CN107007255A - 具有睡眠监测的电子式眼科镜片 - Google Patents

Abstract

本文描述了用于具有电子系统的眼科镜片的眼睑位置传感器系统和/或眼运动传感器系统，以用于记录与佩戴者的睡眠相关联的数据。眼睑位置传感器系统是结合到眼科镜片中的电子系统的一部分。在至少一个实施方案中，电子系统包括系统控制器和数据管理器。在至少一个实施方案中，眼睑位置传感器系统用来确定眼睑位置，并且眼运动传感器系统用来确定眼睛位置，以供所述系统控制器确定佩戴者是清醒的、睡着的、还是处于REM睡眠中。

Description

具有睡眠监测的电子式眼科镜片

背景技术

1.技术领域

本发明涉及一种加电式或电子式眼科镜片，更具体地讲，涉及具有用于检测睡眠的传感器及相关联的硬件和软件的加电式或电子式眼科镜片。

2.相关领域的讨论

随着电子装置持续小型化，变得越来越有可能产生用于多种用途的可佩戴的或可嵌入的微电子装置。此类用途可包括监测身体化学性质的各方面、响应于测量或者响应于外部控制信号通过各种机械装置(包括自动地)施用受控剂量的药物或治疗剂、以及增强器官或组织的性能。此类装置的示例包括葡萄糖输液泵、起搏器、去纤颤器、心室辅助装置和神经刺激器。一种新的尤其有用的应用领域在于眼科可佩戴镜片和接触镜片。例如，可佩戴镜片可结合镜片组件，该镜片组件具有电子可调整焦距，以增强或提高眼睛的性能。在另一个示例中，无论具有还是不具有可调整焦距，可佩戴的接触镜片都可结合电子传感器，以检测角膜前(泪)膜中特定化学物质的浓度。在镜片组件中使用嵌入式电子器件引起对与电子器件通信、通电和/或重新激活电子器件的方法、将电子器件互连、内部和外部感测和/或监测、以及电子器件和镜片总体功能的控制的潜在需求。

人眼具有辨别上百万种颜色、易于调整以改变光状况的能力、以及以超过高速互联网连接的速率将信号或信息传输到大脑的能力。当前，诸如接触镜片和眼内镜片的镜片用于矫正视力缺陷，诸如近视(近视眼)、远视(远视眼)、老花和散光。然而，结合附加部件的适当地设计的镜片可用来提高视力以及矫正视力缺陷。

接触镜片可用于矫正近视、远视、散光以及其他视敏度缺陷。接触镜片也可用于增强佩戴者的眼睛的自然外观。接触镜片或“触体”仅仅是放置在眼睛的前表面上的镜片。接触镜片被视为医疗装置并且可被佩戴用于矫正视力以及/或者用于美容或其他治疗原因。自20世纪50年代起，商业上就已利用接触镜片来改善视力。早期的接触镜片由硬性材料制成或构造，相对较为昂贵并且易碎。此外，这些早期的接触镜片由如下材料制成，这些材料不允许足够的氧气穿过接触镜片传输到结膜和角膜，这潜在地可引起许多不良临床效应。尽管仍使用这些接触镜片，但它们因初始舒适度较差，并不适用于所有患者。该领域的后续发展产生了基于水凝胶的软性接触镜片，该软性接触镜片在当今极其流行且得到广泛利用。具体地讲，当今可用的有机硅水凝胶接触镜片将具有极高透氧度的有机硅的有益效果与水凝胶的经证实的舒适度和临床性能结合在一起。事实上，与由早期硬性材料制成的接触镜片相比，这些基于有机硅水凝胶的接触镜片具有更高的透氧度并且通常具有更高的佩戴舒适度。

常规的接触镜片为具有特定形状的聚合物结构，以便如上所简述的矫正各种视力问题。为了实现增强的功能，必须将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、功率源、传感器、致动器、发光二极管和微型天线可通过定制的光电部件来集成到接触镜片中，以便不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或加电式眼科镜片可被设计成通过放大和缩小能力或者只是通过修改镜片的屈光能力来提供提高的视力。电子式和/或加电式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示文本信息、将语音实时转化为字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。镜片上经适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，并提供新型图像显示器。另选地或者除了这些功能或类似功能中任一种之外，接触镜片可结合用于非入侵地监测佩戴者的生物标记物的部件和健康指示器。例如，通过分析泪膜的组分，内置于镜片中的传感器可允许糖尿病患者监测血糖水平，而不需要抽血。此外，适当地配置的镜片可结合用于监测胆固醇、钠和钾水平的传感器以及其他生物标记物。这与无线数据发送器联接可允许医师几乎立即得到患者的血液化学性质，而不需要患者浪费时间去实验室并进行抽血。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼模式。

装置的适当组合可产生可能无限的功能；然而，存在与将额外部件结合到光学级聚合物件上相关联的多种困难。通常，由于多种原因难以在镜片上直接制造此类部件，并且难以将平面装置安装和互连在非平面表面上。还难以按比例制造。待放置在镜片上或镜片中的部件需要小型化且集成到仅1.5平方厘米的透明聚合物上，同时保护这些部件不受眼上液体环境的影响。由于附加部件的增加的厚度，还难以制造对于佩戴者而言舒适且安全的接触镜片。

考虑到诸如接触镜片的眼科装置的面积和体积限制及其使用环境，装置的物理实现必须克服多个问题，包括将多个电子元件安装和互连在非平面表面上，这些电子元件中的大多数包括光学等级塑料。因此，需要提供机械稳固且电稳固的电子式接触镜片。

因为这些是加电式镜片，所以用于运行电子器件的能量或更具体地电流消耗关系到眼科镜片尺度上的电池技术。除了正常电流消耗之外，这种性质的加电式装置或系统通常需要待机电流储备、确保在可能的宽范围的操作参数下操作的精确的电压控制和切换能力、以及应对可能保持多年闲置后的突发消耗(例如，单次充电至多十八(18)小时)。因此，需要如下的系统，该系统在提供所需功率的同时，对于低成本、长期可靠服务、安全性和尺寸是最优化的。

此外，由于与加电式镜片相关联的功能复杂度以及包括加电式镜片的所有部件之间的高交互水平，需要协调和控制包括加电式眼科镜片的电子器件和光学器件的总体操作。因此，需要一种用于控制所有其他组件的操作的系统，所述系统安全、低成本且可靠，具有低的能量消耗速率并且尺寸可被缩小成能结合到眼科镜片中。

加电式或电子式眼科镜片可能必须考虑到利用加电式或电子式眼科镜片的个体的某些独特生理机能。更具体地，加电式镜片可能必须考虑到眨眼，包括在给定时间周期中的眨眼次数、眨眼的持续时间、眨眼之间的时间以及任何数目的可能的眨眼模式，例如如果个体正在打瞌睡。眨眼检测也可用于提供某些功能，例如，可利用眨眼作为控制加电式眼科镜片的一个或多个方面的手段。另外，在确定眨眼时，必须考虑到外部因素，例如光强度水平的变化、以及人的眼睑所阻挡的可见光的量。例如，如果室内具有介于五十四(54)和一百六十一(161)勒之间的照度，则光传感器的灵敏度应足以检测人眨眼时发生的光强度变化。

环境光传感器或光传感器用于多个系统和产品中，例如用于电视机上以便根据室内光线调整亮度，用于灯上以便在黄昏时分开启，以及用于电话上以便调整屏幕亮度。然而，这些目前使用的传感器系统还不够小和/或不具有足够低的能量消耗以用于结合到接触镜片中。

同样重要的是应注意，可使用针对人眼的计算机视觉系统(例如被数字化至计算机中的照相机)来实现不同类型的眨眼检测器。在计算机上运行的软件可识别各种视觉模式，例如睁眼和闭眼。这些系统可在眼科临床环境中用于诊断目的和研究。不同于上述检测器和系统，这些系统旨在在眼睛外使用并且是用于向眼睛看去而非从眼睛向外看。尽管这些系统并没有小到足以结合到接触镜片中，但所利用的软件可与结合加电式接触镜片工作的软件相似。这些系统均可结合人工神经网络的软件实现，所述人工神经网络从输入中获得信息并相应地调整它们的输出。或者，结合统计学、其他自适应算法和/或信号处理的基于非生物学的软件实现可用于创建智能系统。

有多种工作需要工作者是有意识并清醒的，例如卡车司机、保安和值班的军事人员。如果工作者在履行职责时入睡，将会适得其反，导致潜在问题的出现。这些工作中有许多会使得工作者在履行其职责时需要移动，并且同样地固定处所的监测系统对提供这些工作者的监测不实用。此外，还有许多工作需要在下班时间有规定的睡眠时间并由工作者手动记录，而不是自动记录工作者的睡眠以提供更好的记录。

因此，存在对用于检测某些生理机能(诸如眼睛闭合的时长或眨眼)的装置和方法的需要。所用的传感器的尺寸和构造必须适于在接触镜片中使用。此外，还需要检测用户眼睑的位置。眼睑位置传感器可用于检测用户入睡，例如，以便记录佩戴者入睡的数据事件。现在有一些系统用于检测眼睑位置；然而它们仅限于诸如照相机成像仪、图像识别、以及依靠反射眼睛和眼睑的红外发射器/探测器对的装置。检测眼睑位置的现有系统还依靠于眼镜或临床环境的使用，并且不易于包含到接触镜片中。

