用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域的方法和装置
阅读说明：本技术 用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域的方法和装置 (Method and apparatus for projecting a target pattern on a modified retinal region of a human eye ) 是由 B.德班 J-B.弗洛德 M.德纳芙 M.德特瑞 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于将目标图案(6)投射在人眼的修饰的视网膜区域(5)上的方法,其包括以下步骤：提供脉冲输入光束(20),基于目标图案(6)将所述脉冲输入光束(20)调制并划分为调制脉冲子光束(40)的脉冲调制光图案,其中所述调制光图案形成反映所述目标图案(6)的脉冲输出光束(4),其中对形成所述输出光束(4)的调制单个子光束(40)的调制占空比(32)进行单个脉冲宽度调制,以及相应地适配装置。(The invention relates to a method for projecting a target pattern (6) on a modified retinal region (5) of a human eye, comprising the following steps: -providing a pulsed input light beam (20), -modulating and dividing said pulsed input light beam (20) based on a target pattern (6) into a pulsed light pattern of modulated pulsed sub-light beams (40), wherein said modulated light pattern forms a pulsed output light beam (4) reflecting said target pattern (6), wherein the modulation duty cycles (32) of the modulated individual sub-light beams (40) forming said output light beam (4) are individually pulse-width modulated, and-adapting the means accordingly.)
技术领域
本发明涉及一种用于将目标图案投射到已经由例如植入视网膜植入物被修饰以恢复其光敏特性的人视网膜区域上的方法，以及相应的装置。
背景技术
视网膜功能障碍，特别是由退行性视网膜疾病引起的，是视力受损甚至失明的主要原因。
为了至少部分地恢复患者的视觉功能，已知例如通过使用视网膜植入物或换言之视网膜假体来利用人眼的视网膜区域的修饰。在这方面，已知几种不同类型的视网膜植入物，它们基于不同的工作原理。
视网膜植入物的共同点是它们通常在视网膜下、视网膜上或脉络膜上放置在患者眼中，从而它们可以有效地替换受损的光感受器。在这方面，关于视觉场景的信息用相机捕获，然后传输到植入视网膜中的电极阵列。
在常见的视网膜植入物中，已知植入物包括穿透皮肤的线材(wire)。这些线材会带来感染和疤痕的风险。因此，更现代的植入物使用不同的无线技术，例如通过感应线圈传递功率和视觉信息。此外，已知通过眼睛的瞳孔以感应地传递功率和光学地传递视觉信息，或者以光学方式传递视觉信息和功率。
一种特别有益的至视网膜植入物的无线信息传输是基于将优选地红外光的刺激图案投射到眼睛中。当注视方向使得植入物的某些部分被部分图案照亮时，植入物将该部分信号转换为电流，从而相应地刺激视网膜。
视网膜植入物是由刺激电极或像素组成的阵列。每个像素都有一个或几个光电二极管，其用于捕获视觉处理器发出的光并将其转换为电流以进行刺激。
几个植入物阵列可以放置在视网膜下空间中，通常位于或靠近中央凹区域。
可选地，已经提出了一种称为光遗传学的方法来处理残留的视网膜细胞，以通过基因疗法恢复它们的光敏行为。光遗传学是指遗传学和光学的结合，以控制活组织特定细胞内明确定义的事件。光遗传学包括(i)基因修饰靶细胞以通过在细胞膜中表达外源性光反应性蛋白使它们对光敏感，以及(ii)提供能够为所述光反应性蛋白提供光的照明装置。
在本专利的以下段落中，通过植入视网膜假体或通过光遗传学进行修饰而被修饰以恢复光敏行为的人眼的这种视网膜区域也将被称为“修饰的视网膜区域”。
