XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение.В современном мире человечество сталкивается с постоянным увеличением интенсивности использования цифровых устройств, что приводит квозникновениюновыхпроблемсоздоровьемглаз и зрительной системы.Длительноеиспользованиеэлектронныхустройствинагрузканаокружающуюсредумогутнегативносказатьсянакачествезрения иобщемсостоянииглаз.

На этом фоне внедрение "умных" контактных линз, Сочетающих традиционные методы коррекции зрения с передовыми технологиями, становится перспективным направлением, обеспечивающим пользователям заботу о зрении и ежедневный комфорт. Интеллектуальные контактные линзы-очень интересная область развития, способная кардинально изменить способы взаимодействия человека с цифровыми устройствами и окружающим миром.

Данная статья посвящена перспективам и технологическому потенциалу «умных» контактных линз, и их влиянию на повседневную жизнь и уход за зрением в цифровую эпоху.

Цель исследования.Цель исследования посвящена изучению умных контактных линз с целью выявления их потенциальной роли в улучшении зрительного здоровья, повседневного комфорта и влияния на взаимодействие человека с современными информационными технологиями. Конкретные аспекты цели исследования могут включать в себя:

1. Оценку потенциальной эффективности умных контактных линз в контексте поддержания и улучшения зрительного комфорта при работе с цифровыми устройствами.

2. Изучение влияния умных контактных линз на здоровье глаз и способы их применения для предотвращения усталости глаз и других проблем, связанных с интенсивным использованием техники.

3. Анализ потенциальных возможностей умных контактных линз в области дополненной реальности, мониторинга здоровья и других аспектов повседневной жизни.

4. Определение технических характеристик, которые могут оказать влияние на принятие умных контактных линз как эффективного решения для повседневного использования.

Сегоднявсестремительноразвивающиеся технологиипроизводстваконтактных линз открывают новыеперспективывмедицинскойпрактикеи повседневной жизни. Умные контактные линзы — этоинновационныйинструментдля мониторинга здоровья глаз и общего состояния организма, а также для дополненной реальности и биометрического управления.

Что такое контактные линзы?

Контактные линзы — линзы, которые надеваются непосредственно на роговицу глаза. Чаще всего они используются с целью коррекции нарушении зрения: близорукости (миопии), дальнозоркости (гиперметропии), астигматизма и пресбиопии. Линзы также могут использоваться для изменения и подчёркивания цвета глаз. В некоторых случаях линзы назначаются с лечебной целью для защиты поверхности глаза.

Контактные линзы, по мнению специалистов, носят около 125 миллионов человек (2 %) [в последующих случаях процентные данные будут на момент написания статьи] в мире^[1]. Более 40 % тех, кто носит контактные линзы, — это молодые люди в возрасте от 12 до 25 лет. А среди тех, кто надевает контактные линзы впервые, доля молодых людей в возрасте до 35 лет почти 90 %, при этом женщин среди них — 70 %^[2]. Принцип действия контактных линз такой же, как и у очковых линз. Они преломляют свет и направляют его на сетчатку глаза, что обеспечивает улучшение зрения^[3].

Появление на рынке силикон-гидрогелевых контактных линз в 1999 г. ознаменовало собой революцию в коррекции зрения, и в настоящее время силикон-гидрогелиевые контактные линзы составляют большинство линз, носимых во всем мире. Несомненно, силикон-гидрогелиевые линзы обеспечивают роговицу необходимым количеством кислорода во время открывания глаз [4]. Никто не будет спорить с тем, что феномен инфильтрации роговицы ( рис. 1) является маркером иммунного статуса глаза.

 

Рис. 1. Роговичный инфильтрат в центре роговицы (показан стрелкой) при ношении контактных линз. Инфильтраты проникают вглубь на одну треть толщины роговицы.

