CN118285961B - 人工晶状体系统及其焦距调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工晶状体领域，具体公开了一种人工晶状体系统及其焦距调节方法。该人工晶状体系统包括焦距可调的人工晶状体，该焦距可调的人工晶状体包括：环形支架；设置于环形支架中心处的多个透镜，多个透镜沿着环形支架的轴向方向堆叠布置；以及设置在环形支架与多个透镜之间的多层人工肌肉，多层人工肌肉沿着环形支架的轴向方向堆叠布置，每层人工肌肉一端与环形支架连接，另一端与多个透镜之一连接，每层人工肌肉均可在供给电压作用下在环形支架的轴向方向上弯曲变形以带动与其连接的透镜轴向移动。本发明提供的人工晶状体系统具有焦距可调并且调节范围大、调节方式简单易控、调节精度高等优点。

Description

人工晶状体系统及其焦距调节方法

技术领域

本发明属于人工晶状体领域，具体涉及一种人工晶状体系统及其焦距调节方法。

背景技术

由于晶状体代谢紊乱而导致晶状体蛋白质变性发生混浊，使得光线被混浊的晶状体所阻挡，无法到达视网膜上，从而引起视力下降，形成白内障。白内障患者视力模糊，严重者还可能致盲。手术是治疗白内障的有效手段，使用超声波将晶状体核粉碎成乳糜状，然后将这种乳糜状的晶状体核吸出，但保留晶状体囊。囊膜被保留，同时植入后房型人工晶状体，术后可恢复视力。植入的人工晶状体未必“合身”，人工晶状体不像正常人的晶状体那样，可以在睫肌的作用下改变形状，从而调节进入眼睛的光线聚焦在视网膜的黄斑部。患者使用人工晶状体后，由于人工晶状体没有调节功能，无法根据需要自动把近处和远处的物体发射（反射）的光线聚焦在黄斑部，从而造成视觉上的一些不适：如看远视力好，则看近视力差；看近视力好，则看远视力差。

为了使患者植入人工晶状体后远近都有清晰视力，传统技术进一步提出了多焦点人工晶状体以及可调节人工晶状体。其中，多焦点人工晶状体，即人工晶状体的透镜上有多个不同长度的焦距，这样使得近处和远处的光线在通过多焦点人工晶状体后，都有部分光线在视网膜上形成清晰的物象。但这种多焦点人工晶状体在眼内形成多个成像焦点，需要大脑去“适应”，患者会有炫光、光晕或者夜视能力差的问题。这些多焦点人工晶状体不是可调节的人工晶状体，还不能完全实现眼部正常的调节功能。对于可调节人工晶状体，植入该晶状体的病人可通过自身睫状肌的舒张和收缩来改变晶状体形状，实现看远、看近。但对于年纪较大的病人，眼内肌肉本身的收缩力就较小，加上晶状体囊袋中的晶状体纤维弹性变差，增大了调节所需的作用力，因此调节的能力受限，不能真正满足可调节人工晶状体的作用。

因此，一种焦距可调的人工晶状体是本领域所亟需的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦距可调的人工晶状体，以克服现有技术中的人工晶状体不具备自我调节能力或者自我调节能力受限的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种人工晶状体系统，其包括焦距可调的人工晶状体，所述焦距可调的人工晶状体包括：

环形支架；

设置于所述环形支架中心处的多个透镜，所述多个透镜沿着所述环形支架的轴向方向堆叠布置；以及

设置在所述环形支架与所述多个透镜之间的多层人工肌肉，所述多层人工肌肉沿着所述环形支架的轴向方向堆叠布置，每层人工肌肉一端与所述环形支架连接，另一端与所述多个透镜之一连接，每层人工肌肉均可在供给电压作用下在所述环形支架的轴向方向上弯曲变形以带动与其连接的透镜轴向移动。

根据本发明的一个实施例，所述人工晶状体系统还包括：

生物电信号采集单元，所述生物电信号采集单元贴设于人眼睫肌表面，用于采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号；以及

控制单元，所述控制单元与所述生物电信号采集单元通信连接，所述控制单元配置用于：

从所述生物电信号采集单元接收所述生物电信号；并且

基于所述生物电信号，控制至少一层人工肌肉的供给电压以调节所述人工晶状体的系统焦距。

根据本发明的一个实施例，所述控制单元还配置用于：

基于所述生物电信号，通过第一数据模型得到所述人工晶状体的第一期望系统焦距，其中所述第一数据模型为生物电信号与第一期望系统焦距之间的对应关系模型；

基于所述人工晶状体的第一期望系统焦距，通过第二数据模型得到最佳焦距调节方案，其中所述第二数据模型为第一期望系统焦距与各个透镜的轴向位移之间的对应关系模型；并且

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第一期望系统焦距。

根据本发明的一个实施例，所述最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，

所述控制单元配置用于：

基于所述最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第三数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的期望供给电压，其中所述第三数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型；并且

向相应人工肌肉施加所述期望供给电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第一期望系统焦距。

根据本发明的一个实施例，所述多个透镜中的至少一些设置为液体透镜，所述液体透镜的透镜面曲率可通过调节外加电压而改变，

所述控制单元还配置用于：基于所述生物电信号，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以调节所述人工晶状体的系统焦距。