为了将光或光束分别投射到人眼中，已知使用投影仪装置，比如增强现实护目镜。投影仪装置的投影仪单元，例如投影仪光学器件，将脉冲光束投射到人眼上并且至少部分地投射到人眼中。即，要传输的图片通过眼睛的瞳孔传输到眼睛中并朝向视网膜。
尽管由此可以为患者提供目标照明图案，但是患者仅能够感知单个明暗对比，因为对于脉冲光束的每个脉冲照射是恒定的。
然而，安全问题与这种投影仪装置的使用相关。例如，投影仪装置和使用方法必须确保视网膜上的照射符合特定的占空比，例如小于0.5，可能会要求确保修饰的视网膜区域，例如视网膜植入物的适当安全性，例如以确保植入脉冲电功能和电脉冲之间的适当放电。
类似地，对于光学安全性，也可能需要投影仪装置和使用方法必须确保视网膜上的照射符合占空比，从而确保平均光辐照度不会达到安全阈值。这样，如果以足够低的占空比进行调制，则可以接受高光辐照度。这可以通过向光源提供命令以在特定占空比的脉冲之间定期关闭来实现。也可以通过确保微镜在特定占空比的脉冲之间有规律地关闭来实现。然而，对于医疗应用，通常要求即使在单一故障条件下也应确保安全性和相关的占空比。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域上的改进方法，以及用于将目标图案投射在该修饰的视网膜区域上的相应装置。
通过包括权利要求1的特征的用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域上的方法来解决上述目的。在从属权利要求、说明书和附图中呈现了进一步的优选的实施方式。
因此，在第一方面，提出了一种用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域上的方法或操作如本文所述的用于投射目标图案的装置的方法，其包括以下步骤：提供脉冲输入光束，优选地包括相干光或非相干光和/或优选地具有在近红外场中的波长的光，并且基于目标图案将脉冲输入光束调制并划分为调制脉冲子光束的脉冲和调制光图案，其中调制光图案形成反射目标图案的脉冲输出光束。该方法的特征在于对形成输出光束的调制单个子光束的调制占空比进行单个脉冲宽度调制的步骤。
因为可以分开地且单独地调整每个子光束的调制占空比，所以通过单个子光束的单个脉冲宽度调制可以分开地控制每个子光束的照射持续时间。即，对于脉冲输出光束的每个周期，输出光束所指向的视网膜植入物处的照射持续时间可以在输出光束内变化，因为每个子光束可以包括单个占空比。因此，视网膜植入物的光电二极管可能暴露于不同的照射持续时间，这又导致不同的刺激电流和/或不同的视网膜刺激持续时间。从而，可以实现对经由输出光束照射的投影图案的灰度级感知。换言之，因此，有可能用在一个脉冲周期内转换成不同感知灰度级的图案来照亮视网膜。因此，配备有相应光敏视网膜植入物的患者可能能够感测或感知至少基本的灰度图像。后者可以改善或促进患者的取向并且可以增加视觉能力。
这里的目标图案可以基于被捕获并且将被投影的图片或图像，其中图片或图像可以包括暗区和亮区，优选地包括不同的亮度值的像素。
优选地，可以经由植入视网膜假体来提供修饰的视网膜区域。
根据进一步示例性实施方式，输入光束包括恒定峰值辐照度。由此，可以精确地识别、确定和/或计算击中(hit)视网膜植入物的辐照度。因此，可以实现视网膜植入物的可靠操作并防止由于未知的过量辐照度而造成的视网膜损伤。
可选地或另外地，输入光束可以基本上包括脉冲波的形式，因为这样形成的光束可以具有在每个占空比期间基本上恒定照射的优点。
优选地，输入光束包括恒定周期。
根据另一个优选的实施方式，输入光束包括恒定占空比。可选地，控制输入光束的占空比。
根据又另一个优选的实施方式，当调制周期与脉冲输入光束的周期同步时，可以实现输出光束内部的灰度分布的最佳适应。换言之，对应于调制周期的脉冲宽度调制的周期以及因此的子光束的周期与脉冲输入光束的周期同步。
根据另一个优选的实施方式，该方法可以被优化，在于单个子光束的最大单个调制占空比对应于脉冲输入光束的占空比。
为了防止由于过量照射而对视网膜造成损害，脉冲输入光束的占空比可以优选等于或小于脉冲输入光束周期的0.5，优选地0.4，特别优选地0.3，和/或子光束的最大可能占空比可以优选地等于或小于脉冲输入光束的周期的0.5，优选地0.4，特别优选地0.3。
根据另一个优选的实施方式，通过捕获视觉信息，优选地图像，并将捕获的视觉信息，优选地捕获的图像划分为形成目标图案的像素图案，获得目标图案，其中像素至少反映视觉信息内，优选地图像内的不同的亮度值，如果存在的话。
优选地，在将亮度值分配给已处理图像的像素或区域之前，对捕获的图像进行任选的图像处理。
