Системный контроллер для электронной офтальмологической линзы с переменными оптическими свойствами
Изобретение относится к медицине. Офтальмологическая линза с электропитанием содержит: мягкую пластиковую часть, которая содержит электронную вставку, при этом электронная вставка включает электронную систему, оптический элемент с переменными оптическими свойствами, который активируется или управляется электронной системой, при этом указанная электронная система встроена в электронную вставку офтальмологической линзы и выполнена с возможностью использования в глазу или на глазу; системный контроллер, встроенный в электронную систему для управления ее работой, при этом системный контроллер выполнен с возможностью реализации ведущего конечного автомата, который принимает сигнал и генерирует сигнал; электронную схему, встроенную в электронную систему, при этом электронная схема функционально связана с системным контроллером и обеспечивает его электропитанием, при этом электронная схема включает один или более источников электропитания и одну или более схем или входов тактового генератора; и первый датчик и первый тракт сигнала датчика, второй датчик и второй тракт сигнала датчика, причем ведущий конечный автомат выполнен с возможностью периодически активировать первый датчик и первый тракт сигнала датчика и принимать сигнал датчика, несущего значение или последовательность значений, и причем период активации соответствует предварительно заданной частоте выборки первого датчика и первого тракта сигнала датчика, при этом первый и второй датчики выбираются из: датчика освещенности, датчика давления, емкостного датчика касания, или электромагнитной катушки, или антенны для восприятия радиочастотных или низкочастотных электромагнитных сигналов, датчика положения века, датчика конвергенции зрачка, направленного назад датчика расширения зрачка, датчика типа пара излучатель-детектор, датчика распознавания моргания или любой комбинации датчиков; исполнительное устройство, выполненное с возможностью принимать выходной сигнал системного контроллера. Применение данного изобретения позволит уменьшить размеры прибора и снизить энергопотребление прибора. 30 з.п.ф-лы, 7 ил.
ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА СМЕЖНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящая заявка на патент испрашивает преимущество предварительной заявки на патент США №61/619727, поданной 3 апреля 2012 года, и предварительной заявки на патент США №61/619655, поданной 3 апреля 2012 года.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или электронной офтальмологической линзе с переменными оптическими свойствами, более конкретно, к системному контроллеру для управления электронной офтальмологической линзой с переменными оптическими свойствами.
2. Обсуждение смежной области
Поскольку размеры электронных устройств продолжают уменьшаться, все более вероятным становится создание пригодных для ношения или встраивания микроэлектронных устройств для различных сфер применения. Такие сферы применения могут включать контроль биохимических процессов в организме, введение контролируемых доз лекарственных препаратов или терапевтических агентов с помощью различных механизмов, включая автоматические, в ответ на измерения или внешние сигналы управления, а также усиление работы органов или тканей. Примеры таких устройств включают инфузионные насосы для введения глюкозы, кардиостимуляторы, дефибрилляторы, вспомогательные желудочковые системы и нейростимуляторы. Новую особенно ценную сферу применения создают пригодные для ношения офтальмологические линзы и контактные линзы. Например, пригодная для ношения линза может включать узел линзы, имеющий фокус с возможностью электронного регулирования для дополнения или улучшения функции глаза. В другом примере пригодная для ношения контактная линза, с фокусом с возможностью регулирования или без него, может включать электронные датчики для распознавания концентраций конкретных химических веществ в прекорнеальной (слезной) пленке. Применение встроенных в узел линзы электронных компонентов определяет потенциальную потребность в установлении связи с такими электронными компонентами, способе подачи питания и/или повторной зарядки электронных компонентов, взаимном соединении электронных компонентов, внутреннем и внешнем сборе информации с датчика и/или контроле, а также в управлении электронными компонентами и всей работой линзы.
Человеческий глаз способен различать миллионы цветов, легко адаптироваться к меняющимся условиям освещения и передавать сигналы или информацию в мозг со скоростью, превышающей скорость высокоскоростного Интернет-соединения. Линзы, такие как контактные линзы и интраокулярные линзы, в настоящее время применяют для коррекции таких дефектов зрения, как миопия (близорукость), гиперметропия (дальнозоркость), пресбиопия и астигматизм. Однако правильно сконструированные линзы, которые содержат дополнительные компоненты, можно использовать как для улучшения зрения, так и для коррекции дефектов зрения.
Контактные линзы можно применять для коррекции миопии, гиперметропии, астигматизма и других дефектов остроты зрения. Контактные линзы также можно использовать для улучшения естественного внешнего вида глаз пользователя. Контактные линзы - это просто линзы, которые размещают на передней поверхности глаза. Контактные линзы относятся к медицинским устройствам и могут применяться для коррекции зрения и/или в косметических или иных терапевтических целях. Контактные линзы применяют в коммерческих масштабах для улучшения зрения с 1950-х гг. Первые образцы контактных линз изготавливали или конструировали из твердых материалов. Такие линзы были относительно дорогими и хрупкими. Кроме того, такие первые контактные линзы изготавливали из материалов, которые не обеспечивали достаточной диффузии кислорода через контактную линзу в конъюнктиву и роговицу, что могло потенциально повлечь за собой ряд неблагоприятных клинических эффектов. Хотя такие контактные линзы используются и в настоящее время, они применимы не у всех пациентов вследствие низкого уровня первичного комфорта. Более поздние разработки в этой области привели к созданию мягких контактных линз на основе гидрогелей, которые сегодня чрезвычайно популярны и широко используются. В частности, доступные в настоящее время силикон-гидрогелевые контактные линзы сочетают преимущества силикона, отличающегося исключительно высокой кислородной проницаемостью, с признанным удобством при ношении и клиническими показателями гидрогелей. По существу такие силикон-гидрогелевые контактные линзы обладают более высокой кислородной проницаемостью, и их по существу удобнее носить, чем контактные линзы, изготовленные из применяемых ранее твердых материалов.
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональной возможности в такие полимерные структуры встраивают различные электросхемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактную линзу с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительной функциональности, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. С другой стороны или в дополнение к любым из этих или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для распознавания падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.
Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов во фрагмент полимера оптического качества. По существу, по множеству причин производство таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности затруднительны. Также затруднительно производство компонентов в масштабе. Компоненты, которые помещают на или в линзу, должны быть уменьшены в размере и встроены в прозрачный полимер размером 1,5 квадратного сантиметра (принимая во внимание линзу с радиусом 7 мм), который защищает эти компоненты от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя при ношении с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Более конкретно, 1,5 квадратного сантиметра прозрачного полимера представляют собой всю площадь контактной линзы. В некоторых примерах осуществления предпочтительно размещать электронные компоненты в периферической зоне линзы, за пределами ее оптической зоны. В альтернативных примерах осуществления также возможно использовать тонкопленочные материалы или прозрачный силикон. В описанном выше примере при выделении центральной части линзы диаметром 8 (восемь) мм (радиусом 4 мм) под оптическую зону для размещения электронных компонентов остается максимум 1 (один) квадратный сантиметр площади. В будущих конструкциях для электронных компонентов может оставаться еще меньше места, например, возможны конструкции с круговыми кольцами площадью приблизительно 0,17 квадратного сантиметра (17 квадратных миллиметров), не включая оптический элемент с переменным фокусом. Это означает, что для работы с кристаллом ИС может оказаться доступной площадь, равная лишь максимум 1,26 квадратного миллиметра. Иными словами, для целей настоящего изобретения требуется конструкция и конфигурация непревзойденного масштаба.