发明内容

在至少一个实施方案中，一种用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法，该方法包括：激活加电式眼科镜片；启动镜片上的累加器以跟踪时间的经过；以第一眼睑采样速率确定是否已经发生眼睑闭合；当检测到眼睑闭合时，对加速度计和换能器中的至少一者进行至少一次采样，以及确定是否超过阈值，当超过阈值时，从累加器检索读数；存储累加器读数以及加速度计和换能器中的所述至少一者的读数；以及确定读数是否低于阈值，当读数低于阈值时，存储REM结束的指示并且返回对眼睑闭合采样。在另一个实施方案中，该方法还包括：利用存在于镜片上的至少一个光传感器测量光水平；存储光水平和来自累加器的当前读数；以及确定光水平改变何时发生，并且将来自累加器的当前读数与光水平读数一起存储。在先前实施方案的另一个实施方案中，该方法还包括：将累加器与持续时间阈值进行比较；当累加器超过持续时间阈值时，确定当前光水平是否近似初始光水平读数，当达到初始光水平时，终止方法。在任何先前实施方案的另一个实施方案中，对加速度计和换能器中的所述至少一者采样以第一运动采样速率发生，直到读数超过阈值，接着以第二运动采样速率采样。在任何先前实施方案的另一个实施方案中，当检测到眼睑闭合时，接着以第二眼睑采样速率对眼睑闭合采样。

在至少一个实施方案中，一种用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法，该方法包括：激活加电式眼科镜片；启动镜片上的累加器以跟踪时间的经过；对加速度计和换能器中的至少一者进行至少一次采样；以及确定是否超过第一阈值，当超过第一阈值时，从累加器检索读数，存储累加器读数以及加速度计和换能器中的所述至少一者的读数，并且确定读数是否低于第二阈值，当读数低于第二阈值时，存储REM结束的指示并且返回对眼睑闭合采样。在另一个实施方案中，对加速度计和换能器中的所述至少一者采样以第一运动采样速率发生，直到读数超过阈值，接着以第二运动采样速率采样。

在至少一个实施方案中，一种用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法，该方法包括：激活加电式眼科镜片；启动镜片上的累加器以跟踪时间的经过；对眼睑位置传感器系统和眼运动传感器系统中的至少一者采样；从累加器检索读数；将眼睑位置传感器系统的输出、眼运动传感器系统的输出以及累加器读数存储在存储器中；以及以预先确定的采样速率重复采样步骤、检索步骤和存储步骤。在另一个实施方案中，眼运动传感器系统包括加速度计和换能器中的至少一者。在先前两个实施方案的另一个实施方案中，该方法还包括：利用存在于镜片上的至少一个光传感器测量光水平；存储光水平和来自累加器的当前读数；以及确定光水平改变何时发生，并且将来自累加器的当前读数与光水平读数一起存储。在另一个实施方案中，该方法还包括：将累加器与持续时间阈值进行比较；当累加器超过持续时间阈值时，确定当前光水平是否近似初始光水平读数，当达到初始光水平时，终止方法。在此段落中的任何实施方案的另一个实施方案中，当检测到眼睑闭合时，接着以第二眼睑采样速率对眼睑闭合采样。

在任何先前实施方案的另一个实施方案中，该方法还包括：针对可用能量水平监测镜片上的电源；当电源具有低于能量阈值的可用能量水平时，执行以下中的至少一者：降低对加速度计和换能器中的至少一者的采样速率；降低对至少一个传感器的采样速率；终止对加速度计和换能器中的至少一者的进一步采样；终止对电源的进一步监测；存储基于累加器中的当前值的表示低能量的时间戳；从加速度计和换能器中的至少一者移除功率；以比第一采样速率慢的第二眼睑采样速率来对眼睑闭合采样；以及对存储读数的存储器提供功率。

在任何先前实施方案的另一个实施方案中，该方法还包括：监测用于存储读数的可用存储量；当可用存储量低于低存储量阈值时，执行以下中的至少一者：存储基于累加器中的当前值的表示低存储量的时间戳；降低对加速度计和换能器中的至少一者的采样速率；终止进一步对加速度计和换能器中的至少一者采样；将来自加速度计和换能器中的至少一者的未来读数存储在最早存储在存储器中的读数之上；以及删除与最低累加器读数相关联的所存储的传感器读数，并且使存储器中的剩余的所存储的传感器读数和累加器读数移位。

在任何先前实施方案的另一个实施方案中，存储读数包括将读数传输到外部装置以供存储。在另一个实施方案中，外部装置将读数与基于外部装置上的当前时间的时间戳一起存储。在先前两个实施方案中的任一个的另一个实施方案中，该方法还包括：利用外部装置对光水平采样并且将光水平与时间戳一起存储在存储器中。在先前三个实施方案中的任一个的另一个实施方案中，该方法还包括：利用外部装置接收用于发起睡眠研究和终止睡眠研究的用户输入。

在至少一个实施方案中，一种加电式眼科镜片，该加电式眼科镜片包括：接触镜片；接触镜片中的眼睑位置传感器系统，该眼睑位置传感器系统包括传感器阵列和信号调节器，该传感器阵列具有彼此竖直间隔的多个测量点以检测眼睑位置，该信号调节器被配置成对传感器阵列中的测量点采样以检测眼睑位置并提供输出眼睑信号；接触镜片中的眼运动传感器系统，该眼运动传感器系统包括用于跟踪并确定眼睛位置的至少一个传感器以及信号调节器，该信号调节器与传感器协作性地相联并且被配置成基于来自传感器输出的信息跟踪并确定眼睛位置的空间坐标并且提供输出运动信号；系统控制器，该系统控制器与所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动传感器系统电连接，所述系统控制器被配置成基于至少一个预先确定的采样速率对所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动系统采样；以及存储器，该存储器与所述系统控制器电连通，并且其中所述系统控制器将基于每个样本的数据存储在所述存储器中。在至少一个实施方案中，一种加电式眼科镜片包括：接触镜片；接触镜片中的眼运动传感器系统，该眼运动传感器系统包括用于跟踪并确定眼睛位置的至少一个传感器以及信号调节器，该信号调节器与传感器协作性地相联并且被配置成基于来自传感器输出的信息跟踪并确定空间坐标中的眼睛位置并且提供输出运动信号；系统控制器，该系统控制器与所述眼运动传感器系统电连接，所述系统控制器被配置成基于至少一个预先确定的采样速率对所述眼运动传感器系统采样；以及数据管理器，该数据管理器与所述系统控制器电连通并且具有存储器，所述数据管理器被配置成将从所述系统控制器输出到所述数据管理器的任何信号中所存在的数据存储在所述存储器中。

在至少一个实施例中，加电式眼科镜片包括接触镜片；接触镜片中的眼睛移动传感器系统，该眼睛移动传感器系统包括用于追踪和确定眼睛位置的至少一个传感器、以及信号调节器，该信号调节器与传感器协作性地相关联，并且被配置来基于来自传感器输出的信息追踪和确定空间坐标中的眼睛位置，并且提供输出移动信号；与所述眼睛移动传感器系统电连接的系统控制器，所述系统控制器被配置来基于至少一个预先确定的采样率，采样所述眼睛移动系统；以及与所述系统控制器电连通并且具有存储器的数据管理器，所述数据管理器被配置来将从所述系统控制器输出到所述数据管理器的任何信号中存在的数据存储在所述存储器中。在另一个实施方案中，该镜片还包括接触镜片中的眼睑位置传感器系统，该眼睑位置传感器系统包括传感器阵列和信号调节器，该传感器阵列具有彼此竖直间隔的多个测量点以检测眼睑位置，该信号调节器被配置成对传感器阵列中的测量点采样以检测眼睑位置并提供输出眼睑信号；并且其中所述系统控制器与所述眼睑位置传感器系统电连接，所述系统控制器被配置成基于至少一个预先确定的眼睑采样速率对所述眼睑位置传感器系统采样。

对于任何以上的加电式眼科镜片实施方案进一步而言，镜片还包括累加器；并且所述系统控制器被配置成存储来自所述累加器的对应于所存储的每个样本数据集的读数。F对于任何以上的加电式眼科镜片实施方案进一步而言，镜片还包括：功率源，该功率源电连接到所述眼睑位置传感器系统、所述眼运动传感器系统以及所述系统控制器；以及资源管理系统，该资源管理系统与所述功率源和所述存储器中的至少一者电连通；所述资源管理系统被配置成确定超过低能量水平和存储器存储阈值中的至少一者，并且响应于肯定确定，所述资源管理系统被配置成进行以下中的至少一者：降低对系统的所有采样速率；终止对所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动系统的所有采样；以及当超过存储器存储阈值时，用较新的数据替换较早的数据。

对于任何以上的加电式眼科镜片实施方案进一步而言，镜片还包括通信系统，该通信系统被配置成与外部装置通信。在另一个实施方案中，系统控制器通过所述通信系统将任何所接收的信号输出传输到外部装置。

对于任何以上的加电式眼科镜片实施方案进一步而言，眼运动系统包括至少一个加速度计。在另一个实施方案中，当来自所述至少一个加速度计的信号超过运动阈值时，眼运动传感器系统信号调节器提供输出。

在至少一个实施方案中，一种系统包括任何以上的加电式眼科镜片实施方案以及能够容纳所述镜片的基站，所述基站包括：外壳，该外壳具有尺寸足以用于至少一个镜片的腔；时钟；通信系统，该通信系统被配置成与插入所述外壳中的任何镜片通信，包括激活所述镜片以及下载存储在所述镜片中的所述存储器中的数据；存储器，该存储器被配置成存储所下载的数据；以及用于与外部计算机通信以传输从所述镜片中的所述存储器接收的数据的装置。