根据本发明的一个实施例，所述控制单元还配置用于：

基于所述生物电信号，通过第四数据模型得到所述人工晶状体的第二期望系统焦距，其中所述第四数据模型为生物电信号与第二期望系统焦距之间的对应关系模型；

基于所述人工晶状体的第二期望系统焦距，通过第五数据模型得到最佳焦距调节方案，其中所述第五数据模型为第二期望系统焦距与各个透镜的轴向位移、各个液体透镜的透镜面曲率之间的对应关系模型；

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第二期望系统焦距。

根据本发明的一个实施例，所述最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据和/或需要调节透镜面曲率的液体透镜的身份数据及其透镜面曲率数据，

所述控制单元还配置用于：

基于所述最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第六数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的期望供给电压，其中所述第六数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型；并且

向相应人工肌肉施加所述期望供给电压；和/或

基于所述最佳焦距调节方案中的需要调节透镜面曲率的液体透镜的身份数据及其透镜面曲率数据，通过第七数据模型得到相应液体透镜的期望外加电压，其中所述第七数据模型为液体透镜的透镜面曲率与期望外加电压之间的对应关系模型；并且

向相应液体透镜施加所述期望外加电压。

根据本发明的一个实施例，所述人工晶状体还包括设置在所述环形支架上的无线接收线圈，所述无线接收线圈用于接收无线感应电能并为所述人工晶状体的部件供电。

根据本发明的一个实施例，所述人工肌肉呈环形，其外边沿与所述环形支架连接，其内边沿与所述透镜连接。

根据本发明的一个实施例，所述人工肌肉包括多个环形电极，所述多个环形电极同心间隔设置，用于控制所述人工肌肉的弯曲变形幅度。

根据本发明的一个实施例，每个透镜均与至少一层人工肌肉连接。

根据本发明的一个实施例，所述控制单元还配置用于：

将系统焦距划分为互不重合的几个范围并且预先建立各个范围与相应的子模型之间的对应关系；

当基于所述生物电信号得到相应的期望系统焦距时，确定相应的期望系统焦距所属的范围以及与所属的范围对应的子模型；

从相应的子模型中选择所述最佳焦距调节方案。

根据本发明的第二方面，提供了一种人工晶状体系统的焦距调节方法，所述人工晶状体系统为本发明第一方面所述的人工晶状体系统，所述焦距调节方法包括以下步骤：

当人眼观察物体时，采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号；

基于所述生物电信号，通过相应的数据模型得到所述人工晶状体的系统焦距；

基于所述人工晶状体的系统焦距，通过相应的数据模型得到最佳焦距调节方案；

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压。

根据本发明的一个实施例，在确定所述最佳焦距调节方案时，考虑焦距调节时间、调节部件数量以及调节精度等因素中的一个或多个。

根据本发明的一个实施例，在确定所述最佳焦距调节方案时，考虑焦距调节时间和透镜移动数量，并且优先选择焦距调节时间最短的方案作为所述最佳焦距调节方案，其次选择透镜移动数量最少的方案作为所述最佳焦距调节方案。

根据本发明的一个实施例，在确定所述最佳焦距调节方案时，考虑焦距调节时间、系统精度以及透镜移动数量，并且优先选择焦距调节时间最短的方案作为所述最佳焦距调节方案，其次选择系统精度最高的方案作为所述最佳焦距调节方案，最后选择透镜移动数量最少的方案作为所述最佳焦距调节方案。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果中的至少一项：

本发明提供的人工晶状体系统，通过设置多个透镜以及多层人工肌肉，可以通过调节至少一层人工肌肉的供给电压以引起其弯曲变形，进而带动相应的透镜轴向移动，来调节人工晶状体的系统焦距；通过将多个透镜中的至少一些设置为液体透镜，可以通过调节至少一个液体透镜的外加电压以改变其透镜面曲率，来调节人工晶状体的系统焦距；通过设置多层人工肌肉以及多个液体透镜，可以通过控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压来调节人工晶状体的系统焦距。

本发明提供的人工晶状体系统具有焦距可调并且调节范围大、调节方式简单易控、调节精度高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的焦距可调的人工晶状体的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的焦距可调的人工晶状体的结构示意图；

图3为本发明提供的焦距可调的人工晶状体植入人眼后的状态示意图；

图4为本发明一实施例使用的液体透镜的结构示意图；

图5为本发明一实施例使用的环形支架的正视图；

图6为图5所示的环形支架的环形主体部的局部断面图；

图7为图5所示的环形支架的环形盖板部的结构示意图；

图8为本发明一实施例使用的人工肌肉的工作原理示意图；

图9为本发明一实施例使用的人工肌肉的结构示意图；

图10为本发明一实施例提供的焦距调节方法的流程图。

附图标记说明

1人工晶状体；

11环形支架；111环形主体部；1111内侧壁；1112外侧壁；1113底壁；1114卡扣开口；112环形盖板部；1121内边沿；1122外边沿；卡扣凸起1123；