Учитывая ограничения площади и объема офтальмологического устройства, такого как контактная линза, и среду ее эксплуатации, при физической реализации устройства необходимо решить ряд проблем, включая монтаж и взаимное соединение ряда электронных компонентов на неплоской поверхности, в основном содержащей пластмассу оптического качества. Таким образом, существует необходимость в создании надежной электронной контактной линзы с механическими и электронными компонентами.
Поскольку данные линзы подключены к электропитанию, проблемой является энергия или, более конкретно, потребление тока и энергии, приводящей в действие электронные компоненты, учитывая, что технология батарей применяется в масштабе офтальмологической линзы. В дополнение к обычному потреблению тока устройства или системы с электропитанием такого типа по существу требуют запас тока в холостом режиме, точное управление напряжением и возможности переключения для обеспечения эксплуатации в потенциально широком диапазоне эксплуатационных параметров, а также при пиковом потреблении, например, до 18 (восемнадцати) часов от одной зарядки после потенциального отсутствия активности в течение нескольких лет. Соответственно, существует потребность в системе, оптимизированной для низкозатратной, продолжительной и надежной работы, обеспечивающей безопасность и размер и при этом требуемую мощность.
Кроме того, учитывая сложную функциональность линзы с электропитанием и высокий уровень взаимодействия между всеми компонентами, содержащими линзу с электропитанием, существует потребность в координации и управлении всей работой электронных и оптических компонентов, составляющих офтальмологическую линзу с электропитанием. Для управления электронными офтальмологическими устройствами рассматривалась возможность применения коммерческих микроконтроллеров, однако доступные в настоящее время микроконтроллеры имеют множество недостатков при использовании в электронном офтальмологическом устройстве. В настоящее время такие микроконтроллеры имеют площадь приблизительно 5 (пять) квадратных миллиметров с размерами сторон, превышающими допустимые для некоторых конструкций офтальмологических устройств, а также толщину кристалла приблизительно несколько сотен микрон, которая также является слишком большой для офтальмологического устройства. Коммерческие микроконтроллеры не приспособлены конкретно к требованиям электронной офтальмологической системы и поэтому могут содержать ненужные функциональные блоки, что приводит к излишним затратам пространства и энергии, или они могут не содержать необходимых функциональных блоков. Есть и другие ограничения, которые не позволяют использовать доступные в продаже микроконтроллеры и другие серийные электронные компоненты в электронных офтальмологических устройствах. Соответственно, существует потребность в системе, управляющей работой всех других компонентов, которая является безопасной, низкозатратной и надежной, имеет низкое энергопотребление и обеспечивает масштабируемость, что позволяет встроить ее в офтальмологическую линзу.
В системы линз с электропитанием могут быть встроены устройства хранения энергии (батареи) с высоким внутренним сопротивлением и низкой емкостью. Компоненты предшествующего уровня техники, такие как доступные в продаже микроконтроллеры, требуют пиковых и средних токов, которые являются слишком высокими для источников питания этого типа, поэтому пиковый ток может приводить к недопустимому падению выходного напряжения батареи, а средний ток может приводить к слишком быстрой разрядке батареи, не обеспечивая срок службы батареи, требуемый для системы линз с электропитанием.
Соответственно, существует потребность в системном контроллере, который может обеспечить гибкую работу электронных и электромеханических или электрохимических систем, встроенных в линзу с электропитанием, и который разработан и выполнен с возможностью сведения к минимуму общего энергопотребления системы. Системный контроллер должен быть чувствительным к изменяющимся условиям, как внешним, так и происходящим в линзе с электропитанием, чтобы обеспечить оптимальную комбинацию функциональных возможностей или эксплуатационных характеристик при максимальном снижении энергопотребления. Кроме того, системный контроллер предпочтительно должен требовать или занимать объем и площадь, достаточно малые для интеграции в контактную линзу вместе с другими необходимыми компонентами.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Системный контроллер настоящего изобретения, включая электронную схему и алгоритмы управления для управления офтальмологической линзой с переменными оптическими характеристиками, лишен характерных для устройств предшествующего уровня техники недостатков, кратко описанных выше.
Настоящее изобретение относится к контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая выполняет любое количество функций, включая активацию оптических элементов с переменным фокусом. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков (первый и второй датчики), схему тактового генератора, схему управления, выполняющую применимые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы. Система может дополнительно содержать схемы, распознающие моргание с использованием падающего света или других электромагнитных волн или полей.
В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение относится к офтальмологическому прибору. Офтальмологический прибор содержит встроенную в офтальмологическое устройство электронную систему, выполненную с возможностью использования по меньшей мере в одном из: на глазу или в глазу, встроенный в электронную систему системный контроллер для управления ее работой, при этом системный контроллер выполнен с возможностью реализации ведущего конечного автомата, принимающей по меньшей мере один сигнал и генерирующей по меньшей мере один сигнал, электронную схему, встроенную в электронную систему, при этом электронная схема функционально связана с системным контроллером и обеспечивает его питанием, при этом электронная схема включает один или более источников питания и одну или более схем или входов тактового генератора, и по меньшей мере одно исполнительное устройство, выполненное с возможностью принимать по меньшей мере один выходной сигнал от системного контроллера.
Системный контроллер содержит набор конечных автоматов, реализованных в виде цифровой логической схемы, которые управляют компонентами системы. Системный контроллер может принимать питание, напряжение смещения и один или более тактовых сигналов от схемы управления питанием и схемы тактового генератора. Системный контроллер выполняет предварительно заданные или заранее запрограммированные операции, которые предусмотрены в конструкции цифровой логической схемы. Системный контроллер выполняет множество функций, включая запуск одного или более датчиков для получения одной или более выборок сигналов, сгенерированных одним или более датчиками (входные сигналы датчиков), хранение входных сигналов датчиков, сравнение входных сигналов датчиков с запрограммированными структурами сигналов, определение следующего действия и следующего состояния системы на основе текущего состояния системы и входных сигналов датчиков или сохраненных входных сигналов датчиков, а также активацию или дезактивацию других компонентов, содержащихся в системе. Системный контроллер может также быть запрограммирован с использованием различных интерфейсов для изменения его работы.
Системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, является безопасным, недорогим и надежным средством управления электронной контактной линзой с переменными оптическими свойствами, который также имеет низкую скорость энергопотребления и может быть масштабирован по площади, объему и т.п. для встраивания в офтальмологическое устройство, такое как контактная линза, без значительного воздействия на комфорт или пригодность к ношению.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Описанные выше и другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после изучения представленного ниже более подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных с помощью сопроводительных чертежей.
На фигуре 1 представлена блок-схема примера системы линз с переменным фокусом в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 2 представлена блок-схема интегрированной части системы линз с переменным фокусом, представленной на фигуре 1.
На фигуре 3 представлен пример схемы перехода состояний ведущего конечного автомата системного контроллера, составляющего предмет настоящего изобретения.