Тем не менее появление инфильтратов не означает немедленного клинического исхода. Более клинически значимыми являются нежелательные гипоксические изменения, такие как покраснение лимба, отек роговицы и гиперплазия эндотелия, которые возникают при ношении гидрогелевых линз, а силикон-гидрогелевые линзы позволяют предотвратить их появление [4]. По этой причине данные материалы доминируют на рынке [5], и эта ситуация вряд ли изменится. Реальность такова, что жесткие линзы неудобны, а современные потребители ожидают постоянного удовольствия от ношения контактных линз. Конечно, пациентов с необычными условиями зрения, такими как кератоконус, травма роговицы, высокий астигматизм или косметические проблемы, можно убедить в том, что оптические и эстетические преимущества жестких линз перевешивают любой дискомфорт. Значительный прогресс в производстве жестких линз за последнее десятилетие был достигнут благодаря разработке полусклеральных и мини-склеральных конструкций. Эти конструкции более стабильны, чем линзы малого диаметра, и обеспечивают лучшее зрение и комфорт. Эти линзы имеют специфическое применение для коррекции рефракционного астигматизма [6]. Однако их трудно устанавливать, сложно снимать, они могут вызывать нечеткость зрения и являются дорогостоящими.

Цифровая революция в сочетании с достижениями в области нанотехнологий и аккумуляторов открывает возможность интеграции интеллектуальных микросистем в контактные линзы, что приводит к появлению новых концепций продуктов [7]. Задача отрасли - разработать контактные линзы со встроенными сенсорами, реагирующими на биологические раздражители. Кроме того, информация должна доставляться пациентам и врачам по какому-либо каналу. И все это оборудование должно питаться от батарей. Силикон-гидрогелевая линза со встроенным датчиком в форме кольца [8]. Эта линза реагирует на изменение кривизны роговицы, вызванное изменением внутриглазного давления. Другой возможностью применения цифровых технологий является "умная" линза, которая анализирует состояние слезной жидкости и рассчитывает концентрацию метаболитов, уровень глюкозы [9], липидов и некоторых белков. Дистанционный мониторинг сосудов роговицы с помощью датчиков, закрепленных на линзе, предоставит прекрасную возможность для контроля глазных и системных заболеваний.

Интеграция дисплея и датчиков в умных контактных линзах — это действительно увлекательная технологическая область, что может изменить наше представление о носимых устройствах и технологиях дополненной реальности.

«Умные» контактные линзы

В настоящее время на офтальмологическом рынке (253 млн. человек в мире с серьезными нарушениями зрения вследствие катаракты, диабетической ретинопатии, макулярной дегенерации, глаукомы, отслоения сетчатки и т.д.) продаются контактные линзы для коррекции различных нарушений рефракции, включая близорукость, дальнозоркость, астигматизм и пресбиопию. Эти оптические изделия работают по тому же принципу, что и очки: преломляют свет и направляют его на сетчатку глаза для улучшения зрения. 'Умные' линзы могут автоматически подстраиваться под зрительную систему пользователя [10].

Кроме того, существуют "умные" контактные линзы, которые автоматически затемняются на солнце [11] для уменьшения бликов и повышения комфорта. Для этого "умные" линзы оснащаются фотохромными фильтрами, которые постоянно регулируют количество света, попадающего в глаза пользователя. В условиях нормальной или низкой освещенности фильтр автоматически возвращается к своему обычному прозрачному оттенку.

Новые контактные линзы CooperVision помогают бороться с усталостью глаз, связанной с использованием цифровых устройств. Для этого в линзах Bioinfinity Energys используются не множественные асферические кривые. Это помогает глазам адаптироваться при переключении взгляда с цифровых устройств на автономную деятельность. Еще одним преимуществом является то, что материал линзы помогает глазам удерживать влагу. Это полезно при работе с экранами, которые затрудняют моргание.

Однако контактные линзы используются не только для улучшения зрения. Например, в 2014 году компания Samsung запатентовала "умную" линзу, которая позволяет пользователям делать фото и мгновенно отправлять его на экран смартфона, просто моргнув [10]. Идею создания "умных" контактных линз поддерживает и компания Sony. Компания Sony запатентовала модель, которая позволяет не только делать фотографии, но и записывать и воспроизводить видео при помощи моргания.

