如随后更详细解释的，空间光调制器也可以结合到眼科镜片中。电子和/或电力式接触镜片、眼内镜片或眼镜可被设计成经由放大和缩小能力或者仅只是通过改变镜片的屈光能力来提供提高的视力。电子式和/或电力式接触镜片、眼内镜片和/或眼镜可被设计成增强颜色和分辨率、显示纹理信息、将语音实时转变为字幕、提供导航系统的视觉提示、提供图像处理以及甚至互联网接入。

镜片可被设计成允许佩戴者在低光照状况下视物。镜片上适当地设计的电子器件和/或电子器件的布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，并甚至提供唤醒警示。另选地或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触镜片、眼内镜片和/或眼镜可结合用于非入侵地监视佩戴者的生物标记物和健康指标的部件。例如，通过分析泪膜的组分，内置于镜片中的传感器可允许糖尿病患者监测血糖水平，而不需要抽血。此外，经适当地构造的眼科镜片可结合用于监视胆固醇、钠和钾水平以及其它生物标记物的传感器。这与无线数据发射器联接可允许医师几乎可以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抽血。此外，可利用内置于眼科镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照状况或用于确定眨眼模式。

本发明涉及包括电子系统的电力式眼科镜片，该电子系统可致动实现可变焦镜片或任何其它被配置成实现可被执行的多种功能中的任一种的一种或多种装置，例如用于减慢近视发展的空间光调制器。该电子系统包括一个或多个电池或其它功率源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟生成电路、实现适当控制算法的电路，以及镜片驱动电路。这些部件的复杂性可能根据所需或所期望的眼科镜片功能而不同。需要特别注意的是，可将本发明的镜片设计结合到由任何数目的材料形成的任何数量的不同眼科镜片中。具体地讲，本发明的镜片设计可用于本文所述的任一种接触镜片，包括日戴型软性接触镜片、刚性可透气接触镜片、双焦点接触镜片、复曲面接触镜片和混合型接触镜片。此外，虽然本发明主要相对于接触镜片进行了描述，但需要特别注意的是，本发明的概念可用于眼镜镜片、眼内镜片、角膜鑲嵌物和高嵌体。

闪光融合阈值(或闪光融合速率)是视觉心理物理学中的概念。在19 世纪末和20世纪初，Ferry和Porter发现高达闪烁可被观察到的频率随亮度的对数值线性增加。这被称作Feery-Porter定律。该频率称为临界闪烁频率。它被定义为间歇(闪烁)光刺激对于普通人类观察者看起来完全稳定的频率。例如，这一原理存在于为计算机显示器选择72赫兹的帧速率中，该帧速率足以完全避免闪烁。只要调制频率保持在闪光融合阈值以上，则感知的强度可以通过改变光和黑的相对周期来改变。例如，如果暗周期延长，它将使图像变暗(Talbot-Plateau定律)。

根据本发明，同一闪光融合原理还可应用于光焦度。通过使用透射式高速可调谐光学器件，可以在高于闪光融合阈值的频率下快速改变镜片的光焦度。可通过改变显示的各种光焦度或设计的相对周期来改变眼科镜片的有效光学特性。例如，透射式高速可调谐光学器件可通过在平光焦度和 +3D之间快速切换来显示两种简单的光焦度(平光焦度和+3屈光度“D”)，如图1所示。假定调制频率保持在闪光融合阈值之上，则两种光焦度对视敏度的影响例如由平光焦度和+3D显示时间的比率(即，占空比)决定。因此，透射式高速可调谐光学器件可以产生具有两种或更多种光焦度/设计的等同物，将光同时聚焦到眼睛中(类似于双焦点或多焦点接触镜片)。这将相当于用于视力矫正的一种光焦度以及用于缓解近视发展的其它光焦度，但是结果对于视觉质量没有任何可感知的影响，因为随后的缓解近视发展在有限的持续时间或占空比内以高于根据本发明的闪光融合阈值的频率实现。