根据本发明的具有眼睑位置传感器和/或眼运动传感器的电子式眼科镜片克服了以上所简述的与现有技术相关联的局限性。这些传感器可以集成到接触镜片中，而不需要在现有的面向眼睛的检测系统中所常见的临床环境或眼镜。传感器具有可用于接触镜片中的适当的尺寸和电流消耗。传感器还输出对于确定佩戴者是睡着还是清醒所必需的信息。

根据一个方面，本发明涉及一种加电式眼科镜片。加电式眼科镜片包括接触镜片、结合到接触镜片中的眼睑位置传感器系统、眼睛位置传感器系统、系统控制器、以及数据管理器。眼睑位置传感器系统包括传感器阵列，该传感器阵列具有彼此竖直间隔的多个单独传感器和连续压力和/或电容传感器中的至少一者以检测眼睑位置。眼睛位置传感器系统包括用于检测眼睛位置的至少一个传感器。系统控制器被配置成对传感器阵列中的每个单独传感器采样以检测眼睑位置并提供输出控制信号。数据管理器被配置成接收输出控制信号并且记录关于佩戴者的睡眠的数据。在至少一个实施方案中，接触镜片包括光学区域和其中具有电子部件的周边区域。在另选的实施方案中，眼睑位置传感器系统包括带状传感器，取代了多个单独传感器。

根据另一个方面，本发明涉及一种加电式眼科镜片。加电式眼科镜片包括眼内镜片、结合到眼内镜片中的眼睑位置传感器系统、眼睛位置传感器系统、系统控制器以及数据管理器。眼睑位置传感器系统包括传感器阵列，该传感器阵列具有彼此竖直间隔的多个单独传感器以检测眼睑位置。眼睛位置传感器系统包括用于检测眼睛位置的至少一个传感器。系统控制器被配置成对每个单独传感器采样以提供输出控制信号。数据管理器被配置成接收输出控制信号并且记录关于佩戴者的睡眠的数据。

在至少一个实施方案中，在其中提供跟踪工作者的睡眠的机构将是有利的。

本发明涉及一种可结合眼睑(eyelid或lid)位置传感器和眼睛位置传感器的加电式或电子式眼科镜片。已知的是眼睑以多种方式保护眼球，包括眨眼反射和眼泪展布的动作。眼睑的眨眼反射通过在感知到对眼睛的威胁后迅速闭合来防止对眼球造成创伤。眨眼还会使眼泪展布在眼球表面，以使眼球保持湿润并冲洗掉细菌和其他异物。但眼睑的运动也可以指示在起作用的其他动作或功能。在至少一个实施方案中，可利用眼睑位置传感器来确定佩戴电子式眼科镜片的个人是否睡着。

本发明更一般地涉及一种包括电子系统的加电式接触镜片，所述电子系统执行任何数量的功能，包括致动可变焦光学器件(如果包括的话)。该电子系统包括一个或多个电池或其他功率源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟生成电路、控制算法和电路以及镜片驱动电路。

对加电式眼科镜片的控制可通过以无线方式与镜片通信的手动操作式外部装置(例如手持式遥控单元)来实现。另选地，对加电式眼科镜片的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于镜片中的传感器可检测眨眼和/或眨眼模式。基于眨眼模式或眨眼序列，加电式眼科镜片可改变操作状态，例如在唤醒操作状态和睡着操作状态之间改变。另选地，传感器可包括例如压力传感器、簧片开关、盐度传感器、生物传感器和电容传感器，以提供指示镜片已被插入的信号。

在至少一个实施方案中，眨眼检测算法是系统控制器的检测眨眼特性的部件，所述眨眼特性例如眼睑是打开还是闭合、眨眼打开或闭合的持续时间、眨眼间隔持续时间以及给定时间周期中的眨眼次数。根据至少一个实施方案，该算法依赖于以某一采样速率对入射于眼睛上的光采样。存储预先确定的眨眼模式，并将其与入射光样本的最近历史比较。当模式匹配时，眨眼检测算法便触发系统控制器中的活动，例如以切换至特定的操作状态。

在至少一个实施方案中，眨眼检测算法和相关联的电路在相当宽的照明条件范围内工作，并且优选地能够将有意的眨眼序列或眼睑闭合与无意的眨眼区分开来。还优选的是，只需要进行很少的训练便能利用有意的眨眼来激活和/或控制加电式眼科镜片。本发明的眨眼检测算法和相关联的电路提供了一种通过加电式或电子式接触镜片来检测眨眼的安全、低成本且可靠的装置和方法，以实现对加电式或电子式眼科镜片的激活或控制中的至少一者，该加电式或电子式接触镜片还具有低能量消耗速率并且可被缩小成能结合到眼科镜片中。

本发明还涉及结合眼睑或眼睑位置传感器的加电式或电子式眼科镜片。

附图说明

通过以下对如附图中所示的本发明优选实施方案的更具体描述，本发明的上述内容及其他特征和优点将显而易见。

图1A和1B示出根据本发明的至少一个实施方案的具有传感器系统的接触镜片。

图2示出根据本发明的至少一个实施方案的入射到眼睛表面上的光与时间的关系的图形表示，其示出在各种光强度水平下所记录的可能的无意的眨眼模式与时间的关系以及基于最大和最小光强度水平之间的某一点的可用阈值水平。

图3为根据本发明的至少一个实施方案的眼睑位置传感器系统的状态转移图。

图4示出根据本发明的至少一个实施方案的用于对所接收的光信号进行检测和采样的光电检测路径的图解示意图。

图5示出根据本发明的至少一个实施方案的数字调节逻辑的框图。

图6示出根据本发明的至少一个实施方案的数字检测逻辑的框图。

图7示出根据本发明的至少一个实施方案的时序图。

图8A和8B示出根据本发明的至少一个实施方案的数字系统控制器的图解示意图。

图9A至图9G示出根据本发明的至少一个实施方案的用于自动增益控制的时序图。

图10示出根据本发明的至少一个实施方案的集成电路管芯上的光阻挡区域和光通过区域的图解示意图。

图11示出根据本发明的至少一个实施方案的用于加电式接触镜片的电子插件(包括眨眼检测器)的图解示意图。

图12A和12B示出根据本发明的至少一个实施方案的眼睑位置传感器的图解示意图。

图13A示出根据本发明的至少一个实施方案的两个眼睑位置传感器的图解示意图，这些眼睑位置传感器具有用于使两只眼睛之间的动作同步的通信信道。

图13B示出根据本发明的至少一个实施方案的一个眼睑位置传感器的图解示意图，该眼睑位置传感器具有用于与外部装置通信的通信信道。

图14A示出根据本发明的至少一个实施方案的用于检测眼睑位置并结合到接触镜片中的电子系统的图解示意图。

图14B示出图14A的电子系统的放大视图。

图15示出来自根据本发明的至少一个实施方案的眼睑位置传感器的输出的图解示意图。

图16A示出根据本发明的至少一个实施方案的用于检测眼睑位置并结合到接触镜片中的另一种电子系统的图解示意图。

图16B示出图16A的电子系统的放大视图。

图17A至图17C示出根据本发明的至少一个实施方案的眼睑位置检测系统的图解示意图。

图17D示出图17A至图17C的电子系统的放大视图。

图18A示出根据本发明的至少一个实施方案的结合到接触镜片中的瞳孔位置和会聚检测系统的图解示意图。

图18B是图18A的瞳孔位置和会聚检测系统的放大视图。

图18C示出眼睛上叠加的X、Y、Z轴。

图19示出根据本发明的至少一个实施方案的插入传感器实施方案的框图。

图20示出根据本发明的具有多个传感器、一个系统控制器和一个警示机构的通用系统的框图，其中基于两个或更多个传感器的输出作出激活决策。

图21示出根据本发明的至少一个实施方案的方法的流程图，系统控制器通过该方法确定警示机构的状态是否将基于传感器输入发生改变。

图22示出根据本发明的至少一个实施方案的存储框的框图。

图23示出根据本发明的至少一个实施方案的方法的流程图，系统控制器通过该方法监测睡眠。

图24示出根据本发明的至少一个实施方案的方法的流程图，系统控制器通过该方法监测睡眠。

图25示出根据本发明的至少一个实施方案的方法的流程图，系统控制器通过该方法监测睡眠。

具体实施方式

常规的接触镜片为聚合物结构，具有特定形状以便如上所简述地矫正各种视力问题。为了实现增强的功能，可将各种电路和部件集成到这些聚合物结构中。例如，控制电路、微处理器、通信装置、功率源、传感器、数据管理器、发光二极管和微型天线可通过定制的光电部件来集成到接触镜片中，以便不仅矫正视力，而且提高视力，以及提供如本文所解释的附加的功能。电子式和/或加电式接触镜片可被设计成通过放大和缩小能力或者只是通过修改镜片的屈光能力来提供提高的视力。电子式和/或加电式接触镜片可被设计成增强颜色和分辨率、显示文本信息、将语音实时转化为字幕、提供导航系统的视觉提示、以及提供图像处理和互联网接入。镜片可被设计成允许佩戴者在低光照条件下视物。镜片上经适当设计的电子器件和/或电子器件布置可允许例如在没有可变焦光学镜片的情况下将图像投射到视网膜上，提供新型图像显示器，并且甚至提供唤醒警示。此外，可利用内置于镜片中的传感器来检测入射到眼睛上的光，以补偿环境光照条件或者用于确定眨眼模式以及佩戴者是睡着还是清醒的。