12透镜；121容器；122第一圆形玻璃片；123第二圆形玻璃片；124电解液；125非电解液；126透镜层；127第一金属电极；128第二金属电极；129绝缘材料；

13人工肌肉；131环形电极；132第一电控弯曲区域、133第二电控弯曲区域；134第三电控弯曲区域；

14无线接收线圈；

2晶状体囊；3睫状体；4巩膜；5视网膜；6玻璃体；7角膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“包含”、“包括”、“具有”等指示非排他性的包含，术语“第一”、“第二”等用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。“多个”的含义是指两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，当元件被称为“固定于”或“安装于”或“设置于”或“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接位于该另一个元件上。例如，当一个元件被称为“连接于”另一个元件上，它可以是直接或间接连接到该另一个元件上。

需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。

如背景技术部分所提及的，现有技术中的人工晶状体不具备自我调节能力或者自我调节能力受限，为此，本发明旨在提供一种焦距可调的人工晶状体，以解决上述问题。

本发明第一方面提供了一种包括焦距可调的人工晶状体的人工晶状体系统。如图1-3所示，该焦距可调的人工晶状体1包括：环形支架11；设置于环形支架11中心处的多个透镜12，多个透镜12沿着环形支架11的轴向方向A堆叠布置；以及设置在环形支架11与多个透镜12之间的多层人工肌肉13，多层人工肌肉13沿着环形支架11的轴向方向A堆叠布置，每层人工肌肉13一端与环形支架11连接，另一端与多个透镜12之一连接，每层人工肌肉13均可在供给电压作用下在环形支架11的轴向方向A上弯曲变形以带动与其连接的透镜12轴向移动。本发明提供的人工晶状体系统，通过设置多个透镜12以及多层人工肌肉13，可以通过调节至少一层人工肌肉13的供给电压，改变至少一层人工肌肉13的弯曲变形，带动相应的透镜12轴向移动，由此调节人工晶状体1的系统焦距。

图1示出了本发明一实施例提供的焦距可调的人工晶状体的结构示意图。在该实施例中，设置了两个透镜12以及两层人工肌肉13，每个透镜12与一层人工肌肉13连接。图2示出了本发明另一实施例提供的焦距可调的人工晶状体的结构示意图。在该实施例中，设置了三个透镜12以及三层人工肌肉13，每个透镜12与一层人工肌肉13连接。尽管在所示的实施例中，透镜12的数量与人工肌肉13的层数一致，但是在另外一些实施例中，透镜12的数量也可以与人工肌肉13的层数不一致，例如，透镜12的数量小于人工肌肉13的层数，每个透镜12可以与不止一层人工肌肉13连接。尽管本文给出了设置两个或三个透镜12的实施例，然而，应当理解的是，透镜12的数量不限于此，也可以设置三个以上的透镜12。

在使用过程中，本发明提供的焦距可调的人工晶状体1需植入人眼眼球的晶状体囊中。图3示出了本发明提供的人工晶状体1植入人眼后的状态示意图。如图所示，本发明提供的人工晶状体1植入人眼眼球的晶状体囊2中，将晶状体囊2撑开并被晶状体囊2所固定。在安装状态下，人工晶状体1的环形支架11的轴心与人眼眼轴（或角膜轴线）重合。在图3中，附图标记3指示睫状体，附图标记4指示巩膜，附图标记5指示视网膜，附图标记6指示玻璃体，附图标记7指示角膜。本发明提供的焦距可调的人工晶状体1，通过将环形支架11、多个透镜12、多层人工肌肉13连接起来，制成一个整体件，可方便地植入到晶状体囊2中，避免了手术安装过程中、用户使用过程中不同元件之间相对位置的标定、调整，减少了手术的复杂度。

在一些实施例中，为了实现人工晶状体焦距自适应调节，人工晶状体系统还包括生物电信号采集单元和控制单元。生物电信号采集单元贴设于人眼睫肌表面，用于采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号。控制单元与生物电信号采集单元通信连接，控制单元配置用于从生物电信号采集单元接收生物电信号并且基于生物电信号控制至少一层人工肌肉13的供给电压以调节人工晶状体1的系统焦距。

在一些实施例中，生物电信号采集单元包括多个金属电极触点，多个金属电极触点分别贴设于睫肌的不同位置，用于实时感测睫肌收缩产生的生物电信号。睫肌包括横纹肌和睫状肌。分别在横纹肌和睫状肌处贴设金属电极触点用以分别采集横纹肌和睫状肌收缩时产生的生物电信号，并将生物电信号强度较大的一个传送至控制单元用以调节人工晶状体1的系统焦距。

在一些实施例中，生物电信号采集单元包括薄膜压敏电阻，用于随睫肌收缩发生形变而改变阻值。相较于采集生物电信号，肌肉的收缩更容易被检测到，可以通过薄膜压敏电阻感知肌肉的收缩情况，并将肌肉收缩情况转换为阻值变化，用于控制人工晶状体的系统焦距。