眼科镜片在其主光学区内包括电子寻址和可编程的透射式高速可调谐光学器件。在提供最佳距离矫正时，高速可调谐光学器件还引起极短暂的间歇式正光焦度以在视网膜前面产生近视散焦。这通过根据本发明的脉冲方法来实现。正光焦度的周期与最佳距离矫正的周期的比率在约5％至90％的范围内。不同光焦度的比率也可以由占空比限定，其为在单位时间段内显示的正光焦度周期的比率。例如，在任何1秒的总周期中显示100ms的正光焦度为10％的占空比，无论是每秒出现一次100ms的持续时间，每秒出现四次25ms的持续时间，还是每秒出现十次10ms的持续时间均如此。无论使用这些情形中的哪一种，均表示10％的占空比。虽然占空比可以保持不变或者在某些情况下可根据治疗可能的需要而变化，但是在佩戴过程中所用的情形很重要，因为一些变化虽然在治疗上有效，但是也可以被视觉感知。采用用于有效治疗的足够的占空比和足够短的正光焦度周期以保持不可感知性对人们视力的最佳矫正，同时提供用于控制近视发展的治疗是至关重要的。虽然优选大约5％或更长的占空比，因为此时对视敏度和对比灵敏度的破坏性最小，但是可以利用在5％和90％之间的其它值。

由可调谐光学器件引起的用于控制近视的正光焦度可以从+1.0D变至 +20D。另一方面，由可调谐光学器件引起的用于矫正老花眼的光焦度可以从-4D变至+4D。然而，所引起的光学设计不限于单球面光焦度。还可以采用包括多焦点镜片、渐进式镜片及其它光学设计的光学设计。所显示的光学设计还可作为时间的函数变化，或根据受试者瞳孔处的光级或受试者的瞳孔大小变化。所引起的光焦度模式不必覆盖整个光学区，并且可以限制在瞳孔内的区域/部分。对于近视而言，在中间视觉条件下，瞳孔大小通常在为4mm至8mm的范围内。此外，为获得最佳视力，镜片光学区的中心 2mm可不含引起的脉冲近视散焦，从而保留固定的主要距离矫正。需要特别注意的是，在某些示例性实施方案中，由于亚群中眼睛的入射瞳孔大小不同，因此可基于患者的平均瞳孔大小来定制镜片设计，以便同时实现良好的视网膜中央凹视力矫正和近视疗效。此外，在某些示例性实施方案中，由于瞳孔大小与儿科患者的屈光度和年龄相关，所以可基于他们的瞳孔大小针对具有特定年龄和/或屈光度的儿科亚群的子组来进一步优化镜片。

由透射式高速可调谐光学器件产生的脉冲正显示

覆盖眼科镜片的光学区的高速可调谐光学器件用于引起眼睛不可感知的正光焦度的短脉冲以及实现最佳距离矫正的周期。在图1所示的示例中，高速可调谐光学器件向眼睛显示正光焦度(+3D)和平波前图案的一系列波前图案。在该示例中，根据本发明所述，如在位置1、4和7(由术语“+3D开”表示)中指定的那样传输正光焦度波前图案，而如位置2、3、5、6、8和9(由术语“+3D关”表示)中指定的那样传输平光焦度波前图案。只要以高于闪光融合速率的调制频率执行脉冲显示，则眼睛观察到合适的图像。因此，它不像通过单独+3D的静态光焦度观察那样模糊，同时仍提供近视控制或发展缓解的治疗效果，该治疗通过存在间歇的但不可感知的正光焦度图像实现。

脉冲显示方法的占空比

目标图像呈现给眼睛的方式取决于引起的正光焦度的量，并且也取决于脉冲显示的占空比。占空比被定义为其中信号有效的一个周期的百分比。图2所示的占空比的两个示例(条件)为两个脉冲正显示条件，两者在激活+3D光焦度时均具有10％的占空比。首先，利用诱导正光焦度的四 (4)个不同的25ms周期。在两种条件下，眼睛在每一秒周期内暴露在相同的 100ms正光焦度总周期下。在条件1下，调制频率为40Hz，其高于人眼的平均闪光融合阈值，因此将不存在闪烁或图像不稳定。眼睛将观察到略微模糊但稳定的图像。在条件2下(每秒一个100ms周期)，调制频率为 10Hz，其低于人眼的闪光融合阈值。在此第二个条件下，当显示的波前图案从+3D切换为平光焦度时，眼睛将观察到明显的抖动。因此，虽然两种条件对治疗近视发展可为有效的，但是对于某些个体而言，条件1可能比条件2在视觉上更舒适。存在各自具有10％的占空比的多种其它组合，一些附加的示例在下表中示出：