此外，还通过包括权利要求7所述的特征的一种用于将目标图案投射在优选地包括视网膜植入物的人眼的修饰的视网膜区域上的装置来解决上述目的。在从属权利要求、说明书和附图中呈现了进一步的优选的实施方式。
因此，在第二方面，提出了一种用于将目标图案投射在人眼的修饰的视网膜区域上的装置，其包括用于提供脉冲输入光束的光源，优选地，该脉冲输入光束为优选地相干光或非相干光的光束，优选地，具有近红外场波长的光，以及用于将脉冲输入光束调制并划分为调制脉冲子光束的调制光图案的调制微镜阵列，其中微镜阵列的每个微镜的取向是基于目标图案可独立控制的，使得子光束形成反映目标图案的脉冲输出光束。该装置还被形成并适于通过独立控制单个微镜的调制占空比来进行形成输出光束的子光束的单个脉宽调制。
通过该装置，可以实现上述方法所描述的效果和优点。
根据优选的实施方式，该装置进一步适于使得微镜的取向控制的调制周期与脉冲输入光束的周期同步。
为了通过微镜阵列和输入光束脉冲进行调制的同步，微镜的最大单个调制占空比可以优选地对应于脉冲输入光束的占空比。
为了防止输出光束对视网膜造成损害，脉冲输入光束相对于脉冲输入光束的周期的占空比可以优选地设置为等于或小于0.5，优选地0.4，特别优选地0.3，和/或子光束相对于脉冲输入光束的周期的最大可能调制占空比可以优选地等于或小于0.5，优选地0.4，特别优选地0.3。
根据另一个优选的实施方式，该装置还可以包括用于捕获视觉信息，优选地图像的相机，和/或用于将捕获的视觉信息，优选地捕获的图像划分为形成目标图案的像素图案的处理单元，其中像素至少反映视觉信息内，优选地图像内的不同的亮度值，如果存在的话。
此外，重要的是要注意，对于可穿戴电子装置比如投影仪装置，电池寿命必须尽可能长，以确保电池或电源充电之间的最长运行时间。因此，对于给定的合理电池尺寸，装置的电力消耗必须最小化。有利地，根据本发明提出的光源调制允许在脉冲之间有规律地关闭电源，从而显著降低其功耗。此外，它仅运行一小部分时间的事实削减(limit)了冷却激光源所需的功耗，例如通过珀耳帖元件或风扇运行。因此，以特定占空比脉冲激光源可显著提高电池寿命。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更容易理解本公开内容，其中：
图1示意性地显示了用于将目标图案投射在人眼的光敏修饰的视网膜区域上的装置；
图2示意性地显示了图1的目标图案的详细视图，该图案是修饰的视网膜区域的照明区域；
图3示意性地显示了包括脉冲波形状和相应的调制脉冲子光束的脉冲输入光束；
图4示意性地显示了另一输入光束，其基本上具有脉冲波的形式和对应于三个不同微镜的微镜脉冲，从而产生三个不同的子光束；和
图5示意性地显示了经由图5的子光束在视网膜植入物上投射的目标图案区的实例。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。在图中，相同的元件由相同的附图标记表示并且可以省略其重复描述以避免冗余。
图1示意性地显示了用于将目标图案6投射在人眼的修饰的视网膜区域5上的装置1。装置1包括光源2，其提供脉冲输入光束20，该脉冲输入光束20包括具有在近红外场中的波长的光。
输入光束20被引导到包括多个微镜30的调制微镜阵列3上，这些微镜30可以独立地操作，从而可以独立地调整和/或控制每个微镜30的取向。根据该具体实施方式的调制微镜阵列3以本身已知的数字微镜装置的形式提供。
通过微镜阵列3，输入光束20被反射从而形成输出光束4。输出光束4由多个由输入光束20击中微镜阵列3的单个微镜30时被分成的子光束40组成。微镜30的取向被独立地调整，使得将被投射到修饰的视网膜区域5上的目标图案6通过多个子光束40反射。
在这方面，目标图案6基于由相机(未显示)捕获的图像，该图像已被处理成像素的数字图案，其中像素包括与图像的各个区域的亮度值相对应的灰度值。这种数据处理本身是已知的。
即，只有对应于包括亮度值高于预定阈值的像素的那些微镜30被控制以反射输入光束20，其中对应于包括亮度值低于预定阈值的像素的微镜30被取向为使得它们不贡献于形成输出光束4。
任选地，修饰的视网膜区域5可以包括视网膜植入物，优选地光敏视网膜植入物。
因此，输出光束4基本上反映目标图案6。当输出光束4击中修饰的视网膜区域5时，仅修饰的视网膜区域5的包括视网膜植入物的那些部分被输出光束4，或者特别是子光束40照亮，该子光束40反映视网膜植入物处的目标图案。因此，只有视网膜植入物的那些光敏二极管将光转换为电流，这些二极管以投射的目标图案6排列。因此，包括视网膜植入物的人可以感知目标图案6。
图2示意性地显示了目标图案6的详细视图，该图案是修饰的视网膜区域5的照明区域。
