JP2008517656A - 偏光感受性の人工視覚器官 - Google Patents

Abstract

人工視覚器官は、網膜から反射する光の偏光状態を検出するよう配置された第１検出器と、該第１検出器と通信するコントローラとを含む。コントローラは、上述の偏光状態を示す測定信号を検出器から受け取るよう構成されている。それに応答して、コントローラは、網膜と光学連通した光学系の光学特性を変化させる制御信号を生成する。

Description

本発明は人工視覚器官に関し、特に、人工視覚器官の光学特性の動的制御に関する。

人は、日常生活を営む上で一般に眼から様々な距離にある物体を眺める。こうした物体に選択的に焦点を合わせるには、眼の水晶体の焦点距離を変更しなければならない。健康な眼では、これは水晶体に物理的に接合された毛様体筋の収縮により達成される。毛様体筋の収縮に合わせて水晶体が変形する。この変形が水晶体の焦点距離を変更させる。水晶体をこうした様態で選択的に変形させることにより、眼から異なる距離に位置する物体に焦点を合わせることができる。異なる距離に位置する物体に選択的に焦点を合わせるこの機能は、「遠近調節」と呼ばれる。

人が老化するにつれ、水晶体はその可塑性を失っていく。結果的に、水晶体を十分に変形させて異なる距離に位置する物体に焦点を合わせることが徐々に困難になる。この機能低下を補償するには、異なる距離にある物体への焦点合わせのための様々な光学補正を行うことが必要である。

様々な光学矯正を施す一つのアプローチには、幾つかの眼鏡を持ち歩いて必要なときにそれらを掛け替えるものがある。例えば、読書用の眼鏡と運転用の遠距離眼鏡を別々に持ち歩くこともできよう。これは複数の眼鏡を持ち歩く必要があることと、眼鏡を頻繁に交換する必要があることから不便である。

二焦点レンズは同一レンズに２つの異なる光学矯正を組み込んでいるので、遠近調節の助けとなる。このレンズの下方部分は、読書や他の近距離作業に適した矯正をもたらすように研磨されており、一方、レンズの残り部分は遠見視力用の矯正をもたらすように研磨されている。物体を眺めるには、二焦点レンズの使用者は頭を動かすだけで、注視対象の物体と瞳孔との間の光線が、その物体の距離に適した光学矯正を行うレンズ部分を通過させることができる。

異なる光学矯正が同一レンズに組み込まれている二焦点レンズの発想は一般化されており、異なる３つの光学矯正を同一レンズに組み込んだ三焦点レンズと、連続した視力矯正を同一レンズに組み込んだ連続勾配レンズとを含むようになっている。しかし、二焦点レンズと同様に、こうした多焦点レンズを用いた異なる距離範囲に関する光学矯正は、瞳孔とレンズとの相対運動に大きく依存している。

一旦レンズが目に移植されると、レンズと瞳孔は１つのまとまったものとして一体的に動くことになる。従って、患者の頭がどのように傾いていても、注視対象と瞳孔との間の光線を移植レンズの選択した部分に通過させることはできない。結果として、多焦点レンズは一旦眼に移植されるとレンズと瞳孔との間の相対運動が不可能となるため、こうしたレンズは一般に眼内移植には不向きである。

従って、眼内移植に適したレンズは一般に単一焦点レンズに限られている。こうしたレンズは、単一の距離範囲に関する光学矯正しか行わない。従って、こうしたレンズを眼に移植した患者は、この眼内レンズで遠近調節されない距離に関する光学矯正を得るため眼鏡を掛け続けることになる。

発明の概要
本発明による人工視覚器官は、中心窩の複屈折特性と、網膜の中心窩を囲む部分（本明細書では「周辺窩（原語：circumfovea）」と呼ぶ）の複屈折特性との比較に依存した自動焦点機構を含む。網膜を偏光で照射し、網膜から反射される光の偏光状態を測定することによって、この反射光のどれぐらいが中心窩から反射され、この反射光のどれぐらいが周辺窩から反射されたかを推定できる。この推定に基づいて、コントローラが光学系の光学特性を変化させる。すると、これが上述の推定に所望の変化をもたらす。