Одной из областей применения "умных" линз может быть сканирование штрих-кодов. Возможно также использование "умных" линз для идентификации пользователей [10]. Это избавит от необходимости носить с собой паспорт или водительское удостоверение для подтверждения личности при совершении покупок или пересечении границы.

"Умные" линзы компании Mojo Vision оснащены функциями дополненной реальности, которые отображают маршруты, необходимые уведомления и результаты спортивных матчей [12]. Для этих целей был разработан монохромный зеленый MicroLED-дисплей диаметром 0,5 мм. (рис. 2),

его плотность составляет 14 000 пикселей на дюйм. Смарт-объектив работает на процессоре Arm Core M0, имеет беспроводной канал с ультранизкой задержкой 5 ГГц, акселерометр, гироскоп и магнитометр для отслеживания движений глаз, благодаря чему изображение остается стабильным даже при активном движении глаз пользователя. Аккумулятор смарт-линзы встроен во внешнее кольцо и может работать в течение суток на зарядке. Система управления питанием и беспроводное зарядное устройство также встроены во внешнее кольцо.

Кроме того, в 2014 году компания Google представила собственную инновационную разработку - контактную линзу, которая может ежесекундно измерять уровень глюкозы в крови и другие жизненно важные показатели (для консультации с врачом). Эта "умная" линза предназначена для диабетиков и людей, которым по каким-либо причинам приходится уделять внимание своему здоровью.

В 2015 году компания Google запатентовала еще один концепт - "умную" линзу, изготовленную из биосовместимого пластика и питающуюся солнечной энергией [10]. Такие оптические изделия позволяют владельцу быстро и легко получать необходимую информацию об окружающей среде (например, о температуре, влажности, наличии генов аллергии и т.д.).

"Умные" линзы изменяют форму роговицы, направляя свет на сетчатку, и используются для восстановления зрения у детей и подростков с близорукостью. Исследователи из Висконсинского университета изобрели "умные" линзы, которые лечат противоположную дальнозоркость [14]. Имитируя уникальную форму сетчатки рыбы-зоегиса, они разработали контактную линзу, которая автофокусируется за миллисекунды.

Еще одна "умная" контактная линза (со встроенным визуальным дисплеем) предназначена для увеличения изображений для людей с ослабленным зрением. Компания Mojo Vision разработала запатентованную "умную" линзу, которая может проецировать контент со смартфона.

Компания Innovega также разработала мягкие контактные линзы, которые могут выводить изображение в любой точке зрительного поля. Такие системы iOptik способны повысить безопасность при выполнении таких задач, как вождение автомобиля, хирургия и военные операции". Умные линзы также используются для улучшения видимости в темноте с помощью тепловидения [13], для окрашивания объектов в поле зрения и для маркировки видимых объектов с целью привлечения внимания человека. В технологиях улучшения видимости в темноте используется один слой атомов углерода, называемый графеном, который улавливает весь спектр света (включая ультрафиолетовое излучение).

Телескопическая линза для глаз. Команда исследователей из США и Швейцарии, финансируемая DARPA, разработала телескопические контактные линзы, которые могут переключаться между нормальным зрением и зрением с "зумом" - с увеличением. Возглавляет работу профессор Джозеф Форд из Калифорнийского университета Сан-Диего. По его словам, он вместе с коллегами создает сверхтонкие линзы, прежде всего для помощи больным людям, хотя военное финансирование явно дает понять, кому еще нужно такое сверхполезное на поле боя устройство, как контактные линзы-бинокль.[14]

Контактные линзы, способные защитить роговицу от разрушения у людей с заболеванием, известным как "расплавление роговицы", могут вскоре появиться на рынке. Исследователи разработали новые "умные" гидрогелевые контактные линзы, способные остановить развитие заболевания путем удаления избытка цинка из роговицы [11]. Такие "умные" линзы могли бы помочь людям, у которых расплавление роговицы происходит после аутоиммунных заболеваний, химических ожогов и некоторых хирургических операций.