在一些实施例中，控制单元可以设置在环形支架11上。

在一些实施例中，控制单元配置用于：基于生物电信号，通过第一数据模型得到人工晶状体1的第一期望系统焦距，其中第一数据模型为生物电信号与第一期望系统焦距之间的对应关系模型；基于人工晶状体1的第一期望系统焦距，通过第二数据模型得到最佳焦距调节方案，其中第二数据模型为第一期望系统焦距与各个透镜的轴向位移之间的对应关系模型；基于最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压以将人工晶状体1的系统焦距调节为第一期望系统焦距。其中，第一数据模型可以基于大数据计算得到，第二数据模型可以基于人工晶状体1的参数设置经测量或模拟预先建立。

在一些实施例中，控制单元配置用于：基于人工晶状体1的第一期望系统焦距，通过第二数据模型得到能够实现第一期望系统焦距的所有焦距调节方案；从所有焦距调节方案中选择一个焦距调节方案作为最佳焦距调节方案。在选择最佳焦距调节方案时，可以考虑透镜移动数量、焦距调节时间以及调节精度等因素。一般而言，透镜移动数量越少，焦距调节时间越短，调节精度越高，可以越快、越精确地实现焦距的自适应调节，用户对人工晶状体的体验感越好。为此，可以从所有焦距调节方案中选择透镜移动数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。其中，“焦距调节时间”为调节到期望系统焦距所需的总时间。

在一些实施例中，为了改善用户对人工晶状体的体验感，也即为了使用户能够更快、更清楚地看清物体，控制单元配置用于：将系统焦距划分为互不重合的几个范围，例如，第一范围、第二范围；预先建立各个范围与相应的子模型之间的对应关系，例如，第一范围对应于轴向移动多个透镜中的第一透镜所能实现的系统焦距调节范围，与第一范围对应的第一子模型为第一期望系统焦距与第一透镜的轴向位移之间的对应关系模型，第二范围对应于轴向移动多个透镜中的第一透镜和第二透镜所能实现的系统焦距调节范围，与第二范围对应的第二子模型为第一期望系统焦距与第一透镜和第二透镜的轴向位移之间的对应关系模型。当得到人工晶状体1的第一期望系统焦距时，首先确定第一期望系统焦距所属的范围，例如，是属于第一范围还是第二范围，然后基于第一期望系统焦距所属的范围确定相应的子模型，从相应的子模型中选择能够实现第一期望系统焦距的方案作为最佳焦距调节方案。这种预先划分范围的方式有助于更快速地确定出最佳焦距调节方案，以便更快地实现焦距的自适应调节。

在此情况下，最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据。控制单元配置用于：基于最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第三数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的期望供给电压，其中第三数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型；并且向相应人工肌肉施加期望供给电压以将人工晶状体1的系统焦距调节为第一期望系统焦距。其中，第三数据模型可以基于人工晶状体1的参数设置经测量或模拟预先建立。其中，需要轴向移动的透镜的身份数据可以是指示需要轴向移动的透镜的身份的任何数据，该身份数据与透镜一一关联，例如，身份数据可以是透镜的编号信息。

在一些实施例中，控制单元配置用于：对从生物电信号采集单元接收到的生物电信号进行预处理，并且将预处理后的生物电信号传输至第一数据模型。此处的预处理可以包含信号的特征提取、筛选、放大等。

在一些实施例中，多个透镜12中的至少一些设置为液体透镜，液体透镜的透镜面曲率可通过调节外加电压而改变。控制单元还配置用于：基于生物电信号，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以调节所述人工晶状体的系统焦距。在设置多个液体透镜的情况下，多个液体透镜可以选用相同参数指标的液体透镜，也可以选用不同参数指标的液体透镜。

液体透镜是将液体作为透镜，通过改变液体的曲率来改变焦距。在一些实施例中，液体透镜12是利用介质上电润湿（EWOD）原理的可变焦光透镜，也称为液体变焦透镜。图4给出了液体透镜的一种示例结构。液体透镜12的整体形状像一个圆柱体，图4为其侧视图，其中心轴线为图中的水平方向。在安装状态下，液体透镜12与环形支架11同轴设置，即液体透镜12的中心轴线与环形支架11的中心轴线重合。液体透镜12包括盛有液体的圆柱状容器121以及分别位于容器121左右两侧的第一圆形玻璃片122和第二圆形玻璃片123。容器121内注有两种液体，其中一种为电解液，另一种为非电解液。在所示的实施例中，位于容器121左侧的是电解液124，位于容器121右侧的是非电解液125。由于互不相溶，两种液体自然就会在其接触面处形成一层清晰可见的透镜层126，对光线起到会聚作用。容器121的内侧壁分为两层：一层呈圆柱形、另一层呈圆台形，且两层均设置有金属电极，分别为第一金属电极127和第二金属电极128。在两个金属电极127和128之间涂有一层绝缘材料129，以使两电极之间不导电。