На фигуре 4 представлена временная схема первого примера последовательности операций генератора тактовых импульсов и сигнала сброса и ведущего конечного автомата в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 5 представлена временная схема второго примера последовательности операций генератора тактовых импульсов и сигнала сброса и ведущего конечного автомата в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 5А представлен расширенный период временной схемы второго примера последовательности операций генератора тактовых импульсов и сигнала сброса и ведущего конечного автомата, представленной на фигуре 5, в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 6 представлена блок-схема части генератора тактовых импульсов и сигнала сброса примера системы управления в соответствии с настоящим изобретением.
На фигуре 7 схематически представлен пример электронной вставки, включающей систему управления, для контактной линзы с электропитанием в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Традиционные контактные линзы представляют собой полимерные структуры конкретной формы, предназначенные для коррекции различных проблем со зрением, которые были кратко описаны выше. Для обеспечения улучшенной функциональности в такие полимерные структуры встраивают различные электрические схемы и компоненты. Например, схемы управления, микропроцессоры, устройства связи, блоки питания, датчики, исполнительные устройства, светоизлучающие диоды и миниатюрные антенны могут быть встроены в контактную линзу с помощью изготовленных на заказ оптоэлектронных компонентов, предназначенных не только для коррекции зрения, но и для его улучшения и обеспечения дополнительной функциональности, как описано в настоящем документе. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения зрения за счет способности к увеличению или уменьшению изображения или простого изменения рефракционных свойств линз. Электронные контактные линзы и/или контактные линзы с электропитанием могут быть выполнены с возможностью улучшения цветовосприятия и разрешения, отображения текстовой информации, распознания устной речи и ее представления в виде текста в режиме реального времени, отображения визуальных подсказок навигационной системы, обеспечения обработки изображений и доступа в Интернет. Линзы могут быть выполнены таким образом, чтобы в процессе их ношения пользователь мог видеть в условиях низкой освещенности. Правильно сконструированные электронные компоненты и/или расположение электронных компонентов на линзах могут позволить проецировать изображение на сетчатку, например, без оптической линзы с переменным фокусом, что позволяет отображать новое изображение или даже активировать сигналы будильника. С другой стороны или в дополнение к любым из этих или аналогичных функций контактные линзы могут включать компоненты неинвазивного контроля биомаркеров и показателей здоровья пользователя. Например, встроенные в линзу датчики могут позволять пациенту, страдающему диабетом, принимать таблетки в соответствии с уровнем сахара в крови, выполняя анализ компонентов слезной пленки без забора крови. Кроме того, правильно выполненная линза может включать датчики для контроля содержания холестерина, натрия и калия, а также других биологических маркеров. В сочетании с беспроводным блоком передачи данных они могут позволить врачу получать практически немедленный доступ к результатам биохимического анализа крови пациента, при этом пациент может не тратить время на посещение лаборатории и забор крови. Кроме того, встроенные в линзы датчики можно использовать для распознавания падающего на глаз света с целью компенсации освещения окружающей среды или определения шаблонов моргания.
Контактная линза с электропитанием или электронная контактная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, содержит элементы, которые необходимы для коррекции и/или улучшения зрения пациентов с одним или более из описанных выше дефектов зрения или выполнения полезных офтальмологических функций иным способом. Кроме того, они могут использоваться только для усиления нормального зрения или обеспечения широкого спектра вышеописанных функциональных возможностей. Электронная контактная линза может содержать оптическую линзу с переменным фокусом, оптическое устройство в сборе, устанавливаемое на переднюю поверхность глаза и встроенное в контактную линзу, или электронные компоненты, встроенные напрямую без линзы для обеспечения любых применимых функциональных характеристик. Электронная линза, составляющая предмет настоящего изобретения, может быть встроена в любое количество контактных линз, как описано выше. Кроме того, интраокулярные линзы также могут содержать различные компоненты и функции, описанные в настоящем документе. Однако для простоты объяснения описание будет посвящено электронной контактной линзе для коррекции дефектов зрения, которая предназначена для одноразового повседневного использования.
В описании используется термин «офтальмологическое устройство». В общем смысле офтальмологическое устройство может включать контактные линзы, интраокулярные линзы, линзы очков и пробки для слезного канальца. Однако в соответствии с настоящим изобретением офтальмологическое устройство является устройством для лечения заболевания глаз, коррекции и/или улучшения зрения и предпочтительно включает по меньшей мере одно из пробок для слезного канальца, линз очков, контактных линз и интраокулярных линз. Интраокулярная линза (ИОЛ) представляет собой имплантированную в глаз линзу, заменяющую хрусталик. Она может применяться у людей с катарактой или просто для коррекции различных недостатков рефракции. Как правило, ИОЛ представляет собой небольшую пластиковую линзу с боковыми пластиковыми распорками, которые называют гаптическими элементами, которые удерживают линзу в определенном положении в капсулярном мешке глаза. Любые электронные элементы и/или компоненты, описанные в настоящем документе, могут быть встроены в ИОЛ таким же способом, как и в контактные линзы. Пробка для слезного канальца, или окклюдер - офтальмологическое устройство для введения в слезный каналец глаза для коррекции одного или более болезненных состояний. Несмотря на то что настоящее изобретение можно использовать в любом из таких устройств, в предпочтительных примерах осуществления настоящее изобретение используется в контактных линзах или интраокулярных линзах.
Настоящее изобретение относится к офтальмологической линзе с электропитанием или контактной линзе с электропитанием, содержащей электронную систему, которая активирует оптические элементы с переменным фокусом или любое другое устройство или устройства, выполненные с возможностью реализации любого количества возможных функций. Электронная система включает одну или более батарей или других источников питания, схему управления питанием, один или более датчиков, схему тактового генератора, схему управления, выполняющую применимые управляющие алгоритмы, и схему привода линзы. Сложность этих компонентов может быть различной в зависимости от требуемой или желаемой функциональности линзы.
Важно отметить, что системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, может принимать любое количество входных сигналов для управления офтальмологической линзой с электропитанием или электронной офтальмологической линзой, например, контактной линзой, содержащей оптический элемент с изменяемой оптической силой или оптический элемент с переменным фокусом для увеличения удаленных и уменьшения близкорасположенных объектов.
Системный контроллер, или система управления, содержит одно или более устройств, выполненных с возможностью управления, контроля, направления и/или регулирования действий других устройств и/или систем. Несмотря на то что есть множество различных типов систем управления, их по существу можно разделить на два класса или типа, а именно логические или последовательностные системы управления и системы управления с обратной связью или линейные системы управления. В логической или последовательностной системе управления генерируются сигналы управления, которые в предварительно заданной последовательности активируют ряд исполнительных элементов для решения одной или более задач. В системе управления с обратной связью петля управления, включающая один или более датчиков, алгоритмы управления и исполнительные устройства, выполнена с возможностью регулировать значение переменной в заданной точке или опорное значение. В любой системе управления с обратной связью необходимо знать следующее предполагаемое действие системы, чтобы понять, насколько хорошо работает система, и использовать информацию о характеристиках системы для корректировки и управления системой.