输入光束20被脉冲化为包括脉冲波的形状的波形，如可以从图3中得到。因为光源2包括在光束20的波的每个周期21中的每个占空比22期间被照射的恒定照射23，光束20通过光源2被脉冲化。
因此，由于输出光束4基本上基于输入光束20，输出光束4也被脉冲化，其中输出光束4的周期以及输出光束4的占空比通常对应于输入光束20的周期21和占空比22。因此，目标图案6包括在其整个表面上的均匀照射，如图2中所描绘的。
为了实现也向输出光束4提供灰度信息的能力，装置1还被形成并适于为每个子光束40独立地进行脉冲宽度调制。后者通过独立控制每个单个微镜30的调制占空比32来实现。
换句话说，每个微镜30在一个位置被取向使得它反射输入光束20，并且由此提供将贡献于输出光束4的子光束40的时间针对每个微镜30独立设置为不同，这取决于与相应微镜30相关的目标图案6中像素的相应灰度级。
在这方面，进行脉冲宽度调制，使得对于每个微镜脉冲周期，调制占空比32可以独立调整。也就是说，当相机持续不断地拍摄图像时，像素亮度水平的变化可能会导致调制占空比32发生变化。因此，当亮度水平增加时，调制占空比32也相应增加，反之亦然。
优选地，如图3中所显示，对应于输出光束周期41的微镜脉冲33的调制周期31与输入光束20的周期21同步。此外，任选地，微镜30的最大可能调制占空比32被设置为对应于输入光束20的恒定占空比22。
从而，当光源2不提供辐照度时，可以实现不进行微镜30的操作。因此，这可以保证装置1的安全操作功率。
在图3中，显示了单个微镜30的两个随后的微镜脉冲周期，并且因此显示了子光束40。显示的第一个调制占空比32小于显示的第二个调制占空比32’，其中对于每个调制占空比32、32’，辐照度42是恒定的。因此，包括视网膜植入物的患者将感知图像的相应区域变得更亮。
此外，在该图中可以看出，调制占空比32、32’都比占空比22短。因此，患者感知到的亮度水平低于最大可能的可感知亮度。出于安全原因，占空比22被限制为周期21的30％，从而防止由于过量照射而造成的视网膜损伤。
为了提供冗余安全系统，微镜30的占空比32也分别被限制为周期21或调制周期31的30％。因此，在光源错误地发射恒定光束的情况下，输出光束4的最大可能占空比被限制为微镜30的占空比32。
因此，即使光源2的安全设置失败，也可以实现没有过多的辐照度击中视网膜。此外，如果微镜30不能脉冲和/或卡在“ON”位置，源脉冲禁止使输出光束4的脉冲持续时间高于源脉冲持续时间，即高于占空比22。
图4显示了输入光束20的波形的示例性实施方式，其基本上具有脉冲波的形式，包括恒定的源辐照度23、脉冲24的恒定占空比22和恒定的周期21。
在输入光束20的波形下方，显示了三个不同的微镜30的微镜脉冲33、33’、33”，从而产生三个不同的子光束40、40’、40”。
微镜脉冲33、33’、33”彼此的区别在于它们的相应脉冲34、34’、34”的占空比32、32’、32”不同。
即，子光束40、40’、40”中的每一个的辐射功率与其他子光束不同，其中第一子光束40包括比第二和第三子光束40’、40”更低的辐射功率，并且第二子光束40’包括比第三子光束40”更低的照射功率。
因此，例如当目标图案6的第一区61被对应于子光束40的子光束照射时，包括视网膜植入物的患者感知到比用对应于子光束40’的子光束照射的第二区62和用对应于子光束40”的子光束照射的第三区63更暗的灰度值，其中后者包括最亮的灰度值。
可以从图5中获得投射在包括视网膜植入物的修饰的视网膜区域5的目标图案6的上述区61、62、63的实例。
因此，通过上述装置1和相应的方法，可以为患者提供包括具有不同灰度级的图案的光敏视网膜植入物。
此外，通过上述可以降低和/或优化用于进行方法和/或装置1的操作的功率消耗，因为光源可以在脉冲之间关闭并且因此在脉冲之间消耗更少的能量并且因此降低功率消耗。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些实施方式和项目仅描述了多种可能性的实例。因此，本文显示的实施方式不应被理解为形成对这些特征和配置的限制。可以根据本发明的范围选择所述特征的任何可能的组合和配置。
附图标记列表
1. 装置
2. 光源
20. 输入光束
21. 周期
22. 占空比
23. 辐照度
24. 脉冲
3. 微镜阵列
30. 微镜
31. 调制周期
32. 调制占空比
33. 微镜脉冲
34. 脉冲
4. 输出光束
40. 子光束
41. 输出光束周期
42. 辐照度
5. 修饰的视网膜区域
6. 目标图案
61. 第一区
62. 第二区
63. 第三区
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