液体透镜12的变焦原理如下：由于电解液124与非电解液125之间互不相溶，在不加电压时，液体交界面在表面张力的相互作用下自然形成一层对称的透镜膜，液体透镜12此时的焦距是固定的；当对液体透镜12施加电压时，在电场的作用下，接触面之间的电量发生变化，从而产生一种使原有的表面张力之间不再平衡的外力，在外力作用下达到新的平衡，从而改变透镜面126的曲率半径，进而改变液体透镜12的焦距。

在透镜12设置为液体透镜的一些实施例中，控制单元还配置用于可选地通过控制至少一个液体透镜的外加电压来调节人工晶状体1的系统焦距。具体地，控制单元还配置用于：基于生物电信号，通过第四数据模型得到人工晶状体1的第二期望系统焦距，其中第四数据模型为生物电信号与第二期望系统焦距之间的对应关系模型；基于人工晶状体1的第二期望系统焦距，通过第五数据模型得到最佳焦距调节方案，其中第五数据模型为第二期望系统焦距与各个透镜的轴向位移、各个液体透镜的透镜面曲率之间的对应关系模型；基于最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以将人工晶状体的系统焦距调节为第二期望系统焦距。其中，第四数据模型可以与第一数据模型相同或不同，第四数据模型可以基于大数据计算得到，第五数据模型可以基于人工晶状体1的参数设置经测量或模拟预先建立。

在一些实施例中，控制单元配置用于：基于人工晶状体1的第二期望系统焦距，通过第五数据模型得到能够实现第二期望系统焦距的所有焦距调节方案；从所有焦距调节方案中选择一个焦距调节方案作为最佳焦距调节方案。在选择最佳焦距调节方案时，可以考虑调节部件数量、焦距调节时间以及调节精度等因素中的一个或多个，其中，“调节部件数量”为调节到期望系统焦距所需调整或改变的部件的数量，此处“调节部件”包括液体透镜和人工肌肉。调节部件数量、焦距调节时间与调节精度三者之间有着错综复杂的关系。

在一些实施例中，为了改善用户对人工晶状体的体验感，也即为了使用户能够更快、更清楚地看清物体，控制单元配置用于：将系统焦距划分为互不重合的几个范围，例如，第一范围、第二范围、第三范围；考虑上述因素预先建立各个范围与相应的子模型之间的对应关系，例如，考虑到相比于调节人工肌肉的供给电压以调节透镜的轴向位移，调节液体透镜的外加电压以调节液体透镜的透镜面曲率具有调节速度快、调节精度高等优点，第一范围对应于调节液体透镜的外加电压所能实现的系统焦距调节范围，与第一范围对应的第一子模型为第二期望系统焦距与各个液体透镜的透镜面曲率之间的对应关系模型，第二范围对应于调节液体透镜的外加电压以及轴向移动多个透镜中的第一透镜所能实现的系统焦距调节范围，与第二范围对应的第二子模型为第二期望系统焦距与各个液体透镜的透镜面曲率以及第一透镜的轴向位移之间的对应关系模型，第三范围对应于调节液体透镜的外加电压以及轴向移动多个透镜中的第一透镜和第二透镜所能实现的系统焦距调节范围，与第三范围对应的第三子模型为第二期望系统焦距与各个液体透镜的透镜面曲率以及第一透镜和第二透镜的轴向位移之间的对应关系模型。当得到人工晶状体1的第二期望系统焦距时，首先确定第二期望系统焦距所属的范围，例如，是属于第一范围、第二范围还是第三范围，然后基于第二期望系统焦距所属的范围确定相应的子模型，从相应的子模型中选择能够实现第二期望系统焦距的方案作为最佳焦距调节方案。这种预先划分范围的方式有助于更快速地确定出最佳焦距调节方案，以便更快地实现焦距的自适应调节。

在此情况下，最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据和/或需要调节透镜面曲率的透镜的身份数据及其透镜面曲率数据。控制单元还配置用于：基于最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第六数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的供给电压，其中第六数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型，并且向相应人工肌肉施加期望供给电压；和/或，基于最佳焦距调节方案中的需要调节透镜面曲率的液体透镜的身份数据及其透镜面曲率数据，通过第七数据模型得到相应液体透镜的期望外加电压，其中第七数据模型为液体透镜的透镜面曲率与期望外加电压之间的对应关系模型，并且向相应液体透镜施加该期望外加电压。其中，第六数据模型和第七数据模型可以基于人工晶状体1的参数设置经测量或模拟预先建立。

在一些实施例中，人工晶状体1还包括：设置在环形支架11上的无线接收线圈14，无线接收线圈14用于接收无线感应电能并为人工肌肉13和/或液体透镜12供电。具体地，无线接收线圈15用于感应外设装置发送的电磁波，得到交流感应电动势。外设装置例如可以设置为穿戴式眼镜。穿戴式眼镜（例如其镜框）上可以集成有无线发送线圈，无线发送线圈可以向无线接收线圈14发送电磁波，以便无线接收线圈14感应产生电能。本发明中，采用无线接收线圈14供电实现了内部电路的无源设计，用于保证人眼的安全性。

下面对人工晶状体1的部分元件进行详细说明。

环形支架

环形支架11用于将晶状体囊2撑开。环形支架11外侧与晶状体囊2内壁之间的摩擦力可以防止人工晶状体1在晶状体囊2中扭曲、平移和旋转。环形支架11可以由生物相容性较好的柔性材料制作而成，如钛合金，铂铱合金等。