至少一个实施方案的加电式或电子式接触镜片包括必要元件以监测佩戴者的睡眠，不论具有还是不具有用于矫正和/或提高具有一种或多种上述视力缺陷的患者的视力或者以其他方式执行有用的眼科功能的元件。此外，电子式接触镜片可仅仅用来提高正常的视力，或者提供如上所述的多种功能。电子式接触镜片可具有可变焦光学镜片，嵌入到接触镜片中的已组装前光学器件，或者仅简单地嵌入任何合适功能的电子器件而没有镜片。本发明的电子式镜片可结合到任何数目的上述接触镜片中。此外，眼内镜片也可结合本文所述的各种部件和功能。然而，为了便于解释，本公开将集中于用于单次使用的日抛型电子式接触镜片。

本发明可用于具有电子系统的加电式眼科镜片或加电式接触镜片，该电子系统致动可变焦光学器件或被配置成实现可被执行的任何数量的诸多功能的任何其他一种或多种装置。该电子系统包括一个或多个电池或其他功率源、功率管理电路、一个或多个传感器、时钟生成电路、控制算法和电路、以及镜片驱动电路。这些部件的复杂度可根据镜片所要求或所期望的功能而变化。另选地，在至少一个实施方案中，接触镜片可仅监测佩戴者的睡眠，包括快速眼运动(REM)睡眠。

对电子式或加电式眼科镜片的控制可通过与镜片通信的手动操作式外部装置诸如手持式远程单元来实现。例如，短表链(fob)可基于来自佩戴者的人工输入与加电式镜片进行无线通信。另选地，对加电式眼科镜片的控制可通过直接来自于佩戴者的反馈信号或控制信号来实现。例如，内置于镜片中的传感器可检测眨眼、眨眼模式、眼睑闭合和/或眼运动。基于眨眼模式或眨眼序列和/或运动，加电式眼科镜片可改变操作状态，例如镜片的操作状态，以开始监测佩戴者的睡眠。另一种选择是，佩戴者无法控制加电式眼科镜片的操作。

图1A示出根据至少一个实施方案的睡眠监测系统。所示系统包括眼睑位置传感器系统110、眼运动传感器系统120、系统控制器132和数据管理器134。传感器系统与系统控制器132电连通，该系统控制器继而与数据管理器134电连通。在至少一个实施方案中，数据管理器134包括连接到存储器的累加器。在至少一个实施方案中，数据管理器134与系统控制器132合并。

图1B中所示的眼睑位置传感器系统110包括与信号处理部件电连通的至少一个传感器。至少一个传感器允许检测眼睑闭合，并且可采用如本公开中稍后讨论的多种形式。

图1B中所示的眼运动传感器系统120包括与信号处理器电连通的至少一个传感器。至少一个传感器可采用如本公开中稍后讨论的多种形式。示例包括加速度计和换能器。

在另选的实施方案中，容纳系统控制器的集成电路或其他电气部件还容纳两个传感器系统的信号处理装置。

图1A还示出功率源130，在至少一个实施方案中，该功率源向系统的其他部件提供功率。图1A示出稍后将讨论的任选的资源管理系统140。

在至少一个另选的实施方案中，系统控制器使用检测眨眼特性的眨眼检测方法，眨眼特性例如眼睑是打开还是闭合、眨眼的持续时间、眨眼之间的持续时间、给定时间段内的眨眼次数、以及眼睑闭合时长。根据至少一个实施方案的方法依赖于以某一采样速率对入射于眼睛上的光采样。存储预先确定的眨眼模式，并将其与入射光样本的最近历史比较。当模式匹配时，眨眼检测可触发系统控制器中的活动，例如，以便激活睡眠监测或停用睡眠监测。在另一个实施方案中，眨眼检测还在预先确定的眨眼模式和与困倦或睡眠开始相关联的眼睑运动之间进行区分。

眨眼是眼睑的快速闭合和打开，并且是眼睛的基本功能。眨眼能保护眼睛免受异物损伤，例如当有物体意外地出现在眼睛附近时，个体便会眨眼。眨眼通过眼泪的展布而在眼睛的前表面上提供润滑作用。眨眼还能从眼睛移除污染物和/或刺激物。正常情况下，眨眼是自动完成的，但外部刺激可能会导致眨眼，例如在存在刺激物的情况下。然而，眨眼也可能是有目的的，例如对于不能通过语言或通过手势进行交流的个体可通过眨眼一次来表示“是”、通过眨眼两次来表示“否”。在另选的实施方案中，眨眼检测方法和系统利用不会与正常眨眼响应相混淆的眨眼模式。换句话讲，如果要将眨眼作为用于控制动作的方法，则为给定动作所选择的特定模式不能无规地出现；否则，可能发生无意的动作。由于眨眼速度和/或频率可受到若干因素(包括疲劳、专注、无聊、眼睛受伤、用药和疾病)的影响，用于控制目的眨眼模式优选地考虑到这些因素以及任何其他影响眨眼的变量。无意眨眼的平均长度在约一百(100)毫秒至四百(400)毫秒的范围内。成年男性和女性的平均眨眼速率为每分钟十(10)次无意眨眼，并且无意眨眼之间的平均时间为约0.3秒至七十(70)秒。眼睑运动还可以指示其他情况，诸如当眼睑具有闭合一段时间的总趋势时指示困倦，或者闭合一段时间指示佩戴者已睡着。

眨眼检测可概括为以下步骤。

1.定义使用者将执行的有意“眨眼序列”以用于积极的眨眼检测或者其代表睡眠开始。

2.以与检测眨眼序列一致的速率对入射光水平采样并剔除无意的眨眼。

3.将采样的光水平的历史与预期的“眨眼序列”进行比较，“眨眼序列”由数值的眨眼模板定义。

4.任选地，实现眨眼“遮罩”序列以指示在比较期间所要忽略的模板的部分，例如近处的转变。这可允许使用者偏离所期望的“眨眼序列”，例如加一或减一(1)错误窗口，其中可能出现以下中的一者或多者：镜片激活、控制和焦距改变。另外，这可允许眨眼序列的使用者时序发生变化。

应当理解，多种预期的或希望的眨眼模式可被编程到具有一个或多个同时工作的接口的设备，并在至少一个实施方案中控制特定眨眼模式在特定操作状态下的使用。更具体地讲，可将多个预期的或希望的眨眼模式用于同一目的或功能、或者用于实现不同的或替代的功能。例如，可利用一个眨眼模式使镜片在至少一个睡着操作状态和唤醒操作状态之间改变操作状态。在至少一个实施方案中，眨眼检测还可以在眼睑保持闭合时进行检测，其检测结果将是连续眨眼；眼睑具有闭合入睡的运动轨迹，其检测结果将是部分眨眼或一系列部分眨眼，诸如当眨眼发生后传感器的一部分被眼睑覆盖时；以及眼睑下垂，其检测结果将是在上眼睑和/或下眼睑例如从其确认或未确认注视位置和/或头部下垂的正常稳态位置发生稳态位置上的改变。

确定佩戴者是否打瞌睡的一种方式的示例是通过跟踪眨眼周期时间的宽度和眼睑打开周期时间的宽度的长度来实现。另选地，还会跟踪部分眼睑打开周期宽度，作为眼睑打开周期宽度的补充或替代。通常眨眼与眼睑打开之间的比率将为1∶15至1∶22，但随着佩戴者慢慢进入睡眠，眨眼周期宽度的长度将增加，而眼睑打开周期宽度将减少。在包括用于存储周期宽度的多个寄存器的系统中，可以保持正在运行的眨眼周期和眼睑打开周期之间的一系列比率，使得当这种趋势的比率接近预先确定的困倦阈值时，佩戴者可能开始打瞌睡。预先确定的困倦阈值的示例包括但不限于一比1、2、3、4、5和10。系统控制器将被配置成比较所述比率并跟踪在滚动窗口上的周期时长。在另选的实施方案中，系统控制器将仅保留与预先确定的窗口的非标准眨眼相关联的周期宽度的信息，同时佩戴者可注意到他们在打瞌睡，并在进入另一长时间的眨眼周期之前更加留心。在至少一个实施方案中，当检测到佩戴者正在打瞌睡时，传感器的采样频率可增加以便提高数据分辨率。在另一个实施方案中，数据管理器记录采样频率何时改变，并且在另一个实施方案中，存储正在使用的采样频率的指示。

在另选的实施方案中，系统控制器将确定佩戴者在预定时间的眨眼与眼睑打开的比率。预先确定的时间的示例包括但不限于，镜片插入后不久、增加一小时、增加二小时、增加四小时、和这些时间的任意组合。在另选的或另一个实施方案中，当检测到一只眼或两只眼的焦点发生变化，或者两次眨眼间隔的时间有所增加时，系统控制器将确定佩戴者的眨眼与眼睑打开的比率，使得所述增加超过预先确定的阈值，指示例如佩戴者正注视着某物或佩戴者处于无聊的状态。这一特定于佩戴者的比率将被用来计算预先确定的困倦阈值。该计算的示例包括取特定于佩戴者的比率的一部分，诸如减少四分之一(例如，1∶20至1∶15)、减少一半(例如，1∶20至1∶10)或减少四分之三(例如，1∶20至1∶5)。基于该示例，本领域的普通技术人员应当理解，多种减少方式是可能的。