一様態において、前記人工視覚器官は、網膜から反射する光の偏光状態を検出するよう配置された第１検出器と、該第１検出器と通信するコントローラとを含む。前記コントローラは、前記偏光状態を示す測定信号を前記検出器から受け取るよう構成されている。それに応答して、前記コントローラは、前記網膜と光学連通した光学系の光学特性を変化させる制御信号を生成する。

幾つかの実施形態は、加えて前記網膜と光学連通した第１偏光子も含む。前記第１偏光子は、第１偏光状態を備えた光の通過を遮断する。例えば、前記第１偏光子は、前記光学素子におけるレンズの第１偏光領域を含むことができる。

第１偏光子を含む実施形態は、前記第１偏光子を通過する光を検出するよう配置された第２検出器を随意選択で含む。前記第２検出器は、前記第１偏光子を通過する光を表す信号を前記コントローラに与えるよう構成されている。

第１偏光子を含む実施形態は、前記網膜と光学連通した第２偏光子も含むことができる。前記第２偏光子は、第１偏光状態に直交する第２偏光状態を備えた光の通過を遮断する。

幾つかの実施形態では、前記第１検出器は角膜に移植されるよう構成されている。

更に、前記人工視覚器官の他の実施形態では、前記光学系が、眼内レンズ、コンタクトレンズ、眼鏡レンズ、又は眼の自然水晶体を含むことができる。

前記コントローラを、前記網膜の中心窩領域から反射された偏光と、前記網膜の他の部分から反射された偏光との比較に少なくとも部分的に基づいて制御信号を発生するよう構成することもできる。しかし、前記コントローラを、前記第１検出器により検出された前記偏光状態と、前記網膜の中心窩から反射された光に関連する偏光状態との比較に基づいて制御信号を発生するよう構成したコントローラとすることもできる。或いは、前記コントローラを、前記光学系の焦点距離を変化させる制御信号を発生するよう構成したコントローラとすることもできる。

別の様態において、本発明は、網膜から反射した光の偏光状態を示す信号に応答して光学素子の光学特性を変化させるよう構成されたコントローラを具備した人工視覚器官を含む。

本発明の別の様態は、角膜から反射する光の偏光状態を検出し、且つ該偏光状態を示す測定信号を受け取ることにより、人工視覚器官を制御するための方法を含む。前記信号に応答して、制御信号が、前記網膜と光学連通した光学系の光学特性に変化を生じさせる。

幾つかの実施例では、制御信号を発生する前記段階が、前記網膜の中心窩領域から反射された偏光と、前記網膜の他の部分から反射された偏光とを比較する段階を含む。前記制御信号は少なくとも部分的には前記比較に基づいて発生される。

他の実施例では、制御信号を発生する前記段階が、前記網膜の中心窩から反射された光に関連した偏光状態に少なくとも部分的に基づいて制御信号を発生する段階とを含む。

又、前記方法は、前記制御信号に応答して前記光学系の焦点距離を変化させる段階を更に含むこともできる。

他に特に定義しない限り、本明細書で用いる科学技術用語は、本発明が属する分野の通常の技能を備えた当業者が一般に理解する意味と同一である。本明細書に記載したものと類似又は同等の方法及び材料を、本発明の実施又は試験に用いることができるが、適切な方法及び材料は後述する。本明細書で言及する全ての刊行物、特許出願、特許、及び他の引用文献は、その全体を引用して援用する。かりに矛盾が生じた場合は、定義も含めて本明細書が優先する。更に、これら材料、方法、及び例は、例示的なものであって限定する意図はない。

本発明のその他の特徴及び利点は、次の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかとなるはずである。