环形支架11上安装无线接收线圈14以及可选的控制单元。在一些实施例中，环形支架11形成有呈环形的封闭腔室，无线接收线圈14以及可选的控制单元可以容纳于封闭腔室内，以便于实现对无线接收线圈14以及可选的控制单元的保护。在另外一些实施例中，环形支架11形成有不封闭的安装部，无线接收线圈14以及可选的控制单元可以安装在此不封闭的安装部中。

图5-7示出了环形支架11的一种示例结构。如图所示，环形支架11由图6所示的环形主体部111和图7所示的环形盖板部112两部分构成。环形主体部111和环形盖板部112组装在一起，形成用于容纳无线接收线圈14的封闭腔室。

如图6所示，环形主体部111的截面呈U形，环形主体部111由位于内侧的内侧壁1111、位于外侧的外侧壁1112以及连接内侧壁1111和外侧壁1112的底壁1113三部分构成，其中内侧壁1111和外侧壁1112形成U形的两个侧部，底壁1113形成U形的底部。内侧壁1111和外侧壁1112上分别间隔设置有多个卡扣开口1114。

如图7所示，环形盖板部112的内边沿1121和外边沿1122上分别间隔设置有多个卡扣凸起1123，卡扣凸起1123可与环形主体部111上的卡扣开口1114卡接，以使得环形盖板部112可以与环形主体部111可拆卸地组装成封闭腔室。

在一些实施例中，为了不影响无线电能传输，环形盖板部112可以采用人体组织相容的非金属材料制备，如硅胶。使用时，将环形支架11具有环形盖板部112的一侧面向无线发送线圈，从而方便电磁场穿过环形盖板部112并在无线接收线圈14上感应生成交流电。在此情况下，环形盖板部112的内边沿1121径向设置的多个卡扣凸起1123可以设置为内嵌于硅胶板内的金属电极，其一端由环形盖板部112的厚度边缘伸出，另一端由环形盖板部112的内侧表面伸出并与设置于环形盖板部112内侧的无线接收线圈14电连接。

在另外一些实施例中，环形盖板部112可以直接用作无线接收线圈使用。具体地，环形盖板部112由金属丝（如铂铱合金丝）盘制而成。环形盖板部112的内边沿1121径向设置的多个卡扣凸起1123为贴设于金属丝盘表面的金属电极，且在二者之间设置绝缘层用于避免二者的导电连接。

在一些实施例中，当环形盖板部112与环形主体部111卡接后，卡扣凸起1123伸出卡扣开口1114的部分形成外侧壁固定部与内侧壁固定部，其中，外侧壁固定部用于与晶状体囊2连接，内侧壁固定部用于与人工肌肉13连接。在一些实施例中，内侧壁固定部的长短不一，用于连接人工肌肉13不同位置上的控制电极（具体请参见下文）。

在一些实施例中，环形盖板部112的外边沿1122径向设置的多个卡扣凸起1123呈环柄形状以方便与晶状体囊2进行缝合固定；环形盖板部112的内边沿1121径向设置的多个卡扣凸起1123呈片状以方便与人工肌肉13的控制电极进行导电粘合。

人工肌肉

本发明中提及的人工肌肉13，也称为电致人工肌肉、电驱动的人工肌肉或电动人工肌肉，是指在控制电压作用下能够发生弯曲形变的人工肌肉。人工肌肉13的电控弯曲方向对应于环形支架11的轴向方向。此处提及的“电控弯曲方向”是指在控制电压作用下人工肌肉发生弯曲形变的方向。人工肌肉13能够在控制电压作用下前后摆动，带动与其连接的透镜12相对于角膜7的轴线位置发生改变，使得眼球的焦距得到改变。

在一些实施例中，人工肌肉13设置为由离子聚合物-金属复合物材料（IonicPolymor-metal Composites，IPMC）制备而成的人工肌肉，其通常由离子交换膜和附着于离子交换膜两侧的金属电极（如铂、金）构成。离子交换膜呈现液固两相结构，其内部由憎水基聚合物网格和可移动的阳离子（如Na离子）、溶剂（水分子）组成。IPMC作为电致人工肌肉使用的工作原理包括：如图8所示，当在离子交换膜的两侧表面上的金属电极上施加电压时，其将在离子交换膜两侧形成电场，使得离子交换膜内部的阳离子在电场的作用下向阴极移动，与此同时水分子也会在阳离子迁移的作用下朝着阴极移动，使得阴极一侧的水分子浓度和阳离子浓度升高，并使得阳极一侧的水分子浓度和阳离子浓度降低，进而形成浓度梯度差，进而使得阴极一侧发生膨胀，阳极一侧发生收缩，从而导致材料整体的弯曲和变形。IPMC用作人工肌肉具有以下优点：1. 驱动电压低，4-7V的电压下就能够正常工作；2. IPMC适合在潮湿的环境下工作；3.能够产生较大的位移；4. 反应速度快，在微秒到秒级之间；5.与常规材料构成的“电机驱动+机械传动”的模式相比，电致人工肌肉不需要复杂的齿轮和轴承等传动机构，它的“电能+化学+驱动”模式更加直接有效，效能更高。