打瞌睡的另一个示例是在眨眼期间眼睑打开和闭合的速度。一项研究发现，眼睑闭合平均时间为92毫秒±17毫秒，并且眼睑打开平均时间为242毫秒±55毫秒。BanderWerf等人，“Eyelid Movements：Behavioral Studies of Blinking in Humans underDifferent Stimulus Conditions，”Journal of Physiology，2003年5月，第89卷，第5期，第2784页-第2796页。在至少一个实施方案中，系统控制器保留至少一次眼睑闭合和眼睑打开的运行次数列表，以确定所监测的眼睑运动是否存在速度上的改变。使得当一系列眨眼的速度减慢时，系统控制器获得确定佩戴者困倦的依据。在另一个实施方案中，速度被测定为从闭合的眼睑位置到打开的眼睑位置的距离与在这两点之间行进所花的时间的比率。

打瞌睡的另一个示例是镜片佩戴者瞳孔的扫视运动减少。当一个人是清醒时，在扫视运动中其双眼由于生理方面的考虑而快速环顾是正常的。当一个人困倦时，虽然眼睑是打开的，但这些运动将减少。在至少一个实施方案中，眼运动传感器系统被用于跟踪瞳孔的运动，并可将此信息提供给系统控制器，以用于沿眼运动数据的运行列表进行比较，所述眼运动数据反映瞳孔运动的运动量、时长和速度。

在另一个实施方案中，系统控制器将利用来自加速度计的信号来确定佩戴者的头部是否开始下垂并结合任何较长时间的眨眼周期宽度，然后在至少一个实施方案中，系统控制器将降低困倦阈值或者另选地利用低垂的头部来确认佩戴者开始打瞌睡并需要警示。

图1B以框图形式示出根据至少一个实施方案的接触镜片100。在所示实施方案中，接触镜片100包括眼睑位置系统110、眼运动传感器系统120、功率源130、系统控制器132和数据管理器134。所示眼睑位置系统110包括光传感器112、放大器114、模数转换器(或ADC)116以及数字信号处理器118。所示眼运动传感器系统120包括传感器122和信号处理器124，诸如采集采样信号调节器。

在至少一个实施方案中，当接触镜片100放置于使用者眼睛的前表面上时，可利用眨眼检测器系统的电子电路来实现眨眼检测。光传感器112以及其他电路被配置成检测眨眼、由使用者的眼睛产生的各种眨眼模式和/或眼睑闭合水平。

在该实施方案中，光传感器112可嵌入到接触镜片100中并接收环境光141，将入射光子转换成电子，从而产生流入放大器114中的电流(用箭头113表示)。光传感器或光电探测器112可包括任何合适的装置。在一个实施方案中，光传感器112包括光电二极管。在至少一个实施方案中，光电二极管被应用于互补金属氧化物半导体(CMOS加工技术)中，以增大集成能力并减少光传感器112和其他电路的总体尺寸。电流113与入射光水平成比例，并在光电探测器112被眼睑覆盖时显著减少。放大器114产生与输入成比例的放大输出，并可用作将输入电流转换成输出电压的互阻抗放大器。放大器114可将信号放大到可供系统的剩余部分使用的水平，例如使信号具有足够的电压和功率以被ADC 116采集。例如，可能需要放大器来驱动后续区块，因为光传感器112的输出可能相当小并且可能在低光照环境中使用。放大器114可以实现为可变增益放大器，其增益可由系统控制器132以反馈布置方式调整，以使系统的动态范围最大化。除提供增益之外，放大器114还可包括其他模拟信号调节电路，例如适合于光传感器112和放大器114输出的滤波电路和其他电路。放大器114可包括任何适用于放大和调节由光传感器112输出的信号的装置。例如，放大器114可包括单个运算放大器，或包括一个或多个运算放大器的更复杂的电路。光传感器可以是可切换光电二极管阵列，并且放大器可以是积分器。如上所述，光传感器112和放大器114被配置成根据通过眼睛所接收的入射光强度来检测和分离眨眼序列，并将输入电流转换成最终可由系统控制器132使用的数字信号。在至少一个实施方案中，系统控制器132被预编程或预配置成能够在各种光强度水平条件下识别各种眨眼序列、眨眼模式和/或眼睑闭合(部分或完全闭合)，并向数据管理器134提供适当的输出信号。在至少一个实施方案中，系统控制器132还包括相关联的存储器。

在该实施方案中，ADC 116可用于将来自放大器114的连续模拟信号输出转换成适合于进一步信号处理的采样数字信号。例如，ADC 116可将来自放大器114的模拟信号输出转换成可供后续或下游电路(诸如数字信号处理器118)使用的数字信号。数字信号处理器118可用于数字信号处理，包括对采样的数据进行过滤、处理、检测以及以其他方式操纵/处理中的一种或多种，从而允许入射光检测供下游使用。通过上述眨眼序列和/或眨眼模式以及指示延长的眼睑闭合或眼睑移动的眨眼序列，可对数字信号处理器118进行预编程。在至少一个实施方案中，数字信号处理器118还包括相关联的存储器，在至少一个实施方案中，该相关联的存储器存储模板和遮罩组以便检测例如像系统控制器132所选择的每个操作状态的眨眼模式。数字信号处理器118可利用模拟电路、数字电路、软件、或它们的组合来实现。在所示实施方案中，数字信号处理器在数字电路中实现。ADC 116连同相关联的放大器114和数字信号处理器118以与前述采样速率一致的合适速率激活，例如每一百(100)ms激活一次，在至少一个实施方案中，该合适速率得到调整。

在至少一个实施方案中，允许检测眼睛并且更具体地是瞳孔的运动的任何合适装置可用作传感器122，并且可利用不止单个传感器122。由信号处理器124对传感器122的输出进行采集、采样和调节。信号处理器124可包括任何数量的装置以接收来自传感器122的数据并以合适的格式为系统的剩余部分生成输出，所述装置包括放大器、互阻抗放大器、模数转换器、滤波器、数字信号处理器和相关电路。数字信号处理器124可利用模拟电路、数字电路、软件和/或它们的组合来实现。在至少一个实施方案中，信号处理器124是与传感器122协同设计的，例如用于采集和调节加速度计的电路与用于肌肉活动传感器或光学瞳孔跟踪器的电路不同。在至少一个实施方案中，信号处理器124的输出为经采样的数字流并且可包括绝对位置或相对位置、运动、所检测的与会聚一致的注视、或者其他数据。系统控制器132从位置信号处理器124接收输入，并使用该信息结合来自眼睑位置传感器系统的输入来确定佩戴者是否睡着。

在至少一个实施方案中，信号处理器118和124被结合到一个信号处理器中(或被制造成一个信号处理器)。

功率源130为系统中的诸多部件供应功率。功率可由电池、能量采集器或本领域普通技术人员已知的其他合适装置来供应。实质上，可利用任何类型的功率源130来为系统的所有其他部件提供可靠的功率。在至少一个实施方案中，可利用眨眼序列来改变系统和/或系统控制器的操作状态。此外，系统控制器132可根据来自数字信号处理器118和/或信号处理器124的输入来控制加电式接触镜片的其他方面，例如通过致动器来改变电子控制的镜片的焦距或屈光力。

在至少一个实施方案中，系统控制器132将基于所接收的眨眼模式来确定镜片的操作状态，例如以便发起或终止睡眠监测，尽管在另选的实施方案中，其他操作状态同时地或分别地是可能的。对于该实施方案进一步而言或另选地，操作状态将确定数字信号处理器118在该操作状态中将使用的眨眼模板和遮罩组，连同控制数据管理器134响应于系统控制器132检测到佩戴者已经入睡作出的行为。在另一个另选的实施方案中，旨在用于工作轮班期间的镜片将仅使用指示睡眠开始的眨眼模板来运作，并且不会根据佩戴者的任何眨眼模式改变操作状态。

系统控制器132使用来自光传感器链(即，光传感器112、放大器114、ADC 116和数字信号处理系统118)的信号来比较采样的光水平以确定眼睑闭合和/或眨眼激活模式。

参见图2，其示出在各种光强度水平下所记录的眨眼模式样本与时间和可用阈值水平的示意图。因此，通过考虑到各种因素，可减少和/或防止在对入射于眼睛上的光采样时的眨眼检测错误，例如考虑到在不同位置和/或在执行各种活动时光强度水平的变化。另外，当对入射于眼睛上的光采样时，通过考虑到环境光强度的变化可能对眼睛和眼睑造成的影响，也可减少和/或防止眨眼检测错误，诸如在低强度光水平和高强度光水平下当眼睑闭合时眼睑阻挡多少可见光。换句话讲，为防止利用错误的眨眼模式进行控制，优选地应考虑环境光的水平，这将在下文进行更详细的解释。

例如在研究中，已发现眼睑平均阻挡约百分之九十九(99％)的可见光，但在较短的波长处，透射过眼睑的光趋于减少，从而阻挡约99.6％的可见光。在朝向光谱的红外线部分的较长波长处，眼睑可阻挡仅百分之三十(30％)的入射光。然而，重要的是应注意，不同频率、波长和强度的光可能以不同的效率透射过眼睑。例如，当看着明亮光源时，个体可通过其闭合的眼睑看到红光。基于个体差异，诸如个体的皮肤色素沉淀，眼睑阻挡的可见光量也可能有变化。如图2所示，在七十(70)秒的时间间歇中模拟眨眼模式在各种光照水平下的数据样本，其中在模拟过程中记录透射过眼睛的可见光强度水平，并示出可使用的阈值。阈值被设定为处于在模拟过程中在不同的光强度水平下针对样本眨眼模式所记录的可见光强度的峰到峰值之间的值。在跟踪光水平随时间的平均值并调整阈值的同时具有对眨眼模式进行预编程的能力对于能够检测某个个体何时眨眼而言可能非常重要，这与个体不眨眼时和/或仅在某一区域中存在光强度水平变化时不同。