В настоящее время "умные" контактные линзы оснащены различными видами мониторинга в точках наблюдения и беспроводными биомедицинскими датчиками, позволяющими в режиме реального времени обнаруживать инвазивные патогены, бактерии, глюкозу и инфекционные кератиты (присутствующие в слезной жидкости). Кроме того, "умные" контактные линзы меняют цвет в зависимости от уровня глюкозы благодаря датчику, помещенному между двумя слоями стекла. Кроме того, "умные" линзы выполняют беспрецедентные функции по профилактике и лечению глазных заболеваний, начиная от приема лекарств и заканчивая цифровыми дисплеями в глазах пользователя [10]. Кроме того, "умные" контактные линзы, содержащие антигистаминные препараты, потенциально могут помочь людям, страдающим аллергией. С этой целью компания Johnson & Johnson разработала одноразовые линзы, предварительно заполненные лекарственным препаратом, снимающим зуд в глазах [11]. Этот препарат, кетотифен, непрерывно высвобождается из этих "умных" линз. Это может быть особенно полезно для людей, которые носят контактные линзы и вынуждены снимать их при использовании антигистаминных глазных капель.

Кроме того, разработаны два типа "умных" контактных линз, которые могут доставлять лекарство от глаукомы в глаз пользователя [11]. Это особенно важно для пациентов, использующих глазные капли высокой концентрации несколько раз в день. По статистике, более половины пациентов пропускают прием глазных капель. Это может привести к слепоте. Компания Leo Lens Technology разработала одобренную FDA линзу, которая выделяет биматопрост в глаз на срок до семи дней. Другая группа литовских студентов изобрела растворяемую контактную линзу, которая непрерывно высвобождает лекарство от глаукомы. Технология нанолинз направлена на улучшение всасывания лекарства.

Применение в повседневной жизни:

1. Дополненная реальность (AR): Представление дополненной реальности через контактные линзы открывает широкие возможности для повседневного использования. Это может включать в себя умные уведомления, навигацию, улучшенное взаимодействие с информацией, а также дополненную реальность для развлечений и образовательных целей, все это доступно в уникальном форм-факторе контактных линз.

2. Мониторинг здоровья: Умные контактные линзы могут играть ключевую роль в мониторинге здоровья. Они способны предоставлять данные о физиологических параметрах, таких как пульс или уровень глюкозы, что может иметь важное значение для людей с определенными заболеваниями или для тех, кто следит за своим общим состоянием здоровья.

Технические аспекты и потенциальные преимущества.Технически, умные контактные линзы включают в себя интегрированные микрочипы, датчики и встроенные дисплеи. Они синхронизируются с мобильными приложениями и другими устройствами для обработки и визуализации данных. Это открывает потенциальные преимущества в виде улучшенной дополненной реальности, точного мониторинга здоровья и удобства использования без необходимости дополнительных носимых устройств.

В целом, умные контактные линзы представляют захватывающую область, объединяющую технологии дополненной реальности, медицинского мониторинга, и носимой электроники в удивительно компактном форм-факторе.

Вызовы во внедрении и развитии:

1. Безопасность и приватность: Как и с любыми новыми технологиями, внедрение умных контактных линз включает в себя важные вопросы о защите данных и приватности. Это особенно важно в медицинских и персональных контекстах.

2. Регулирование и клинические испытания: Необходимость проведения обширных клинических исследований для подтверждения эффективности и безопасности новых технологий.

3. Эргономика и комфорт: Разработчики должны уделить внимание эргономике и комфорту использования контактных линз, учитывая особенности чувствительности и анатомии глаза.

Пример практического применения

Предположим, у пользователя умные контактные линзы с встроенными микродисплеями и датчиками для мониторинга зрения. В реальном времени эти линзы могут:

1. Адаптироваться к освещению. Анализируя окружающее освещение, они автоматически меняют прозрачность и фильтрацию света для улучшения комфорта зрения в различных условиях.

2. Мониторить здоровье глаз. Датчики встроенные в контактные линзы могут мониторить показатели здоровья глаз, обнаруживая изменения в давлении внутри глаза или предупреждая об усталости глаз в результате длительного использования.