在一些实施例中，人工肌肉13设置成环形，其外边沿与环形支架11连接，其内边沿与透镜12连接。将人工肌肉设计为环形，有助于形成对透镜12的稳定支撑，并且其电控范围更大，能够提供更强的弯曲牵引力。

在一些实施例中，如图9所示，人工肌肉13包括多个环形电极131，多个环形电极131同心间隔设置，用于控制人工肌肉13的弯曲幅度。如前所述，人工肌肉13的弯曲是由电场范围内的离子移动而引起的，通过间隔设置多组同心的电极，用于控制不同范围内的离子浓度。在图9中，虚线所示的环形电极131为阳极，实线所示的环形电极131为阴极，阳极设置于环形肌肉靠近内径的一侧，多个阴极依次向外扩散设置，其中，阴极与阳极位于环形肌肉的两侧。在使用过程中，当控制不同电压信号施加在不同的阴阳极组合上时，其将分别控制第一电控弯曲区域132、第二电控弯曲区域133或第三电控弯曲区域134中的阳离子和水分子朝向阴极移动，进而控制第一电控弯曲区域132、第二电控弯曲区域133或第三电控弯曲区域134发生弯曲形变。

在一些实施例中，为了实现对焦距的精确控制，用于控制人工肌肉13的弯曲幅度的参数除了向不同的阴阳极组合施加电压信号之外，还包括控制电压信号的大小，并且当受控范围不同时，电压信号的大小范围也不尽相同。例如，对于第一电控弯曲区域132，可选地，其控制电压的范围为4-5V，对于第二电控弯曲区域133，可选地，其控制电压的范围为4-6V，对于第三电控弯曲区域134，可选地，其控制电压的范围为4-7V。

本发明第二方面提供了一种适用于本发明第一方面所述的人工晶状体系统的焦距调节方法。如图10所示，该焦距调节方法包括以下步骤：

S1：当人眼观察物体时，采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号。这例如可以通过前面提及的生物电信号采集单元来实现。

S2：基于步骤S1采集到的生物电信号，通过相应的数据模型得到人工晶状体的期望系统焦距。相应的数据模型可以是前文提及的第一数据模型或者第四数据模型。

S3：基于步骤S2得到的人工晶状体的期望系统焦距，通过相应的数据模型得到最佳焦距调节方案。相应的数据模型可以是前文提及的第二数据模型或者第五数据模型。

S4：基于所步骤S3得到的最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压。

优选地，在步骤S3中，在选择最佳焦距调节方案时，可以考虑焦距调节时间、调节部件数量以及调节精度等因素中的一个或多个。

例如，在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，可以仅考虑焦距调节时间，并且选择焦距调节时间最短的方案作为最佳焦距调节方案。

在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，可以仅考虑调节部件数量，并且选择调节部件数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。

在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，可以仅考虑调节精度，选择调节精度最高的方案作为最佳焦距调节方案。

在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，可以考虑焦距调节时间和透镜移动数量，并且优先选择焦距调节时间最短的方案作为最佳焦距调节方案，其次选择透镜移动数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。也就是说，在多个焦距调节方案均能实现期望系统焦距的情况下，选择该多个焦距调节方案中焦距调节时间最短的方案作为最佳焦距调节方案；在多个焦距调节方案的焦距调节时间均最短的情况下，选择该多个焦距调节方案中透镜移动数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。

在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，可以考虑焦距调节时间、系统精度以及透镜移动数量，并且优先选择焦距调节时间最短的方案作为最佳焦距调节方案，其次选择系统精度最高的方案作为最佳焦距调节方案，最后选择透镜移动数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。也就是说，在多个焦距调节方案均能实现期望系统焦距的情况下，选择该多个焦距调节方案中焦距调节时间最短的方案作为最佳焦距调节方案；在多个焦距调节方案的焦距调节时间均最短的情况下，选择该多个焦距调节方案中系统精度最高的方案作为最佳焦距调节方案；在多个焦距调节方案的系统精度均最高的情况下，选择该多个焦距调节方案中透镜移动数量最少的方案作为最佳焦距调节方案。

在一些情况下，在选择最佳焦距调节方案时，也可以综合考虑焦距调节时间、调节部件数量以及调节精度。具体地，为这三个因素分配相应的权重系数，并且针对能实现期望系统焦距的多个方案，分别计算相应的综合评价分数，基于综合评价分数的大小选择最佳焦距调节方案。

考虑调节精度特别适合用于设置了多个不同参数指标的液体透镜的方案，在设置多个不同参数指标的液体透镜的情况下，各个液体透镜的透镜面曲率的调节精度会有所不同，在调节系统焦距时，可以考虑系统调节精度来选择最佳焦距调节方案以尽可能减小焦距调节的误差。