现在再次参见图1A和图1B，在其他另选的实施方案中，系统控制器132可从包括以下一者或多者的源接收输入：眨眼检测器、压力传感器、加速度计、光传感器和短表链控制装置。通过归纳法并根据本公开内容，本领域的技术人员应当理解，通过系统控制器132确定睡眠的方法可使用一个或多个输入。例如，电子式或加电式接触镜片可针对个体使用者编程，诸如对镜片编程以识别个体的眨眼模式和个体的头部运动两者，如使用加速度计在一天的时间当中所检测到的，例如在点头的同时眼睑闭合。在一些实施方案中，使用一个以上的输入通过电子接触镜片来确定睡眠诸如眨眼检测与头部运动，可为每种方法提供在确定已经发生睡眠开始之前用另一种方法交叉检查的能力，稍后将结合图20和图21进行讨论。交叉检查的优点可包括减少误报，例如使无意间触发镜片而警示和/或记录错误数据的可能性降至最低。在一个实施方案中，交叉检查可涉及投票方案，其中在确定睡眠之前满足一定数量的条件。在另一个实施方案中，交叉检查可涉及加权平均值，其中某些输入将被视为比其他输入更为重要，诸如眼睑闭合和头部取向。

在另选的实施方案中，系统控制器132可输出指示佩戴者在睡着操作状态期间入睡的信号，而数据管理器134将在存储器中记录信息以供之后检索。在另选的实施方案中，系统控制器132将数据存储在与系统控制器132相关联的存储器中，而不使用数据管理器134来存储数据。如稍后所讨论，在至少一个实施方案中，存在提供时间戳的时钟(诸如累加器)。如上所示，本发明的加电式镜片可提供各种功能。

图3至图17D提供眼睑位置传感器系统的示例，并且图18A至图18C提供眼运动传感器系统的示例。在至少一个实施方案中，眼睑位置传感器系统使用眨眼检测来确定眼睑是否闭合并且在多个样本内保持闭合。

图3示出根据本发明的至少一个实施方案的眼睑位置传感器系统的状态转移图300。系统在开始时处于IDLE状态302，等待使能信号bl_go发出。当使能bl_go信号被发出时，例如通过以与眨眼采样速率相当的一百(100)ms速率施加脉冲bl_go的振荡器和控制电路，状态机接着转变至WAIT_ADC状态304，在该状态中，使能ADC以将所接收的光水平转换成数字值。ADC发出adc_done信号，以指示其操作完成，并且系统或状态机转变成SHIFT状态306。在SHIFT状态306中，系统将最新接收的ADC输出值推送到移位寄存器中，以保持眨眼样本的历史。在一些实施方案中，首先将ADC输出值与阈值比较，从而提供样本值的一位(1或0)，以便最小化存储要求。然后系统或状态机转变至COMPARE状态308，在此状态中，如上所述将样本历史移位寄存器中的值与一个或多个眨眼序列模板和遮罩进行比较。如果检测到匹配，则可发出一个或多个输出信号，诸如将镜片状态切换至睡着操作状态或唤醒操作状态的信号，或者发出佩戴者睡眠开始的信号。系统或状态机接着转变至DONE状态310，并发出bl_done信号，以指示其操作完成。

图4示出可用于对所接收的光水平进行检测和采样的光传感器或光电探测器信号路径pd_rx_top。信号路径pd_rx_top可包括光电二极管402、互阻抗放大器404、自动增益和低通滤波级406(AGC/LPF)、以及ADC 408。adc_vref信号从功率源130(参见图1B中的ADC116)输入到ADC 408，或者另选地，其可由模数转换器408内的专用电路提供。来自ADC 408的输出adc_data被传送到数字信号处理和系统控制器区块118/132(参见图1B)。虽然在图1B中示出为单独的区块118和132，但为了便于解释，数字信号处理和系统控制器在单个区块410上实现。使能信号adc_en、起始信号adc_start和复位信号adc_rst_n由数字信号处理和系统控制器410接收，而完成信号adc_complete传送到该处。时钟信号adc_clk可从位于信号路径pd_rx_top外的时钟源接收，或者从数字信号处理和系统控制器410接收。重要的是应注意，adc_clk信号和系统时钟可在不同的频率下运行。同样重要的是应注意，根据本发明可使用任何数量的不同ADC，这些ADC可具有不同的界面和控制信号，但其执行提供光传感器信号路径模拟部分输出的采样数字表示的相似功能。光电检测使能信号pd_en以及光电检测增益pd_gain是从数字信号处理和系统控制器410接收的。

图5示出可用于将所接收的ADC信号值adc_data减少至一位值pd_data的数字调节逻辑500的框图。数字调节逻辑500可包括数字寄存器502，以从光电检测信号路径pd_rx_top接收数据adc_data，从而在信号adc_data_held上提供保持值。数字寄存器502被配置成在adc_complete信号发出时接受adc_data信号上的新值，并且当接收到adc_complete信号时保持最后的接受值。这样，一旦所述数据被锁存，系统便可禁用光电检测信号路径，以降低系统的电流消耗。接着，可在阈值生成电路504中通过数字逻辑中实现的积分-清除平均或其他平均方法对所保持的数据值进行平均，以在信号pd_th上生成一个或多个阈值。然后，可通过比较器506将所保持的数据值与所述一个或多个阈值进行比较，以在信号pd_data上产生一位数据值。应当理解，所述比较运算可利用滞后或与一个或多个阈值的比较，以使输出信号pd_data上的噪声最小化。数字调节逻辑还可包括增益调整区块pd_gain_adj508，以根据所计算的阈值和/或根据所保持的数据值通过图4所示的信号pd_gain在光电检测信号路径中设置自动增益和低通滤波级406的增益。重要的是应注意，在该实施方案中，六位的字在眨眼检测的动态范围内提供足够的分辨率，同时使复杂度最小化。图5示出另选的实施方案，其包括提供来自例如串行数据接口的pd_gain_sdi控制信号，该串行数据接口允许重写由增益调整区块pd_gain_adj 508确定的自动增益控制。

在一个实施方案中，阈值生成电路504包括峰值检测器、谷值检测器和阈值计算电路。在该实施方案中，可如下生成阈值和增益控制值。峰值检测器和谷值检测器被配置成接收信号adc_data_held上的保持值。峰值检测器还被配置成提供输出值pd_pk，该输出值pd_pk快速地跟踪adc_data_held值的增大并在adc_data_held值减小时缓慢衰减。该操作类似于电技术领域中众所周知的传统二极管包络检测器的操作。谷值检测器还被配置成提供输出值pd_vl，该输出值pd_vl快速地跟踪adc_data_held值的减小并在adc_data_held值增大时缓慢地衰减至更高的值。谷值检测器的操作也类似于二极管包络检测器，其中放电电阻器被连接至正电源电压。阈值计算电路被配置成接收pd_pl值和pd_vl值，并且还被配置成根据pd_pk值和pd_vl值的平均值来计算中点阈值pd_th_mid。阈值生成电路504根据中点阈值pd_th_mid提供阈值pd_th。

阈值生成电路504还可适于响应于pd_gain值的变化更新pd_pk水平和pd_vl水平的值。如果pd_gain值增大一个步长，则pd_pk和pd_vl值增大一个因数，所述因数等于光电检测信号路径的预期增益增大值。如果pd_gain值减小一个步长，则pd_pk值和pd_val值减小一个因数，所述因数等于光电检测信号路径的预期增益减小值。这样，分别在pd_pk值和pd_vl值中所保持的峰值检测器和谷值检测器的状态、以及根据pd_pk值和pd_vl值计算出的阈值pd_th被更新以与信号路径增益的变化相匹配，从而避免仅根据光电检测信号路径增益的有意变化所得到的状态或值的不连续性或其他变化。

在阈值生成电路504的另一个实施方案中，阈值计算电路还可被配置成根据pd_pk值的比例或百分比来计算阈值pd_th_pk。在至少一个实施方案中，pd_th_pk可有利地被配置成pd_pk值的八分之七，其计算可通过简单的右移三位和减法来实现，如在本领域中众所熟知。阈值计算电路可将阈值pd_th选择成pd_th_mid和pd_th_pk中的较小者。这样，pd_th值将永远不等于pd_pk值，即使是在恒定的光长时间入射于光电二极管上(这可能导致pd_pk值和pd_vl值相等)之后。应当理解，pd_th_pk值确保在长的间歇之后对眨眼的检测。阈值生成电路的行为进一步示于图9中，如随后所论述。

图6示出根据至少一个实施方案的可用于实现数字眨眼检测的数字检测逻辑600的框图。数字检测逻辑600可包括移位寄存器602，该移位寄存器适于从光电检测信号路径pd_rx_top(图4)接收数据，或者从数字调节逻辑(图5)接收数据，如此处在具有一位值的信号pd_data上所示。移位寄存器602在此处将所接收的样本值的历史保持于24位寄存器中。数字检测逻辑600还包括比较区块604，该比较区块适于接收样本历史以及基于操作状态的一个或多个模板bl_tpl和遮罩bl_mask(如必要时)，并且数字检测逻辑600被配置成在一个或多个输出信号上指示与该一个或多个模板和遮罩的匹配，该一个或多个输出信号可被保持以供以后用。在至少一个实施方案中，操作状态确定比较区决604将要使用的模板bl_tpl和遮罩bl_mask组。在至少一组模板bl_tpl中，存在表示佩戴者入睡的至少一个睡眠模板。在另选的实施方案中，数字检测逻辑600包括比较区块，该比较区块适于包括一个或多个睡眠模板，并且数字检测逻辑600被配置成在一个或多个输出信号上指示与一个或多个模板和遮罩的匹配，该一个或多个输出信号可被保持以供以后用。在这样的另选实施方案中，镜片不具有睡着和唤醒操作状态。