図１は、レンズ１０に入り網膜１２上、具体的には網膜の中心窩１４上に焦点を結ぶ偏光を示す。この偏光は入射偏光状態ＰＩという特徴を備えている。中心窩１４から反射される過程で、入射光はその偏光状態が変化する。従って、中心窩に反射された光は、入射偏光状態ＰＩとは異なる反射偏光状態ＰＦとなる。この差の程度が中心窩１４の複屈折特性に対応する。

図２は、中心窩１４に焦点を結ばないレンズ１０に入る偏光を示す。この例では、レンズ１０は網膜１２の前方で光に焦点を結ばせる。しかし、レンズ１０が網膜１２の後方で光に焦点を結ばせる場合も、その原理は同じである。いずれの場合も、偏光は中心窩１４と周辺窩１６の両方を照光する。従って、反射光は、第１偏光状態ＰＦを特徴とする中心窩からの反射光と、第２偏光状態ＰＣＦを特徴とする周辺窩からの反射光との組み合わせである。結果として、この反射光は、中心窩からの反射光と周辺窩からの反射光の相対寄与に部分的に依存する正味偏光状態（原語：net polarization state）となる。

図１の反射光の偏光状態と図２の反射光の偏光状態との差が、レンズ１０により光が中心窩１４へ正しく焦点を結んでいるかどうかを判断する手段を提供する。レンズ１０の焦点が合っている場合、こうした反射は中心窩からの反射光が支配的となる。従って、網膜１２で反射された光が中心窩からの反射光と一致した偏光状態を備えている限り、レンズ１０の焦点は合っている。

図３のブロック図において、人工視覚器官１７は、光学系２０の光学特性を変化させるアクチュエータ１８を含む。前記光学系２０は、眼の自然水晶体、眼に移植された眼内レンズ、コンタクトレンズ、又は眼鏡レンズを含むことができる。代表的なレンズには、米国特許第６，６３８，３０４号に記載されたネマチック結晶レンズと、２００４年６月２１日付けの米国特許出願第１０／８９５，５０４号に記載された変形可能及び／又は並進可能レンズとが含まれる。これら２つの内容は、本明細書に引用して援用する。
米国特許第６，６３８，３０４号公報 米国特許出願第１０／８９５，５０４号公報

様々なアクチュエータを人工視覚器官１６内で使用できる。これらには、米国特許第６，６３８，３０４号に記載された電極と、２００４年６月２１日付けの米国特許出願第１０／８９５，５０４号に記載された人工筋肉アクチュエータとが含まれる。

図３に示した人工視覚器官１７において、レンズ２０は第１偏光状態にある光のみを通過させる偏光領域２２を備えている。偏光領域２２を出る光をサンプリングするための第１検出器２４が設けられている。第１検出器２４は、その入力光の偏光状態を示す第１信号をコントローラ２６に与える。網膜１２から反射する光をサンプリングするための第２検出器２８が設けられている。第２検出器２８は、その反射光の偏光状態を示す第２信号をコントローラ２６に与える。第１信号と第２信号との組合せが、網膜１２からの反射が網膜に入射する偏光の偏光状態を変化させる程度を示すものとなる。

中心窩１４がそれ自身に入射する光の偏光状態を変化させる程度が既知となるように、コントローラ２６には較正が施されている。これら第１及び第２信号並びに較正デ―タに基づいて、コントローラ２６は、網膜１２から反射した光への中心窩からの反射光及び周辺窩からの反射光の寄与を割り出す。すると、コントローラ２６は、中心窩の寄与が周辺窩の寄与の減少を伴って増加するようにレンズ２０の焦点距離を変化させる信号をアクチュエータ１８に発生する。