3. Предоставлять информацию в реальном времени. Например, в случае собеседования умные контактные линзы могут подсказывать информацию о собеседнике, распознавать эмоции и предоставлять дополнительные контекстные данные.

4. Умные контактные линзы предлагают значительный потенциал для усовершенствования зрения и расширения возможностей в области медицины и технологий.

5. Коррекция зрения. Умные контактные линзы будут сохранять свою первоочередную функцию — коррекцию зрения путем поправки офтальмологических аномалий, таких как близорукость, дальнозоркость, астигматизм и пресбиопия.

Дополнительные функции

Встроенные датчики и микрочипы позволят реализовать различные функции, начиная от мониторинга здоровья глаз до адаптивной аугментированной реальности.

Выводы:

Умные контактные линзы обозначают новую эру в индустрии зрения, объединяя традиционные функции коррекции зрения с передовыми технологиями. Этот продукт представляет собой отличный пример того, как инновации могут обогатить нашу повседневную жизнь и улучшить заботу о здоровье человека. В ходе дальнейших исследований и разработок, умные контактные линзы могут стать основой для новых открытий и технологических достижений, привнося значительные преимущества для здоровья глаз и обогащая пользовательский опыт. Мы видим, что умные контактные линзы могут принести значительные преимущества для зрения и здоровья.

Список литературы.

1.  Barr, J. «2004 Annual Report» Архивнаякопия от 28 сентября 2011 на Wayback Machine. Contact Lens Spectrum. January, 2005.

2. ↑ Анализ российского рынка контактных линз в 2009 г. Дата обращения: 28 декабря 2009. Архивировано 22 декабря 2015 года.

3. ↑ Киваев А.А. Контактная коррекция зрения / Киваев А.А., Шапиро Е.И.. — 2000. — 224 с.

4. Covey M, Sweeney DF, Terry R, Sankaridurg PR, Hol den BA. Hypoxic effects on the anterior eye of high-Dk soft contact lens wearers are negligible. Optom Vis Sci. 2001 Feb; 78: 95–99.

5. Morgan PB, Woods CA, Tranoudis IG, et al. International contact lens prescribing in 2017. Contact Lens Spectrum. 2018 Jan; 33: 28–33.

6. Michaud L, Bennett ES, Woo SL, et al. Clinical evaluation of large diameter rigid-gas permeable versus soft toric contact lenses for the correction of refractive astigmatism. A multicenter study. Eye Contact Lens. 2018 May; 44: 164–169.

7. Legerton JA. Technology in your practice. Contact Lens Spectrum. 2017 Aug; 32: 28–34.

8. SunaricMegevand G, Leuenberger P, Preussner PR. Assessment of the Triggerfish contact lens sensor for measurement of intraocular pressure variations. Acta Ophthalmol. 2014 Aug; 92: e414–e415.

9. Chu MX, Miyajima K, Takahashi D, et al. Soft contact lens biosensor for in situ monitoring of tear glucose as noninvasive blood sugar assessment. Talanta. 2011 Jan 15; 83: 960–965.

10. «Умные» контактные линзы // URL: https://www.ochkov.net/informaciya/stati/umnye- kontaktnye-linzy.htm.

11. https://www.ochki.net/articles/article-179/

12. Тернавский А. «Умные» контактные AR-линзы впервые протестировали на человеке // URL: https://habr.com/en/news/t/674188.

13. «Умные» контактные линзы // URL: https://xn--80aaa1adblkqd3ewb8g.xn--p1ai/blog/ umnye-kontaktnye-linzy.

14. https://www.bbc.com/russian/science/2013/07/130702_telescopic_contact_lenses

15. Lee, S. et al. (2021). Smart Contact Lens Technology for Augmented Reality and Biofeedback Applications. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 68(2), 568–575. DOI: 10.1109/TBME.2020.2990467

16. 2. Kim, J. et al. (2020). Smart Contact Lenses: Integrating Consumer Electronics with Ophthalmic Care. Science, 367(6483), 700–705. DOI: 10.1126/science.aba4181

Код для цитирования: Скопировать