表1

条件或示例	占空比	每秒子周期数量	子周期持续时间(ms)
				1(40hz)	10％	4	25ms
2(10Hz)	10％	1	100ms
				3(50Hz)	10％	5	20ms
4(100Hz)	10％	10	10ms
				5(25hz)	10％	2.5	40ms

视敏度和对比灵敏度两者随引起的正光焦度和占空比的增加而下降。相对于最佳球面矫正并与常规+3D球面镜片相比的针对上述脉冲正条件的视敏度和Weber对比灵敏度汇总于下表2中。图3A和图3B图形化示出表 2的结果。表2列出的值以及图3A和3B的图表清楚地表明，增加占空比或增加屈光度导致视敏度损失和对比灵敏度损失并且与视敏度损失和对比灵敏度损失成比例。还应当指出的是，增加占空比或增加屈光度与治疗效果成比例。因此，需要将占空比或屈光度增加至在治疗上有效的点，但是不增加至使视敏度或对比灵敏度损失过多的点。根据本发明，申请人已经确定了占空比、屈光度和调制频率与有效延缓近视发展之间的适当的平衡点，以实现由视敏度和对比敏感度衡量的可接受的视觉性能。这两个视觉性能指标在患者中有一定程度的主观性，因此可以因患者而异。

如前所述，近视通常会发展，因为眼睛的轴向长度生长得过长，同样地，轴向长度变化的减小可用作治疗近视发展的治疗有效性的量度。申请人研究得到，在10个受试者的研究中，在佩戴不同光焦度的镜片40分钟后，光焦度对轴向长度的变化的影响。在这种情况下，可以看到负光焦度和正光焦度两者的影响。然而，负光焦度导致远视散焦的视网膜图像(焦点图像平面处于视网膜后面)，因此眼睛接收生长的信息，并且随后的轴向长度变化是正的。将其与正光焦度比较，该正光焦度导致近视散焦的视网膜图像(焦点图像平面处于视网膜前面)，因此眼睛轴向长度的变化是负的。根据申请人的研究，增加正光焦度与眼睛轴向长度减小(即，负变化)的增强成正比。同样，存在光焦度的持续时间(即，占空比)也与轴向长度的变化成比例。

表2

如上所述，控制电路可以包括控制空间光调制器以产生闪烁脉冲的算法。在一个示例性实施方案中，该算法可以利用包括4、5或10帧空间光调制器文件的图像阵列，其对应于100ms、125ms和250ms的空间光调制器显示时间。这些图像阵列可定义通常的占空比，例如10％、20％、50％和 100％，如上表2所示。在另一示例性实施方案中，该算法可利用包括100 帧空间光调制器文件的图像阵列，其可以用于创建任何比率的占空比，例如20％、21％、22％等等。图像阵列可以在显示之前预加载到系统存储器中。

现在参见图4，其示出了曲面液体弯月形透镜400，其中在盐溶液406 与油407之间具有液体弯月边界401。根据一些优选的实施方案，由在402 和403之间延伸的弓形壁中的第一角度转折在前曲面镜片404中限定弯月壁405。当沿着一个或多个导电涂层或导电材料408施加和移除电荷时，液体弯月边界401将沿着弯月壁405上下移动。在一些优选的实施方案中，导电涂层403将从保持盐溶液406和油407的腔409内部的区域延伸至容纳盐溶液406和油407的腔409外部的区域。在此类实施方案中，导电涂层 403可为施用到腔409外部的点处的导电涂层403至位于腔内且与盐水溶液 406接触的导电涂层区域的电荷的管道。一般来讲，可将液体弯月形透镜视为具有下列中的一者或多者的电容器：导电涂层、绝缘体涂层、通路以及存在于前曲面透镜404和后曲面透镜410上或其中的材料。根据本发明，响应于对前曲面透镜404和后曲面透镜410中的一者或两者的至少一部分的表面施加电荷，液体弯月边界401的形状并且因此液体弯月边界401和前曲面透镜404之间的接触角发生变化。根据本发明，通过导电涂层或材料施加于盐水溶液的电流的变化使液体弯月边界401沿弯月壁405的位置发生变化。