図４は、中心窩からの反射光と周辺窩からの反射光との寄与をコントローラ２６により測定可能とする方法を図示する。図４の第１偏光ベクトルＰＩは網膜１２に入射する光の偏光状態を表し、第２偏光ベクトルＰＦは中心窩からの反射光の偏光状態を表す。第３偏光ベクトルＰＭは検出器による測定値に対応する。この第３偏光ベクトルＰＭは、反射への中心窩の寄与と周辺窩の寄与とを組み合わせた効果を表している。中心窩の寄与は第３偏光ベクトルＰＭの第２偏光ベクトルＰＦへの投影であり、周辺窩の寄与はその残り部分であることは明らかなはすである。

多くの場合は、焦点をどちらに移動すべきかを判断できない。これは、中心窩の寄与及び周辺窩の寄与の相対寄与に基づく限り、焦点面が網膜１２の前方にあるのか後方にあるのかを判断できないからである。

人も双眼鏡の焦点を合わせようとすると同様の問題に直面する。ぼやけた像を見ていても、この像を合焦するにはどちらの方向に焦点調節ノブを回すべきかどうかは分からない。ほとんどの人はこれを解決するのに、焦点調節ノブを何れかの方向に回し像が更にぼやければ、反対方向に回して同じことが起こるかどうかを試してみることになる。同様に、コントローラ２６は、焦点面を一方向に移動させる信号をアクチュエータ１８に送り、中心窩と周辺窩からの反射の相対寄与の変化を観察する。仮に周辺窩の寄与が中心窩の寄与の減少を伴って増加すれば、コントローラ２６は焦点面を反対方向に移動させる信号を送ることでコントローラ自身を修正する。

図５に示した人工視覚器官３０の別の実施形態は、入射光に直交偏光状態を与える第１及び第２偏光領域３６，３４を備えたレンズを備えている。例えば、一実施形態では、第１偏光領域３６は第１方向に偏光された光のみを通過させ、第２偏光領域３４は第１方向に直交する第２方向に偏光された光のみを通過させる。結果として、第２偏光領域３４を出る光は網膜反射の偏光効果を表すが、第１偏光領域３６の偏光効果は除去されている。次に、この光は検出器３８に与えられる。検出された光に基づいて、コントローラが信号をコントローラ４０に与える。コントローラ４０はこの信号を用いて、アクチュエータ４２にレンズの焦点距離を調整させる制御信号を生成する。

角膜も光をある程度偏光させることが知られている。図６に示した別の実施形態はこの角膜による偏光を利用する。この実施形態では、第１検出器４４は角膜４６を通過する光を受け取るように配置されており、第２検出器４８は網膜１２から反射する光を受け取るように配置されている。検出器４４、４８の出力は次にコントローラ５０によって処理され、このコントローラは、図１に関連して述べた様態で制御信号をアクチュエータ５２に与える。

上述の実施形態のうち幾つかは第１及び第２検出器を備えている。これら実施形態では、こうした検出器の機能を単一装置に統合できる。

上述の実施形態のうち幾つかでは、１つまたは複数の偏光領域がレンズに一体化されている。しかし、必ずしもそうである必要はない。これら偏光領域は、レンズまたはその一部の光学通路上に配置した別個の要素により実現してもよい。例えば、偏光領域を光学効果のない平板に組み込んでもよい。

上述の記載では、「レンズ」という用語は、協働して入射光を合焦させる１つまたは複数の光学素子を含む集成体を意味するものとして使用されている。「レンズ」という用語は、必ずしも単一の屈折要素に限定されるものと解釈されるべきではない。

本明細書に記載した実施形態のうち少なくとも幾つかは、イナトラオキュラー（原語：inatraocular）レンズ、コンタクトレンズ、又は眼鏡レンズと組み合わせて使用可能である。

上述の実施形態は光波をサンプリングする単一検出器を備えるものとして記載されているが、光波をレンズの複数位置でサンプリングする複数の検出器を配置できることは理解されるはずである。

本発明をその詳細な説明に関連して記載してきたが、上述の説明は例示を意図したものであり、本発明の範囲を限定するものではない。又、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲によって定義される。他の局面、利点、及び変更も次の特許請求の範囲に入る。