Компоненты основной системы управления с обратной связью можно описать следующим образом. Система управления содержит управляемую систему или объект и выполнена с возможностью принимать входной сигнал и генерировать выходной сигнал. Выходной сигнал объекта поступает на датчик, который измеряет один или более параметров объекта и обеспечивает сигнал обратной связи. Затем сигнал обратной связи посредством компаратора или иного подходящего устройства вычитается из входного сигнала с получением сигнала ошибки. Затем сигнал ошибки используется как входной сигнал для контроллера, который генерирует выходной сигнал, поступающий на объект, таким образом заставляя объект выполнить желаемое действие. По существу сигнал обратной связи с датчика пытается учесть все сложности системы в целом и генерирует выходной сигнал, который является желаемым результатом для заданного входного сигнала. Все системы управления разрабатывают в рамках конкретных законов управления, и они, как правило, представляют собой компромисс по различным аспектам, включая скорость и точность работы. Несмотря на то что это описание значительно упрощено и изложено в терминах применительно к аппаратному обеспечению, оно является основой для систем управления с обратной связью, которые можно реализовать аппаратным, программным образом или любой их комбинацией.
Системы управления с обратной связью можно дополнительно классифицировать на пропорциональные контроллеры, интегральные контроллеры, контроллеры с импульсом по производной или их комбинации. В пропорциональном контроллере управляющее действие пропорционально ошибке. В интегральном контроллере инициирующий сигнал или входной сигнал объекта пропорционален интегралу ошибки. В контроллере с импульсом по производной выходной сигнал процесса пропорционален скорости изменения входного сигнала. Каждый тип контроллера имеет свои преимущества, как хорошо известно в области систем управления. Например, при использовании интегрального контроллера можно достигнуть статической ошибки.
Последовательностный контроллер, как описано выше, представляет собой контроллер, в котором требуется выполнение ряда действий в конкретном порядке. Эти действия могут быть достаточно сложными, поскольку должны быть известны все условия всего процесса. Последовательностные контроллеры по существу содержат логические системы для выдачи последовательности команд для управления электрическими и/или механическими действиями. Программируемые логические контроллеры и микроконтроллеры можно запрограммировать для реализации последовательного управления.
Системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, по существу является последовательностной системой управления, хотя специалисту в данной области будет понятно, что системный контроллер или подсистемы, связанные с системным контроллером, могут включать элементы реагирования на сигнал обратной связи, поступающий через входные сигналы датчика. Примеры таких действий могут включать изменение скважности или уровня мощности подсистемы в ответ на снижение емкости батареи, корректировку частоты внутреннего тактового генератора для синхронизации с частотой, связанной с принимаемыми сигналами, и/или регулировку количества терапевтического или медицинского препарата, подаваемого в слезную пленку глаза в ответ на измерение химического состава слезной пленки.
Как описано выше, настоящее изобретение относится к контактной линзе, содержащей множество компонентов, одним из которых является системный контроллер. Надлежащая комбинация устройств может обеспечить потенциально неограниченную функциональную возможность, однако существует ряд сложностей, связанных с встраиванием дополнительных компонентов в фрагмент полимера оптического качества, который образует контактную линзу. По существу, по множеству причин производство таких компонентов непосредственно на линзе, а также монтаж и взаимное соединение плоских устройств на неплоской поверхности затруднительны. Также представляет трудности производство компонентов в масштабе и форме. Компоненты, которые помещают на или в линзу, должны быть уменьшены в размере и встроены в прозрачный полимер размером 1,5 квадратного сантиметра или, в частности, 17 (семнадцать) квадратных миллиметров, который защищает эти компоненты от жидкой среды глаза. Также затруднительно изготовление контактной линзы, которая будет комфортна и безопасна для пользователя при ношении с учетом дополнительной толщины дополнительных компонентов.
Помимо указанных выше требований к размерам компонентов, встраиваемые в контактную линзу электронные устройства должны быть надежны и безопасны при использовании в по существу водной среде. Слезная жидкость имеет pH приблизительно 7,4 и содержит приблизительно 98,2 процента воды и 1,8 процента твердых веществ, включая электролиты, такие как натрий, калий, кальций, магний и хлориды. Это довольно жесткая среда для встраивания электронных компонентов. Кроме того, контактные линзы по существу выполнены с возможностью ношения в течение по меньшей мере четырех часов, более предпочтительно более восьми часов. Электронным компонентам необходима энергия. Эта энергия может поступать из ряда источников, включая встроенные батареи. Поскольку при таких размерах батареи и другие потенциальные источники энергии имеют ограниченный потенциал, все электронные компоненты, включая системный контроллер, предпочтительно выполнены с возможностью потребления как можно меньшего количества энергии, чтобы контактную линзу можно было носить в течение заданного промежутка времени даже после заданного периода отсутствия активности (срока хранения). Наконец, все компоненты электронной контактной линзы должны быть биосовместимыми и безопасными. Соответственно, все встраиваемые в контактную линзу электронные компоненты должны учитывать все перечисленные выше конструктивные параметры, а именно требования к размеру, возможность сохранения работоспособности в водной среде, энергопотребление и безопасность. Системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, удовлетворяет всем этим требованиям.
На фигуре 1 представлен пример осуществления системы электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом, содержащей источник питания 100, схему управления питанием 102, системный контроллер 104, контроллер Н-моста 106, умножитель напряжения 108, Н-мост 110, оптический элемент с переменным фокусом 112, датчик 114 и тракт прохождения сигнала датчика 116. Ниже подробно описан каждый из указанных выше компонентов. Важно отметить, что каждый из описанных в настоящем документе компонентов может быть реализован любым количеством подходящих способов. Также важно отметить, что функциональные блоки показаны и описаны для иллюстрации и что возможно добавление, удаление или замена функциональных блоков при соблюдении основных принципов построения управляемой системы, специально разработанной и выполненной с возможностью использования в электронном офтальмологическом устройстве или офтальмологическом устройстве с электропитанием, как описано в настоящем документе.
Офтальмологический оптический элемент с переменным фокусом или просто оптический элемент с переменным фокусом 112 может представлять собой жидкостную линзу, которая изменяет фокальные свойства, например, фокусное расстояние, в ответ на активирующее напряжение, приложенное к двум электрическим контактам оптического элемента с переменным фокусом 112. Однако важно отметить, что оптический элемент с переменным фокусом может содержать любое подходящее управляемое оптическое устройство, такое как светодиод или исполнительное устройство микроэлектромеханической системы (МЭМС). Два контакта могут соответствовать контакту на передней и задней поверхности оптического элемента с переменным фокусом 112. Активирующее напряжение может значительно превышать напряжение от используемого источника питания. Соответственно, существует потребность в других описанных в настоящем документе схемах. Источник питания 100 может содержать батарею, устройство сбора энергии, конденсатор или любое аналогичное устройство, обеспечивающее электрический ток при пригодном рабочем напряжении. В некоторых примерах осуществления источник питания 100 может представлять собой элемент индуктивной связи с внешним источником питания. Схема управления питанием 102 может содержать один или более регуляторов напряжения, преобразователей напряжения, источников образцового напряжения или тока и переключателей для избирательной активации подачи питания на остальные компоненты системы электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом. Системный контроллер 104 генерирует сигналы управления на умножитель напряжения 108 и контроллер Н-моста 106 на основе внутреннего алгоритма или в ответ на внешнее управляющее воздействие со стороны пользователя (интерфейс не показан). Умножитель напряжения 108 принимает электрический ток при низком рабочем напряжении от источника питания 100 и генерирует высокое выходное напряжение, равное или превышающее активирующее напряжение для оптического элемента с переменным фокусом 112, то есть достаточное для изменения состояния оптического элемента с переменным фокусом 112. Умножитель напряжения 108 может дополнительно содержать генератор или принимать тактовый сигнал от системного контроллера 104. В этом примере осуществления выход умножителя напряжения соединен с оптическим элементом с переменным фокусом 112 посредством переключающей схемы Н-моста 110, при этом переключатель Н-моста - хорошо известный функциональный блок электронной системы. Переключающая схема Н-моста 110 содержит переключатели между умножителем напряжения 108 и каждым из контактов оптического элемента с переменным фокусом 112, а также между каждым из контактов оптического элемента с переменным фокусом 112 и заземляющим устройством системы. Состояние переключающей схемы Н-моста 110 определяется одним или более сигналами управления системного контроллера 104. Переключающая схема Н-моста 110 может быть сконфигурирована в одно или более состояний, таких как состояние с разомкнутыми контактами оптического элемента с переменным фокусом 112, замкнутыми на землю, или схема может быть подключена к электропитанию путем подключения одного контакта к умножителю напряжения 108, а другого контакта - к заземлению, или схема может быть подключена к электропитанию с противоположной полярностью. Системный контроллер 104 может периодически изменять полярность выходного сигнала переключающей схемы Н-моста 110 для оптимизации характеристик оптического элемента с переменным фокусом 112, например, во избежание накопления избыточного заряда, которое может происходить при слишком долгом нахождении оптического элемента в одном состоянии подачи электропитания.