综上所述，本发明提供的人工晶状体系统具有焦距可调并且调节范围大、调节方式简单易控、调节精度高等优点。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工晶状体系统，其特征在于，包括焦距可调的人工晶状体，所述焦距可调的人工晶状体包括：

环形支架；

设置于所述环形支架中心处的多个透镜，所述多个透镜沿着所述环形支架的轴向方向堆叠布置；以及

设置在所述环形支架与所述多个透镜之间的多层人工肌肉，所述多层人工肌肉沿着所述环形支架的轴向方向堆叠布置，所述人工肌肉呈环形，每层人工肌肉的外边沿与所述环形支架连接，内边沿与所述多个透镜之一连接，每层人工肌肉均可在供给电压作用下在所述环形支架的轴向方向上弯曲变形以带动与其连接的透镜轴向移动。

2. 根据权利要求1所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述人工晶状体系统还包括：

生物电信号采集单元，所述生物电信号采集单元贴设于人眼睫肌表面，用于采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号；以及

控制单元，所述控制单元与所述生物电信号采集单元通信连接，所述控制单元配置用于：

从所述生物电信号采集单元接收所述生物电信号；并且

基于所述生物电信号，控制至少一层人工肌肉的供给电压以调节所述人工晶状体的系统焦距。

3.根据权利要求2所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述控制单元还配置用于：

基于所述生物电信号，通过第一数据模型得到所述人工晶状体的第一期望系统焦距，其中所述第一数据模型为生物电信号与第一期望系统焦距之间的对应关系模型；

基于所述人工晶状体的第一期望系统焦距，通过第二数据模型得到最佳焦距调节方案，其中所述第二数据模型为第一期望系统焦距与各个透镜的轴向位移之间的对应关系模型；并且

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第一期望系统焦距。

4.根据权利要求3所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，

所述控制单元配置用于：

基于所述最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第三数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的期望供给电压，其中所述第三数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型；并且

向相应人工肌肉施加所述期望供给电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第一期望系统焦距。

5.根据权利要求2所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述多个透镜中的至少一些设置为液体透镜，所述液体透镜的透镜面曲率可通过调节外加电压而改变，

所述控制单元还配置用于：基于所述生物电信号，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以调节所述人工晶状体的系统焦距。

6.根据权利要求5所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述控制单元还配置用于：

基于所述生物电信号，通过第四数据模型得到所述人工晶状体的第二期望系统焦距，其中所述第四数据模型为生物电信号与第二期望系统焦距之间的对应关系模型；

基于所述人工晶状体的第二期望系统焦距，通过第五数据模型得到最佳焦距调节方案，其中所述第五数据模型为第二期望系统焦距与各个透镜的轴向位移、各个液体透镜的透镜面曲率之间的对应关系模型；

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压以将所述人工晶状体的系统焦距调节为所述第二期望系统焦距。

7.根据权利要求6所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述最佳焦距调节方案包括需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据和/或需要调节透镜面曲率的液体透镜的身份数据及其透镜面曲率数据，

所述控制单元还配置用于：

基于所述最佳焦距调节方案中的需要轴向移动的透镜的身份数据及其轴向位移数据，通过第六数据模型得到与相应透镜连接的人工肌肉的期望供给电压，其中所述第六数据模型为透镜的轴向位移与相应人工肌肉的期望供给电压之间的对应关系模型；并且

向相应人工肌肉施加所述期望供给电压；和/或

基于所述最佳焦距调节方案中的需要调节透镜面曲率的液体透镜的身份数据及其透镜面曲率数据，通过第七数据模型得到相应液体透镜的期望外加电压，其中所述第七数据模型为液体透镜的透镜面曲率与期望外加电压之间的对应关系模型；并且

向相应液体透镜施加所述期望外加电压。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的人工晶状体系统，其特征在于，还包括以下中的一项或多项：

所述人工晶状体还包括设置在所述环形支架上的无线接收线圈，所述无线接收线圈用于接收无线感应电能并为所述人工晶状体的部件供电；

所述人工肌肉包括多个环形电极，所述多个环形电极同心间隔设置，用于控制所述人工肌肉的弯曲变形幅度；

每个透镜均与至少一层人工肌肉连接。

9.根据权利要求3或6所述的人工晶状体系统，其特征在于，所述控制单元还配置用于：

将系统焦距划分为互不重合的几个范围并且预先建立各个范围与相应的子模型之间的对应关系；

当基于所述生物电信号得到相应的期望系统焦距时，确定相应的期望系统焦距所属的范围以及与所属的范围对应的子模型；

从相应的子模型中选择所述最佳焦距调节方案。

10.一种人工晶状体系统的焦距调节方法，其特征在于，所述人工晶状体系统为权利要求1-9中任一项所述的人工晶状体系统，所述焦距调节方法包括以下步骤：

当人眼观察物体时，采集人眼睫肌收缩产生的生物电信号；

基于所述生物电信号，通过相应的数据模型得到所述人工晶状体的系统焦距；

基于所述人工晶状体的系统焦距，通过相应的数据模型得到最佳焦距调节方案；

基于所述最佳焦距调节方案，控制至少一层人工肌肉的供给电压和/或至少一个液体透镜的外加电压。