比较区块604的输出通过D型触发器606进行锁存。数字检测逻辑600还可包括计数器608或其他逻辑，以抑制由于遮罩操作引起的以小的移位对同一样本历史集进行的连续比较。在优选的实施方案中，在发现阳性匹配之后样本历史将被清除或复位，因而需要对完整的、新的匹配序列采样才能再识别后续匹配。数字检测逻辑600还可包括状态机或类似的控制电路，以向光电检测信号路径和ADC提供控制信号。在一些实施方案中，控制信号可由与数字检测逻辑600分开的控制状态机产生。该控制状态机可为数字信号处理和系统控制器410的一部分。

在另选的实施方案中，系统基于眼睑保持闭合的循环数目来确定睡眠。一旦眼睑被检测为闭合，系统就将会将计数器(例如，寄存器)重置到零或一，这取决于实现方式。针对眼睑保持闭合的每个循环，计数器递增一。当计数器达到预先确定的阈值时，确定佩戴者睡着。相反，计数器可被重置到等于阈值的数目，并且针对眼睑保持闭合的每个循环递减，直到计数器达到零或一，这取决于所使用的实现方式。

图7示出从检测子系统向光电检测信号路径中所用的ADC 408(图4)提供的控制信号的时序图。使能信号和时钟信号adc_en、adc_rst_n和adc_clk在样本序列开始时被激活，并持续至模数转换过程完成为止。在一个实施方案中，ADC转换过程是当在adc_start信号上提供脉冲时开始的。ADC输出值被保持于adc_data信号中，并且过程的完成是由模数转换器逻辑在adc_complete信号上指示的。图7中还示出用于在ADC之前设置放大器增益的pd_gain信号。该信号显示为在预热时间之前进行设置，以使模拟电路偏压和信号电平在转换之前达到稳定。

图8示出具有数字眨眼检测子系统dig_blink 802的数字系统控制器800。数字眨眼检测子系统dig_blink 802可由主状态机dig_master 804控制并可适于从位于数字系统控制器800外的时钟产生器clkgen 806接收时钟信号。数字眨眼检测子系统dig_blink 802可适于向如上所述的光电检测子系统提供控制信号以及从光电检测子系统接收信号。除包括用于控制眨眼检测算法中的运算序列的状态机之外，数字眨眼检测子系统dig_blink802还可包括如上所述的数字调节逻辑和数字检测逻辑。数字眨眼检测子系统dig_blink802可适于从主状态机804接收使能信号，并向主状态机804提供完成或结束指示以及眨眼检测指示。在至少一个实施方案中，当佩戴者困倦时，眨眼检测提供指示，如先前所提及的。在至少一个实施方案中，眨眼数据存储在缓冲器中，使得在系统检测到睡眠之后，缓冲器中的数据可被转移并存储在存储器中以供稍后分析，例如，在睡眠之前过度专心和不良睡眠质量之间的相关性。

在另选的实施方案中，图8示出包括数字睡眠检测子系统dig_sleep852的数字系统控制器850。数字眨眼检测子系统dig_sleep 852可由主状态机dig_master 854控制并可适于从位于数字系统控制器850外的时钟产生器clkgen 856接收时钟信号。数字睡眠检测子系统dig_sleep 852可适于向如上所述的光电检测子系统提供控制信号并从光电检测子系统接收信号。除包括用于控制睡眠检测算法中的运算序列的状态机之外，数字睡眠检测子系统dig_sleep 852还可包括如上所述的数字调节逻辑和数字检测逻辑。数字睡眠检测子系统dig_sleep 852可适于从主状态机854接收使能信号，并向主状态机854提供完成或结束指示以及睡眠检测指示。

在图8A和图8B所示任一实施方案的另选实施方案中，记时钟连接到时钟发生器806以从镜片开始操作就跟踪时间，并且在其中数据管理器记录关于佩戴者睡眠的起始和终止的数据的实施方案中，向数据管理器提供时间戳信号，使得当使用例如至少一个电子通信部件将数据从镜片传输(或发送)至外部设备时，该外部设备能够根据来自镜片的时间戳和传输数据时外部设备上的当前时间，与记录的时间戳相比较，通过反算一天的时间来确定佩戴者在佩戴镜片时在哪些时间周期里睡着。

图9A-图9G描绘波形，用于示出阈值生成电路和自动增益控制(图5)的操作。图9A示出由可响应于不同光水平的光电二极管提供的光电流与时间的关系的示例。在曲线图的第一部分中，光水平和所得的光电流与曲线图的第二部分相比相对低。在曲线图的第一部分和第二部分两者中，均看到两次眨眼以减少光和光电流。应注意，由眼睑造成的光衰减可能不是百分之一百(100)，而是较低的值，该值取决于眼睑对入射于眼睛上的光波长的透射特性。图9B示出响应于图9A的光电流波形捕获的adc_data_held值。为简明起见，adc_data_held值被示出为连续的模拟信号而不是一系列离散的数字样本。应当理解，数字样本值将对应于图9B中在对应样本时间所示的水平。在曲线图顶部和底部处的虚线指示adc_data信号和adc_data_held信号的最大值和最小值。最小值和最大值之间的值范围也称为adc_data信号的动态范围。如下文所述，在曲线图第二部分中的光电检测信号路径增益是不同的(较低)。一般来讲，adc_data_held值与光电流成正比，并且增益变化仅影响比例性的比率或常数。图9C示出由阈值生成电路响应于adc_data_held值计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_mid值。图9D示出在阈值生成电路的一些实施方案中响应于adc_data_held值计算的pd_pk、pd_vl和pd_th_pk值。应注意，pd_th_pk值始终与pd_pk值成一定比例。图9E示出adc_data_held值以及pd_th_mid和pd_th_pk值。应注意，在其中adc_data_held值相对恒定的很长一段时间中，随pd_vl值衰减至同一水平，pd_th_mid值变得等于adc_data_held值。pd_th_pk值始终保持低于adc_data_held值一定量。在图9E中还示出对pd_th的选择，其中pd_th值被选择为pd_th_pk和pd_th_mid中的较小者。这样，阈值始终被设定为距pd_pk值某一距离，从而避免因光电流信号和adc_data held信号上的噪声引起的pd_data上的误跃迁。图9F示出通过将adc_data_held值与pd_th值进行比较而产生的pd_data值。应注意，pd_data信号是双值信号，其在发生眨眼时较低。图9G示出这些示例性波形的tia_gain值与时间的关系。当pd_th开始超过图9E中以agc_pk_th示出的高阈值时，tia_gain的值被设置为较低。应当理解，当pd_th开始下降至低于低阈值时，会发生相似的行为而使tia_gain升高。再次查看图9A至图9E中的每幅图的第二部分，较低tia_gain的效果是明显的。尤其应注意，adc_data_held值保持于adc_data信号和adc_data_held信号的动态范围的中值附近。此外，重要的是应注意，如上文所述根据增益变化来更新pd_pk值和pd_vl值，从而在峰值和谷值检测器状态和值中避免只因光电检测信号路径增益变化引起的不连续性。

图10示出集成电路管芯1000上的光阻挡特征结构和光通过特征结构。集成电路管芯1000包括光通过区域1002、光阻挡区域1004、接合焊盘1006、钝化开孔1008和光阻挡层开孔1010。光通过区域1002位于光传感器(未示出)上方，例如在半导体工艺中实现的光电二极管阵列。在至少一个实施方案中，光通过区域1002允许尽可能多的光到达光传感器，从而使灵敏度最大化。这可通过移除多晶硅、金属、氧化物、氮化物、聚酰亚胺和光感受器上的其他层完成，如在用于制造的半导体工艺中或在后处理中所允许。光通过区域1002也可接受其他特殊处理以优化光检测，例如减反射涂层、滤光片和/或扩散片。光阻挡区域1004可覆盖管芯上不需要进行曝光的其他电路。光电流可能会使其他电路的性能劣化，例如在如此前所提及的结合到接触镜片中所需的超低电流电路中使偏置电压和振荡器频率偏移。光阻挡区域1004以薄的、不透明的反射材料形成，例如在半导体晶片处理和后处理中已经使用的铝或铜。如果以金属实现，则形成光阻挡区域1004的材料必须与下面的电路和焊盘1006绝缘，以防止短路状况。此类绝缘可由已经作为正常晶片钝化物的一部分存在于管芯上的钝化物(例如氧化物、氮化物和/或聚酰亚胺)来提供或者以在后处理期间所加入的其他电介质来提供。遮蔽允许光阻挡层具有开孔1010，以便导电的光阻挡金属不与管芯上的接合焊盘重叠。光阻挡区域1004被附加的电介质或钝化物覆盖，以保护管芯并避免在管芯附着期间短路。该最终钝化物具有钝化物开孔1008，以允许连接至接合焊盘1006。

在接触镜片包括着色能力的另选的实施方案中，光通过区域1002与接触镜片的能够着色的区域至少部分地重叠。在接触镜片的着色区域和非着色区域两者中均存在光传感器的情况下，它允许确定通过着色阻挡的光量。在另一个实施方案中，整个光通过区域1002存在于着色区域中。