Датчик 114 может представлять собой датчик освещенности, такой как фотодиод, датчик давления, емкостной датчик касания или электромагнитную катушку или антенну для восприятия радиочастотных или низкочастотных электромагнитных сигналов. Датчик 114 может также представлять собой датчик положения века, датчик конвергенции зрачка, направленный назад датчик расширения зрачка, датчик типа пара излучатель-детектор, датчик распознавания моргания или любую комбинацию датчиков. Тракт 116 сигнала датчика или тракт сигнала фотодатчика содержит схему, выполненную с возможностью принимать выходной сигнал датчика 114 и выполнять его обработку для достижения желаемой фильтрации шума, усиления или иных модификаций, а также подавать обработанный сигнал датчика на системный контроллер 104. Системный контроллер 104 может управлять путем прохождения сигнала датчика 116 таким образом, чтобы активировать или дезактивировать схему или изменять рабочие параметры схемы, такие как коэффициент усиления или одну или более угловых частот фильтра. В некоторых примерах осуществления система электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом может содержать один или более датчиков, например первый и второй датчики и трактов (схем) сигнала датчика аналогичных или разных типов, например первый тракт сигнала и второй тракт сигнала.
Системный контроллер 104 содержит цифровую систему управления, которая управляет компонентами системы и может быть реализована либо в виде исполняющего программу микроконтроллера, либо в виде цифровой логической схемы, такой как один или более конечных автоматов. Важно отметить, что, независимо от способа реализации системного контроллера 104, его конструируют и выполняют с возможностью встраивания в часть контактной линзы. Соответственно, важными факторами являются размер и энергопотребление. Системный контроллер 104 может дополнительно содержать генератор для генерирования периодического тактового сигнала для системы управления. Системный контроллер 104 получает значение смещения и мощности от схемы управления питанием 102 и тактовые импульсы от схемы тактового генератора (генератора низкой частоты 202, изображенного на описанной ниже фигуре 2). Тактовый генератор низкой частоты 202 может быть самостоятельным устройством или может являться частью схемы управления питанием 102. Системный контроллер 104 выполняет предварительно заданные или заранее запрограммированные операции, которые предусмотрены в конструкции цифровой логической схемы. Системный контроллер 104 выполняет множество функций, включая активацию одного или более датчиков для получения одной или более выборок, хранение сигналов датчика, сравнение входных сигналов датчика с запрограммированными структурами, определение следующего действия на основе текущего состояния системы, а также активацию и дезактивацию других компонентов, содержащихся в системе. Системный контроллер 104 может также быть запрограммирован с использованием различных интерфейсов для изменения его работы.
На фигуре 2 показан пример осуществления интегрированной части системы электронной офтальмологической линзы с переменным фокусом с конкретными компонентами, предусмотренными в системном контроллере и связанных с ним схемах, которые могут быть интегрированы вместе на полупроводниковом кристалле. Интегрированная часть подсистемы линзы с переменным фокусом содержит регулятор напряжения vreg 200, генератор низкой частоты 202, связанную с регулятором схему сброса при включении питания vdd_por 204 и системный контроллер 206.
Регулятор напряжения vreg 200 соединен с батареей или внешним источником питания и обеспечивает регулируемое напряжение для других схем системы, в частности, для системного контроллера 206. Связанная с регулятором схема сброса при включении питания vdd_por 204 соединена с выходом регулятора, генерирует сигнал сброса por_rst_n, который указывает на то, что выходное напряжение регулятора является стабильным и находится на подходящем для работы уровне, а также обеспечивает сброс регистров системного контроллера 206 в желаемое исходное состояние по умолчанию при подаче электропитания на систему. Генератор низкой частоты 202 обеспечивает низкочастотный тактовый сигнал lf_clk для системного контроллера 206.
В этом примере осуществления системный контроллер 206 содержит ведущий конечный автомат master_fsm 208, генератор тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210, цифровую подсистему распознавания морганий dig_blink 214, подсистему цифрового приемника dig_rx 216 и контроллер умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218. Генератор тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 принимает низкочастотный тактовый сигнал lf_clk и сигнал сброса при включении питания por_rst_n от регулятора и генерирует тактовые сигналы и сигналы сброса для блоков системного контроллера 206. Ведущий конечный автомат master_fsm 208 принимает тактовый сигнал конечного автомата smclk и сигнал сброса конечного автомата smclk_rst_n от генератора тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210. Ведущий конечный автомат master_fsm 208 содержит конечный автомат, который последовательно проходит через предварительно заданную последовательность состояний, в которых разблокируются или активируются другие блоки системного контроллера 206. Цифровая подсистема распознавания морганий dig_blink 214 может содержать конечный автомат и дополнительную логическую схему для обеспечения сигнала активации adc_en и приема данных сигнала adc_data от аналого-цифрового преобразователя. Подсистема цифрового приемника dig_rx 216 может содержать конечный автомати дополнительную логическую схему для обеспечения сигнала активации rx_en и приема данных сигнала rx_data от подсистемы приемника. Подсистема приемника может содержать отдельный датчик и тракт сигнала датчика в системе линз с переменным фокусом. Контроллер умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218 может содержать логическую схему для декодирования зафиксированного или хранимого значения системного контроллера 206 и обеспечивать сигнал активации умножителя с накачкой заряда cp_an_en для умножителя напряжения с накачкой заряда. Поведение показанных на фигуре 2 сигналов и блоков дополнительно разъяснено в описаниях последующих фигур 3 и 4.