参见图5，示出了可插入眼科镜片中的具有液晶层530的可变光学部分500。可变光学部分500可具有如已在本说明书的其他部分中所讨论的相似的材料多样性和结构关联性。在一些示例性实施方案中，可将透明电极 545放置在第一透明基底550上。第一镜片表面540可包括介电膜，并且在一些示例性实施方案中，可包括可放置在第一透明电极545上的对齐层。在此类示例性实施方案中，第一镜片表面540的介电层的形状可在所示的介电厚度中形成区域变化的形状。此类区域变化形状可引入镜片元件的附加聚焦能力。在一些实施方案中，例如，成形层可通过在第一透明电极545 基底550组合上注射模塑而形成。在一些示例性实施方案中，第一透明电极545和第二透明电极520可按各种方式成形。在一些示例中，成形可导致形成可单独通电的单独的不同区域。在其它示例中，电极可形成为各种图案，诸如从镜片中心至周边的螺旋，该螺旋可跨液晶层530施加可变电场。在任一种情况下，可除了电极之上的电介质层的成形之外或代替此类成形而执行此类电极成形。这些方式的电极成形还可在操作下引入镜片元件的附加聚焦能力。液晶层530可位于第一透明电极545与第二透明电极 525之间。第二透明电极525可附接至顶部基底层510，其中从顶部基底层510至底部基底层550所形成的装置可包括眼科镜片的可变光学部分500。两个对齐层也可位于电介质层上的540和525处并且可围绕液晶层525。在 540和525处的对齐层可起到限定眼科镜片的静息取向的作用。在一些示例性实施方案中，电极层525和545可与液晶层530电连通，并且导致取向从静息取向转变为至少一种通电取向。

无论可变光学部分利用液体弯月面法还是液晶法，两种方法均需要极其灵敏以便产生极短暂的间歇脉冲。

产生两个或更多个光焦度/设计的透射式高速可调谐光学器件通过根据本发明的脉冲显示方法将光聚焦到眼睛中，其包括多个优点。整个透射式镜片可改变光焦度以产生两个或更多个焦平面。如果脉冲显示为球面光焦度，则无需使多焦点接触镜片相对于瞳孔准确聚焦。在眼镜镜片中，这克服了与眼镜镜片多焦点光学设计有关的视线改变的问题。在近视控制应用中，用于减慢眼睛生长的附加的正光焦度被呈现到视网膜的整个视野，并且不限于镜片的一个或多个区域(其投射到视网膜的限定区域)。在针对老花眼的延长焦深应用中，提供中距视力和近视力的附加的正光焦度被呈现到视网膜的整个视野，并且不限于镜片的一个或多个区域。使用透射式高速可调谐光学器件，可以很容易地基于主观反馈“调谐”占空比以产生可接受的视觉质量。使用透射式高速可调谐光学器件，可以基于指示正在进行的视觉任务的生物标记物反馈来“调谐”占空比(例如，近距离工作作为近视控制或老花眼矫正的触发器)。透射式高速可调谐光学器件可以为简单的散焦形式(例如平面和+3DS)，或者可以是更复杂的形式，诸如散光、球面像差、多焦点或任何其它光学像差的组合。可变焦光学器件可以跨镜片提供不同程度的焦点变化。例如，为了最大程度减小对视敏度的影响，镜片的中心部分可以被调谐为使其在占空比×光焦度因子方面不发生变化或比镜片的更外围部分发生更小的变化。镜片的更外围部分可以在占空比×光焦度因子方面发生较大的变化，因为周边视网膜相比于视敏度对模糊不太敏感，并且已经提出周边视网膜中的散焦可影响眼睛的屈光发展。光学设计的局限性归因于透射式高速可调谐光学器件的类型。例如，具有多个单独的可调谐像素的透射式空间光调制器可基于像素尺寸和分布形成任何复杂的设计。另一方面，静电可调谐液体镜片光学器件将限于不太复杂的光学设计(例如，球面、散光、球面像差)。此外，对于大多数个体，屈光管理涉及可允许或可不允许完全双眼视力的两只正在运作的眼睛。根据本发明的屈光发展的管理可随两只眼睛的相对状态而变化。在一个实施方案中，呈现给近视程度更高的眼睛的可变光学器件可以被调谐成具有更大的占空比×光焦度因子，对于该眼睛实现比对侧眼睛更大的屈光控制，然后其可以更多地依赖于视敏度。在另一个实施方案中，呈现的正光焦度可在眼睛之前及时变化，从而允许在任何给定时间在至少一只眼睛中获得不间断的清楚视力，以实现最佳视敏度和最大近视治疗效果。