本発明及びその好適な実施形態を説明してきたが、新規であると主張し且つ特許証により確保するものは以下の通りである。

中心窩に光を集束するレンズを示す。 中心窩の前方に光を集束するレンズを示す。 ２つの検出器と１つの偏光領域を備えた人工視覚器官の一実施形態を示す。 偏光ベクトルの分解を示す。 ２つの偏光領域と１つの検出器を備えた人工視覚器官の一実施形態を示す。 偏光が角膜によってもたらされる場合の実施形態を示す。

Claims (18)

1. 人工視覚器官であって、
   角膜から反射する光の偏光状態を検出するよう配置された第１検出器と、
   前記第１検出器と通信するコントローラであって、前記偏光状態を示す測定信号を前記検出器から受け取ると共に、該測定信号に応答して、前記網膜と光学連通した光学系の光学特性を偏光させる制御信号を発生するコントローラとを含む、人工視覚器官。
2. 前記網膜と光学連通した第１偏光子を更に含み、該第１偏光子が第１偏光状態を備えた光の通過を遮断する、請求項１に記載の人工視覚器官。
3. 前記第１偏光子が、前記光学素子におけるレンズの第１偏光領域を含む、請求項２に記載の人工視覚器官。
4. 前記第１偏光子を通過する光を検出するよう配置された第２検出器を更に含み、該第２検出器が、前記第１偏光子を通過する光を表す信号を前記コントローラに与える、請求項２に記載の人工視覚器官。
5. 前記網膜と光学連通した第２偏光子を更に含み、該第２偏光子が、前記第１偏光状態と直交する第２偏光状態を備えた光の通過を遮断する、請求項２に記載の人工視覚器官。
6. 前記第１検出器が角膜に移植されるよう構成されている、請求項１に記載の人工視覚器官。
7. 前記光学系が眼内レンズを含む、請求項１に記載の人工視覚器官。
8. 前記光学系がコンタクトレンズを含む、請求項１に記載の人工視覚器官。
9. 前記光学系が眼鏡レンズを含む、請求項１に記載の人工視覚器官。
10. 前記光学系が眼の自然水晶体を含む、請求項１に記載の人工視覚器官。
11. 前記コントローラが、前記網膜の中心窩領域から反射された偏光と、前記網膜の他の部分から反射された偏光との比較に少なくとも部分的に基づいて制御信号を発生するよう構成されている、請求項１に記載の人工視覚器官。
12. 前記コントローラが、前記第１検出器により検出された前記偏光状態と、前記網膜の中心窩から反射された光に関連する偏光状態との比較に基づいて制御信号を発生するよう構成されている、請求項１に記載の人工視覚器官。
13. 前記コントローラが、前記光学系の焦点距離を変化させる制御信号を発生するよう構成されている、請求項１に記載の人工視覚器官。
14. 網膜から反射した光の偏光状態を示す信号に応答して、光学素子の光学特性を変化させるよう構成されたコントローラを含む、人工視覚器官。
15. 人工視覚器官を制御する方法であって、
    角膜から反射する光の偏光状態を検出する段階と、
    前記偏光状態を示す測定信号を受け取る段階と、
    該測定信号に応答して、前記網膜と光学連通した光学系の光学特性を変化させる制御信号を発生する段階とを含む、方法。
16. 制御信号を発生する前記段階が、前記網膜の中心窩領域から反射された偏光と、前記網膜の他の部分から反射された偏光とを比較する段階と、少なくとも部分的に該比較に基づいて前記制御信号を発生する段階とを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 制御信号を発生する前記段階が、前記網膜の中心窩から反射された光に関連した偏光状態に少なくとも部分的に基づいて制御信号を発生する段階とを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記制御信号に応答して前記光学系の焦点距離を変化させる段階を更に含む、請求項１５に記載の方法。

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