На фигуре 3 показана схема перехода состояний ведущего конечного автомата master_fsm 208 для примера осуществления, показанного на фигуре 2. Исходным состоянием является состояние IDLE 300, в которое ведущий конечный автомат master_fsm 2 08 переходит при получении сигнала сброса smclk_rst_n от генератора тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 (в этом примере осуществления используется активный низкий уровень). По фронту первого тактового импульса конечный автомат smclk ведущий конечный автомат master_fsm 208 переходит в состояние BLINK 302, в котором цифровая подсистема распознавания морганий dig_blink 214 активируется путем направления сигнала bl_go. Ведущий конечный автомат master_fsm 208 остается в состоянии BLINK 302 до получения сигнала завершения моргания bl_done от цифровой подсистемы распознавания морганий dig_blink 214, указывающего на окончание операций по распознаванию моргания. Ведущий конечный автомат master_fsm 208 может фиксировать или сохранить в регистре выходное значение цифровой подсистемы распознавания морганий dig_blink 214 для дополнительного декодирования или обработки. Выходное значение может быть основано на распознавании последовательности уровней освещенности или шаблонов моргания, например первый шаблон моргания и второй шаблон моргания, совпадающих с предварительно заданным или запрограммированным шаблоном. Один шаблон можно использовать для обновления состояния контроллера умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp. Другой шаблон можно использовать для перехода в режим приема сеанса связи. Затем ведущий конечный автомат master_fsm 208 в зависимости от значения, зафиксированного в состоянии BLINK 302, выполняет условный переход либо в состояние RX 304, либо в состояние CP 306, как показано на схеме метками «при обнаружении последовательности Rx» и «при обнаружении не последовательности Rx». В состоянии RX 304 ведущий конечный автомат master_fsm 208 активирует подсистему цифрового приемника dig_rx 216, направляя сигнал rx_go. Подсистема цифрового приемника dig_rx 216 может активировать и принимать данные от приемника системы связи, используя сигналы rx_en и rx_data. В состоянии RX 304 ведущий конечный автомат master_fsm 208 аналогичным образом ожидает или остается в этом состоянии до приема сигнала rx_done, указывающего на завершение операций приемника, после чего переходит в состояние CP 306. В состоянии CP 306 ведущий конечный автомат master_fsm 208 активирует контроллер умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218 путем направления сигнала cp_go для обновления состояния сигналов управления умножителя с накачкой заряда на основе значений, полученных либо от цифровой подсистемы распознавания морганий dig_blink 214, либо в результате работы приемника системы связи dig_rx 216. В этом примере осуществления контроллеру умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218 для обновления состояния требуется всего один период тактового импульса, так что отсутствует необходимость в соответствующем сигнале окончания. Затем ведущий конечный автомат master_fsm 208 переходит в состояние DONE 308 и остается в нем до сброса при получении сигнала smclk_rst_n.
На фигуре 4 представлена временная схема, иллюстрирующая одну из множества возможных последовательностей операций генератора тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 и ведущего конечного автомата master_fsm 208 в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. В верхней части рисунка показано, как при соединении системы с батареей или источником питания напряжение батареи Vbat увеличивается до стабильного уровня, а затем регулятор напряжения vreg 200 генерирует сигнал Vdd или Vreg, увеличивающийся до стабильного уровня. Затем связанная с регулятором схема сброса при включении питания vdd_por 204 генерирует сигнал por_rst_n активного низкого уровня, а затем отменяет сигнал для перевода в состояние неактивного высокого уровня в ответ на напряжение Vreg. Запускается генератор низкой частоты, в данном случае на низкой частоте 2,56 кГц, как показано сигналом lf_clk. Периодически генерируется внутренний сигнал пробуждения wake_det, в данном случае каждую 0,1 секунды. В этот момент сигнал сброса ведущего конечного автомата smclk_rst_n отменяется, и подаются тактовые сигналы конечного автомата на сигнал smclk. Ведущий конечный автомат master_fsm 208 переходит из исходного состояния IDLE 300 в состояние BLINK 302 и направляет сигнал активации bl_go для активации цифровой подсистемы распознавания морганий dig_blink 214 и направления тактового сигнала bl_clk блоком clk_rst_gen 210 на цифровую подсистему распознавания морганий dig_blink 214. Цифровая подсистема распознавания морганий dig_blink 214 направляет сигнал adc_en для активации аналого-цифрового преобразователя, связанного с цифровой подсистемой распознавания морганий dig_blink 214. Сигнал adc_en может быть дополнительно использован для активации источника высокочастотного тактового сигнала для аналого-цифрового преобразователя, когда аналого-цифровой преобразователь активен. Когда работа цифровой подсистемы распознавания морганий dig_blink 214 завершена, на ведущий конечный автомат master_fsm 208 подается сигнал bl_done, который затем дезактивирует сигнал bl_go, таким образом сбрасывая параметры конечного автомата dig_blink 214. Как показано в этом примере временной схемы, после этого система переходит в состояние CP 306, в котором контроллер умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218 направляет сигнал активации cp_an_en для активации умножителя напряжения с накачкой заряда 108 (фигура 1). Сигнал cp_an_en может быть дополнительно использован для активации источника
высокочастотного тактового сигнала для умножителя напряжения с накачкой заряда 108, когда умножитель напряжения с накачкой заряда 108 активен. Затем ведущий конечный автомат master_fsm 208 переходит в состояние DONE 308. В этот момент генератор тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 еще раз направляет сигнал сброса smclk_rst_n и дезактивирует тактовый генератор конечного автомата smclk. Необходимо понимать, что показанная последовательность содержит операции, которые снижают общее энергопотребление системы посредством активации тактовых сигналов и схем только при необходимости.
На фигуре 5 представлена временная схема, иллюстрирующая другую из множества возможных последовательностей операций генератора тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 и ведущего конечного автомата master_fsm 208, с указанием дополнительных компонентов тактовых сигналов в соответствии с примером системы, составляющей предмет настоящего изобретения. В состоянии BLINK 302 сигнал adc_en, обеспечиваемый цифровой подсистемой распознавания морганий dig_blink 214, можно использовать в тракте сигнала датчика для активации высокочастотного тактового импульса для аналого-цифрового преобразователя adc_clk. Высокочастотный тактовый импульс для аналого-цифрового преобразователя adc_clk можно реализовать в связанном тракте сигнала датчика или в генераторе тактовых импульсов и сигнала сброса. На фигуре 5 также показан сигнал adc_done, генерируемый аналого-цифровым преобразователем для указания на завершение операций. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения высокочастотный тактовый импульс для аналого-цифрового преобразователя adc_clk можно дезактивировать или выключить после отправки сигнала adc_done. Таким образом, высокочастотный тактовый импульс для аналого-цифрового преобразователя adc_clk будет активным в течение минимального времени, необходимого для завершения операций аналого-цифрового преобразователя. Необходимо понимать, что пропускание по сигналу adc_done позволяет дезактивировать высокочастотный тактовый импульс для аналого-цифрового преобразователя adc_clk задолго до следующего фронта тактового импульса конечного автомата smclk. Например, в некоторых примерах осуществления аналого-цифровой преобразователь выполняет операции за 13 (тринадцать) циклов высокочастотного тактового импульса для аналого-цифрового преобразователя adc_clk с частотой 1 МГц. Поэтому высокочастотный тактовый импульс для аналого-цифрового преобразователя adc_clk можно дезактивировать через 13 (тринадцать) микросекунд после его активации, то есть через относительно небольшое время после его активации ведущего конечного автомата, который работает с частотой тактового импульса 2,56 кГц или тактовой частотой 390 (триста девяносто) микросекунд. Эта модель проиллюстрирована на обведенной части 501 сигналов adc_en, adc_done и adc_clk, где показано, что сигнал adc_clk активируется при направлении сигнала adc_en (активный высокий уровень) и дезактивируется при направлении сигнала adc_done (активный высокий уровень) аналого-цифровым преобразователем. В некоторых дополнительных примерах осуществления при направлении сигнала adc_done можно дезактивировать аналоговые схемы, такие как компараторы, источники опорного напряжения или тока. Эти схемы могут потреблять относительно большое количество тока по сравнению с общей желаемой средней утечкой тока в системе, поэтому максимально быстрая дезактивация может значительно снизить общее энергопотребление системы линзы. Аналогичным образом, сигнал активации умножителя с накачкой заряда cp_an_en, обеспечиваемый цифровым контроллером умножителя напряжения с накачкой заряда dig_cp 218, можно использовать в умножителе напряжения с накачкой заряда для активации высокочастотного тактового импульса накачки заряда cp_an_clk. Таким образом, системный контроллер, работающий с низкочастотным тактовым импульсом lf_clk, может активировать или дезактивировать более высокочастотные тактовые импульсы в системе линзы с переменным фокусом, используя их только при необходимости и тем самым сводя к минимуму энергопотребление системы. Необходимо понимать, что активные операции, управляемые ведущим конечным автоматом master_fsm 208, требуют приблизительно 8 (восемь) циклов тактового генератора при частоте 2,56 кГц, или 3,125 мс, на каждом интервале продолжительностью 0,1 с, что соответствует скважности 1:32, так что сведение к минимуму продолжительности активного состояния каждой подсистемы позволяет свести к минимуму общее энергопотребление.