前瞻性临床试验已表明，人类近视发展的速度可以受软性接触镜片的光学设计的影响。这些临床试验已经确定，在儿童的视网膜图像中引入正散焦减慢了近视的发展。与散焦相关联的眼睛长度的变化通过巩膜生长和脉络膜厚度两者的变化来调节，其净效应导致视网膜朝向图像平面的前向或后向运动。散焦的视网膜图像，无论是近视散焦图像(即：焦平面在视网膜前面)还是远视散焦图像(即：焦平面在视网膜后面)，均可缓解近视或远视的发展。申请人已经了解到，诱导的近视散焦导致脉络膜增厚和巩膜生长速率减慢(其导致视网膜向前移动)，并且诱导的远视散焦导致脉络膜变薄和巩膜生长速率增加(其导致视网膜向后移动)。已经在禽类和灵长类动物模型中观察到响应于施加的散焦而引起脉络膜厚度变化，并且已经证明这种变化快速发生于眼睛尺寸的长期巩膜介导的变化之前。研究已表明，在年轻的成年人类受试者中，脉络膜厚度和轴向长度响应于光学散焦的短期变化以类似于在其它动物物种中观察到的方式发生。研究考察了脉络膜厚度响应于散焦的变化的时间进程，表明这些变化在暴露的几分钟内发生。当施加一天散焦时，在脉络膜厚度和轴向长度方面显著破坏了正常的昼夜节律，其具有取决于散焦迹象的可预测的变化模式。根据本发明的镜片设计以类似的方式进行评估，并且发现该镜片设计对脉络膜厚度变化具有积极影响，如图6所示，其示出轴向长度相对于屈光度的变化。可以看出，轴向长度的变化与正光焦度从-3.0增加至平光焦度(“pl”) 至最高+10.0屈光度成反比。

鉴于正光焦度的持续时间(即占空比)和正光焦度的水平与治疗近视发展的治疗效果成正比，因此我们可以重新绘制如图3A和图3B所示的图。我们通过将视敏度(参见图7A)和对比灵敏度(参见图7B)与占空比乘以正光焦度水平(即：模糊)的乘积进行比较来完成该重新绘制过程。从图7A和图7B中均可以看出，在两者乘积与视敏度和对比灵敏度的损失之间存在优异的数据线性拟合。虽然占空比乘以正光焦度的乘积值的增加导致治疗效果的改善，但我们也必须考虑视敏度损失的增加。因此，重要的是将视敏度的损失限制为三行或更少(log MAR敏锐度的0.3倍)，并且优选两行或更少(即：log MAR敏锐度的0.2倍)。如图7A所示，使用三行或更少行的损失，则可以确定占空比乘以正光焦度的乘积的上限。在这种情况下，3行损失的上限大致相当于100百分比×屈光度(占空比乘以正光焦度)的值。由于视觉性能可以受视敏度和对比灵敏度的影响(返回图7B)，并且使用100百分比×屈光度(占空比乘以正光焦度)的该值，人们还可以确定相应的对比灵敏度值。在这种情况下，使用占空比乘以100百分比×屈光度的正光焦度值，相当于大约0.15的对比灵敏度值，这是眼睛护理专业人员的很大一部分中可接受的。鉴于具有低至0.5屈光度的正光焦度以及低至10％的占空比的镜片显示出治疗效果，我们还可以将占空比乘以正光焦度的优选下限定义为5百分比×屈光度。下表3示出了满足占空比乘以正光焦度的上限和下限条件的优选正光焦度和占空比的一些示例性组合，应当理解，落入这些上限和下限之间的值的组合也将满足根据本发明的具有可接受的视觉性能的治疗效果的条件。