На фигуре 5А представлен пример набора последовательностей и операций, аналогичных представленным на фигуре 5, на более продолжительном отрезке времени, охватывающем полный интервал времени 0,1 секунды после включения. Первая последовательность пробуждения инициируется в момент отмены направления генератором тактовых импульсов и сигнала сброса сигнала сброса ведущего конечного автомата smclk_rst_n и генерации тактовых импульсов конечного автомата на сигнале smclk. Конечные автоматы системного контроллера выполняют последовательность операций, как показано на фигуре 5, и операции выполняются за время Tactive, равное 3,125 миллисекунды (мс). Как понятно из рисунка, единственными активными схемами на оставшейся части интервала Twake продолжительностью 0,1 секунды являются регулятор напряжения, низкочастотный тактовый генератор и счетчик. Вторая последовательность пробуждения инициируется в конце интервала Twake, когда генератор тактовых импульсов и сигнала сброса отменяет направление сигнала сброса ведущего конечного автомата smclk_rst_n и генерирует тактовые импульсы конечного автомата на сигнале smclk.
На фигуре 6 показан пример осуществления части генератора тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210. Генератор тактовых импульсов и сигнала сброса clk_rst_gen 210 содержит счетчик пробуждения 600, схему распознавания сигнала пробуждения 602, регистр сигнала разрешения 604, регистр активации конечного автомата 606 и вентиль тактового импульса конечного автомата 608. Когда ведущий конечный автомат master_fsm 208 находится в состоянии IDLE 300, активны только низкочастотный тактовый генератор lf_clk и счетчик пробуждения 600. Каждые 256 (двести пятьдесят шесть) циклов низкочастотного тактового импульса lf_clk счетчик пробуждения 600 направляет сигнал пробуждения на схему распознавания сигнала пробуждения 602. Схема распознавания сигнала пробуждения 602 направляет сигнал распознавания сигнала пробуждения wake_det на один цикл низкочастотного тактового импульса lf_clk после направления сигнала пробуждения. Счетчик пробуждения 600 может работать по задним фронтам низкочастотного тактового импульса lf_clk для максимального увеличения времени удержания в схеме распознавания сигнала пробуждения 602, например, если схема выполнена из логических схем на заказ. Сигнал распознавания сигнала пробуждения wake_det поступает в регистр сигнала разрешения 604. Регистр сигнала разрешения 604 направляет сигнал go при направлении сигнала wake_det и удерживает сигнал go в направленном, или активном, состоянии до поступления сигнала окончания работы ведущего конечного автомата master_fsm 208. Сигнал go поступает в регистр активации конечного автомата 606. Регистр активации конечного автомата 606 генерирует сигнал сброса конечного автомата smclk_rst_n по заднему фронту низкочастотного тактового сигнала lf_clk. Сигнал сброса конечного автомата smclk_rst_n поступает в ведущий конечный автомат master_fsm 208 и на вентиль тактового импульса конечного автомата 608. Вентиль тактового импульса конечного автомата 608 генерирует тактовый импульс конечного автомата smclk на основе низкочастотного тактового импульса lf_clk при отмене сигнала smclk_rst_n. В показанном примере осуществления сигнал smclk_rst_n направляется как сигнал низкого активного уровня и отменяется для возврата к высокому уровню. Как показано на фигуре, вентиль тактового импульса конечного автомата 608 может быть реализован как вентиль AND.
Необходимо понимать, что схемы активации и пропускания тактового импульса для подсистемы распознавания морганий, подсистемы цифрового приемника, подсистемы умножителя напряжения с накачкой заряда и дополнительных подсистем могут быть реализованы аналогично регистру активации конечного автомата 606 и вентилю тактового импульса конечного автомата 608. Таким образом, сигналы сброса, активации и тактовые сигналы могут генерироваться без искажений, при этом тактовые сигналы и подсистемы могут активироваться только при необходимости, таким образом максимально снижая энергопотребление системы.
Ведущий конечный автомат, конечные автоматы цифровых подсистем и схемы генератора тактовых импульсов и сигнала сброса могут быть разработаны с небольшим набором логических вентилей и триггеров. Таким образом, системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, может быть реализован на очень небольшой площади с помощью логических схем, выполненных по технологии комплементарной системы типа металл-оксид-полупроводник (КМОП), на кремниевом полупроводниковом кристалле интегральной схемы. Поэтому системный контроллер, составляющий предмет настоящего изобретения, обеспечивает желаемую функциональную возможность для обеспечения гибкого управления электронными системами в офтальмологической линзе способом, обеспечивающим минимальное энергопотребление и небольшую площадь и объем, совместимые с требованиями в отношении общего размера и срока службы батареи офтальмологической линзы.
Логические функции системного контроллера могут быть реализованы в виде последовательностной цифровой логической схемы, включая конечные автоматы, как хорошо известно в данной области. Необходимо понимать, что возможны альтернативные варианты осуществления, такие как реализация нескольких алгоритмов и функций в исполняемой микроконтроллером программе. Необходимо понимать, что возможны дополнительные варианты осуществления системы, такие как использование различных типов датчиков, различных алгоритмов распознавания и различного разделения функций аппаратного и программного обеспечения системы, а также разделения функций между одной или более интегрированными схемами. В одном примере осуществления системный контроллер полностью интегрирован в единый кремниевый кристалл КМОП-интегральной схемы.
На фигуре 7 показан пример контактной линзы с электронной вставкой, содержащей систему управления в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения. Пример контактной линзы 700 содержит мягкую пластиковую часть 702, которая содержит электронную вставку 704. Такая электронная вставка 704 включает линзу 706, которая активируется или управляется описанными в настоящем документе электронными компонентами, например, путем фокусирования на близкорасположенном или удаленном объекте в зависимости от состояния активации. Электронную схему 708 монтируют на вставке 704. Она соединена с источником питания 710, таким как батареи, одним или более электрическими соединительными дорожками 712.
Дополнительная схема также может быть соединена с помощью электрических соединительных дорожек 712. Электронная схема 708 может включать любые из описанных в настоящем документе компонентов, включая один или более датчиков 714.
В одном примере осуществления электронные компоненты и электронные соединения находятся в периферической зоне контактной линзы, а не в оптической зоне. В соответствии с альтернативным примером осуществления важно отметить, что положение электронных компонентов не обязательно ограничено периферической зоной контактной линзы. Все описанные в настоящем документе электронные компоненты могут быть изготовлены с применением тонкопленочной технологии и/или прозрачных материалов. При использовании таких технологий электронные компоненты могут быть расположены в любом соответствующем месте, если они совместимы с оптическими компонентами.
Хотя показанные и описанные варианты осуществления считаются наиболее практичными и предпочтительными, очевидно, что специалистам в данной области понятны возможности отступления от конкретных описанных и показанных конструкций и способов, и их можно использовать без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Настоящее изобретение не ограничено конкретными конструкциями, описанными и изображенными в настоящем документе, но все конструкции должны согласовываться со всеми модификациями в пределах объема, определенного в прилагаемой формуле изобретения.
1. Офтальмологическая линза с электропитанием, содержащая:
мягкую пластиковую часть, которая содержит электронную вставку, при этом электронная вставка включает электронную систему, оптический элемент с переменными оптическими свойствами, который активируется или управляется электронной системой,
при этом указанная электронная система встроена в электронную вставку офтальмологической линзы и выполнена с возможностью использования по меньшей мере в одном из:
в глазу или на глазу;
системный контроллер, встроенный в электронную систему для управления ее работой, при этом системный контроллер выполнен с возможностью реализации ведущего конечного автомата, который принимает по меньшей мере один сигнал и генерирует по меньшей мере один сигнал;
электронную схему, встроенную в электронную систему, при этом электронная схема функционально связана с системным контроллером и обеспечивает его электропитанием, при этом электронная схема включает один или более источников электропитания и одну или более схем или входов тактового генератора; и
первый датчик и первый тракт сигнала датчика, второй датчик и второй тракт сигнала датчика, причем ведущий конечный автомат выполнен с возможностью периодически активировать первый датчик и первый тракт сигнала датчика и принимать сигнал датчика, несущего значение или последовательность значений, и причем период активации соответствует предварительно заданной частоте выборки первого датчика и первого тракта сигнала датчика, при этом первый и второй датчики выбираются из по меньшей мере одного из: датчика освещенности, датчика давления, емкостного датчика касания, или электромагнитной катушки, или антенны для восприятия радиочастотных или низкочастотных электромагнитных сигналов, датчика положения века, датчика конвергенции зрачка, направленного назад датчика расширения зрачка, датчика типа пара излучатель-детектор, датчика распознавания моргания или любой комбинации датчиков;
по меньшей мере одно исполнительное устройство, выполненное с возможностью принимать по меньшей мере один выходной сигнал системного контроллера.
2. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой офтальмологическая линза содержит контактную линзу.
3. Офтальмологическая линза по п. 2, в которой контактная линза представляет собой мягкую контактную линзу.
4. Офтальмологическая линза по п. 2, в которой контактная линза представляет собой гибридную мягкую/твердую контактную линзу.
5. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой офтальмологическая линза содержит интраокулярную линзу.
6. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой офтальмологическая линза содержит пробку для слезного канальца.
7. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой ведущий конечный автомат реализован аппаратно.
8. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой ведущий конечный автомат реализован программно.
9. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой ведущий конечный автомат реализован в виде комбинации аппаратных и программных средств.
10. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой системный контроллер содержит одну или более подсистем.
11. Офтальмологическая линза по п. 10, в которой одна или более подсистем содержат подсистему генератора тактовых импульсов и сигнала сброса.
12. Офтальмологическая линза по п. 10, в которой одна или более подсистем содержат цифровую подсистему распознавания морганий.
13. Офтальмологическая линза по п. 10, в которой одна или более подсистем содержат подсистему цифрового приемника.
14. Офтальмологическая линза по п. 10, в которой одна или более подсистем содержат подсистему контроллера умножителя напряжения с накачкой заряда.
15. Офтальмологическая линза по п. 11, в которой ведущий конечный автомат в комбинации с подсистемой генератора тактовых импульсов и сигнала сброса выполнен с возможностью обеспечения сигналов активации и тактовых сигналов для одной или более подсистем для их последовательной активации и последующей дезактивации после завершения операции для минимизации энергопотребления.
16. Офтальмологическая линза по п. 11, в которой подсистема генератора тактовых импульсов и сигнала сброса содержит источник и счетчик низкочастотных тактовых импульсов.
17. Офтальмологическая линза по п. 16, в которой системный контроллер выполнен с возможностью иметь после сброса в активном состоянии только источник и счетчик низкочастотных тактовых импульсов при первичном включении и/или между операциями выборки и активации.
18. Офтальмологическая линза по п. 11, в которой схема генератора тактовых импульсов и сигнала сброса выполнена с возможностью обеспечения тактового импульса конечного автомата и сигнала сброса конечного автомата для ведущего конечного автомата и периодической активации ведущего конечного автомата.
19. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой ведущий конечный автомат выполнен с возможностью активировать второй датчик и второй тракт сигнала датчика при распознавании предварительно заданного значения или последовательности значений от первого датчика и первого тракта сигнала датчика.
20. Офтальмологическая линза по п. 19, в которой первый датчик и первый тракт сигнала датчика содержат датчик освещенности, представляющий собой фотодатчик и тракт сигнала фотодатчика, а сигнал датчика содержит значение, указывающее на уровень падающего на фотодатчик света.
21. Офтальмологическая линза по п. 20, в которой предварительно заданная последовательность значений представляет шаблон моргания.
22. Офтальмологическая линза по п. 21, в которой ведущий конечный автомат активирует привод линзы при распознавании первого шаблона моргания.
23. Офтальмологическая линза по п. 22, в которой ведущий конечный автомат активирует по меньшей мере один из светового или электромагнитного приемника при распознавания второго шаблона моргания.
24. Офтальмологическая линза по п. 23, в которой электронная система дополнительно содержит подсистему с высокочастотным тактовым сигналом, выполненную с возможностью обеспечения сигнала готовности, указывающего ведущему конечному автомату на завершение выполнения подсистемой операции.
25. Офтальмологическая линза по п. 24, в которой подсистема дезактивирует высокочастотный тактовый сигнал по завершении выполнения операций подсистемой.
26. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой электронная схема дополнительно содержит схему управления электропитанием.
27. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой электронная схема дополнительно содержит один или более генераторов высокого напряжения.
28. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой электронная схема дополнительно содержит одну или более переключающих схем.
29. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой электронная схема дополнительно содержит один или более датчиков.
30. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой оптический элемент с переменными оптическими свойствами представляет собой линзу.
31. Офтальмологическая линза по п. 1, в которой оптический элемент с переменными оптическими свойствами содержит оптический элемент с изменяемой оптической силой или оптический элемент с переменным фокусом для увеличения удаленных и уменьшения близко расположенных объектов.