表3

尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施方案，但显而易见的是，本领域的技术人员可对所描述和所示出的具体设计和方法作出变更，并且可在不脱离本发明的实质和范围的情况下使用这些变更形式。本发明并不局限于所述和所示的具体构造，而是应当构造为与可落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。

Claims (22)

1.一种眼科镜片系统，所述眼科镜片系统包括用于使视网膜上的入射光的焦点电子振荡的装置，其中以所述镜片的佩戴者不可感知的水平来调制所述焦点，同时在近视距和远视距处提供可接受的视力，所述眼科镜片系统包括：

第一镜片；

所述镜片内的可变焦光学器件，其中所述可变焦光学器件能够被调谐；

控制器，所述控制器用以控制具有可选占空比的所述可变焦光学器件以基于所述可选占空比来连续地生成散焦状态；和

功率源，所述功率源用于所述可变焦光学器件和所述控制器。

2.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述焦点被调制以实现减慢、延缓、逆转或预防近视发生或发展中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述焦点被调制以实现延长的焦深。

4.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述焦点被调制以允许老花眼佩戴者同时实现良好的近距视力和远距视力。

5.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中焦点的变化能够从0.50屈光度变为20屈光度。

6.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中焦点的振荡速率在人类临界闪光融合频率之上。

7.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中正光焦度被呈现给所述佩戴者的时间的比例为1%至75%。

8.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述可变焦光学器件包括液晶插入件。

9.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述可变焦光学器件包括液体弯月形插入件。

10.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述第一镜片内的焦点的变化的90%在小于20ms内发生。

11.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述第一镜片内的焦点的变化的90%在小于10ms内发生。

12.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中焦点的变化程度能够跨所述第一镜片变化。

13.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述第一镜片为电子接触镜片。

14.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述第一镜片为电子眼镜镜片。

15.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，其中所述第一镜片为电子眼内镜片。

16.根据权利要求1所述的眼科镜片系统，还包括具有独立的可变焦光学器件的第二镜片，所述独立的可变焦光学器件被配置成相对于所述第一镜片以独立地、同步地或协同地中的至少一种方式操作。

17.一种用于治疗近视发展的眼科镜片系统，包括：

第一镜片，所述第一镜片要佩戴在眼睛前、眼睛上或植入眼睛中；

所述镜片内的可变焦光学器件，其中所述可变焦光学器件能够被调谐；

控制器，所述控制器与所述可变焦光学器件电连通以控制具有可选占空比的所述可变焦光学器件以基于所述可选占空比来连续地生成散焦状态，其中所述占空比包括具有在5%至90%范围内的占空比的不可察觉散焦脉冲；以及用于所述可变焦光学器件和所述控制器的功率源。

18.根据权利要求17所述的眼科镜片系统，其中所述占空比在10%至30%的范围内。

19.根据权利要求17所述的眼科镜片系统，其中视敏度相比于基线的变化以logMAR为单位为0.4或更小。

20.根据权利要求17所述的眼科镜片系统，其中Weber对比灵敏度相比于基线的变化为0.15或更小。

21.根据权利要求17所述的眼科镜片系统，其中视敏度相比于基线的变化以logMAR为单位为0.4或更小，并且Weber对比灵敏度相比于基线的变化为0.15或更小。

22.根据权利要求17所述的眼科镜片系统，其中百分比占空比乘以散焦正光焦度的乘积在5至100百分比×屈光度的范围内。

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