图11示出根据本发明的实施方案的具有电子插件的接触镜片，该电子插件具有眼睑位置传感器系统。接触镜片1100包括柔软的塑性部分1102，该部分提供电子插件1104。该插件1104包括通过电子器件激活(例如，根据激活聚焦到近处或远处)的镜片1106。在所示实施方案中，集成电路1108安装于插件1104上并连接至电池1110、镜片1106、以及系统必需的其他部件。集成电路1108包括光传感器1112和相关联的光电探测器信号路径电路。光传感器1112穿过镜片插件面朝外并远离眼睛，因而能够接收环境光。光传感器1112可在集成电路1108上(如图所示)例如以单个光电二极管或光电二极管的阵列实现。光传感器1112也可以安装于插件1104上的单独装置实现并与迹线1114连接。当眼睑闭合时，包括光检测器1112的镜片插件1104被覆盖，从而使入射于光检测器1112上的光水平减小。光电探测器1112能够测量环境光，以确定使用者是否正在眨眼。根据本公开内容，本领域的普通技术人员应当理解，光电探测器112可用本公开内容中讨论的其他传感器取代或扩充。

眨眼检测方法的附加实施方案可允许眨眼序列的持续时间和间隔的更大变化，例如通过基于第一次眨眼的所测量的结束时间来对第二次眨眼的开始计时，而非通过利用固定的模板或通过加宽遮罩的“不用计”间歇(0值)。

应当理解，眨眼检测和/或睡眠检测可在数字逻辑中或者在微控制器上运行的软件中实现。算法逻辑或微控制器可与光电检测信号路径电路和系统控制器一起在单个应用专用集成电路(ASIC)上实现，或者其可横跨多于一个集成电路来划分。

已知的是眼睑以多种方式保护眼球，包括眨眼反射和眼泪展布的动作。眼睑的眨眼反射通过在感知到对眼睛的威胁后迅速闭合来防止对眼球造成创伤。眨眼还会使眼泪展布在眼球表面，以使眼球保持湿润并冲洗掉细菌和其他异物。但眼睑的运动除了用于跟踪佩戴电子式眼科镜片的个体(或佩戴者)何时已经入睡，也可指示在起作用的其他动作或功能。同样重要的是应注意，除此之外或在另选用途中，所感测的数据可只是被用作触发事件的一部分而非作为收集过程。换句话讲，还应当理解，利用这种传感器的装置可能不会以对使用者可见的方式改变状态，相反，该装置可以只是记录数据。

现在参见图12A，其中示出位于眼睛1200上的眼睑位置传感器系统。该系统被结合到接触镜片1202中。示出了上眼睑和下眼睑，其中按闭合程度增加的顺序上眼睑具有可能位置为1201，1203和1205。下眼睑也以对应于上眼睑的闭合水平示出；即，位置1207，1209和1205。当眼睑闭合时它们占据相同的位置；即，1205。根据该实施方案的接触镜片1202包括传感器阵列1204。该传感器阵列1204包括一个或多个光传感器。在该实施方案中，传感器阵列1204包括十二(12)个光传感器1206a至1206l。在上眼睑处于位置1201而下眼睑处于位置1207的情况下，所有光传感器1206A至1206l被暴露于并接收环境光，由此产生可被本文所述的电子电路检测的光电流。当眼睑在位置1203和1209处部分闭合时，顶部和底部的光传感器1206a和1206b被覆盖，接收比其他光传感器1206c至1206l较少的光，并输出可由电子电路检测的相对较小的电流。随着在位置1205眼睑完全闭合，所有传感器1206a至1206I都被覆盖，电流也相应地减少。该系统可被用于通过对传感器阵列中的每个光传感器采样，并利用光电流输出与传感器位置的关系来确定眼睑位置，例如，在出现指示睡眠或困倦可能开始的眨眼之后上下眼睑是否未完全打开。应当理解，光传感器应放置在接触镜片上的合适位置，例如以便提供足够的样本位置以可靠地确定眼睑位置，同时不阻挡清晰的光学区域(大致为由散瞳所占据的区域)。该系统也可被用于通过对传感器进行常规采样并比较随着时间所测得的值，从而检测眨眼。在另选的实施方案中，传感器阵列1204′的光传感器1206a′至1206l′形成围绕瞳孔的弧形图案，同时彼此间竖直间隔开，例如图12B所示。在任一所示实施方案中，本领域的普通技术人员应当理解，在传感器阵列中可使用除12以外的数。另外的示例包括3至15范围内的数(在至少一个实施方案中，包括端点在内)，更具体地讲包括4至8范围内的数(在至少一个实施方案中，包括端点在内)。

图13A示出一种系统，其中接触镜片1302至少部分地覆盖两只眼睛1300。传感器阵列1304存在于两个接触镜片1302中以确定眼睑的位置，如此前针对图12A所述。在该实施方案中，接触镜片1302各自具有电子通信部件1306。每个接触镜片1302中的电子通信部件1306允许在接触镜片1302之间进行双向通信。电子通信部件1306可包括射频(RF)收发器、天线、光传感器1308的接口电路、以及相关联的或相似的电子部件。由线1310所表示的通信信道可以是适当频率和功率下的具有适当数据协议的RF传输，以允许接触镜片1302之间的有效通信。两个接触镜片1302之间的数据传输可例如验证两个眼睑都已闭合，以便检测真实的、有目的的眼睑闭合，而不是合一下眼、无意的眨眼、或用一只眼斜视。该传输还可允许系统确定两个眼睑的闭合度是否相似，例如确定哪一种与近距离阅读的用户相关。数据传输也可发生于外部设备上，例如框架眼镜、佩戴于使用者太阳穴上的贴片或智能电话(或其他基于处理器的系统)。在至少一个实施方案中，电子通信部件允许记录的睡眠数据传输到智能电话(或其他外部装置)。这样，在至少一个另选的实施方案中，电子通信部件1306就可仅存在于一个镜片上。在另选的实施方案中，个体佩戴的智能电话(或具有传输功能的其他配备加速度计的装置)中的加速度计提供运动数据，用于交叉检查睡眠确定，诸如缺乏全身运动指示睡眠的可能性或提供指示个体是静止的数据。

在另选的实施方案中，图13B中所示的外部装置1390通过至少一个电子通信部件1392来接收并存储如由接触镜片1300确定的睡眠相关的数据，该至少一个电子通信部件1392允许与接触镜片1300上的电子通信部件1306通信。使用外部装置的一个优点在于：外部装置可比接触镜片更准确地记录时间，同时提供适于较快采样速率的充分存储量，而无需担心填满接触镜片上的存储器。更准确的记时将提供允许更准确的分析的数据集。

在另一个或另选的实施方案中，外部装置为佩戴者提供用于指示何时发起睡眠研究和/或终止睡眠研究的机构。一个示例是通过在外部装置上显示图形用户界面，该图形用户界面包括将由用户触摸的虚拟按钮。

图14A和图14B示出电子系统1400，其中如上所述的眼睑位置光传感器被用来触发接触镜片1402或者更具体地讲加电式或电子式眼科镜片中的活动。图14A示出镜片1402上的电子系统1400，并且图14B是系统1400的分解图。如先前结合图12所述，光1401入射到一个或多个光传感器1404上。这些光传感器1404可使用光电二极管、硫化镉(CdS)传感器、或适于将环境光转换成电流的其他技术来实现。根据光传感器1404的选择，放大器1406或其他合适的电路可能需要调整输入信号，以供随后的或下游电路使用。复用器1408允许单个模数转换器(或ADC)1410接收来自多个光传感器1404的输入。复用器1408可紧接在光传感器1404之后、放大器1406之前放置，或者取决于电流消耗、管芯尺寸和设计复杂度方面的考虑，也可以不使用。由于在眼睛上的不同位置需要多个光传感器1404以检测眼睑位置，共享下游处理部件(例如，放大器、模数转换器和数字信号处理器)可显著减小电子电路所需的尺寸。放大器1406产生与输入成比例的放大输出，并可用作将输入电流转换成输出电压的互阻抗放大器。放大器1406可将信号放大到可供系统的剩余部分使用的水平，例如使信号具有足够的电压和功率以被ADC 1410采集。例如，可能需要放大器1406来驱动后续区块，因为光传感器1404的输出可能相当小并且可能在低光照环境中使用。放大器1406还可以实现为可变增益放大器，其增益可由系统控制器1412调整，以使系统1400的动态范围最大化。除提供增益之外，放大器1406还可包括其他模拟信号调节电路，例如适合于光传感器1404和放大器1406输出的滤波电路和其他电路。放大器1406可以是任何适用于放大和调节由光传感器1404输出的信号的装置。例如，放大器1404可仅是单个运算放大器，或包括具有一个或多个运算放大器的更复杂的电路。

如上所述，光传感器1404和放大器1406被配置成检测眼睛上多个位置的入射光1401，并将输入电流转换成最终可由系统控制器1412使用的数字信号。在至少一个实施方案中，系统控制器1412被预编程来对位于眼睛上的每个光传感器1404采样，以检测眼睑位置并向数据管理器1414提供适当的输出信号。系统控制器1412还包括相关联的存储器。系统控制器1412可将光传感器1404的最近样本结合到与眼睑打开和眯眼位置相关的预先制定模式。例如，当该模式与有关疲劳的两个眼睑部分闭合的模式相匹配时，系统控制器1412可触发数据管理器1414以记录数据。在各种环境光和焦距情况下记录使用者的眼睑模式可能需要对系统控制器1412进行编程，以进行可靠的检测。系统1400可能需要区分眼睑位置之间的变化，在环境光、阴影及其他现象下的正常变化。这种区分可通过适当选择采样频率、放大器增益和其他系统参数、优化传感器在接触镜片上的放置、确定眼睑位置模式、记录环境光、将各光传感器与相邻光传感器和所有光传感器进行比较、以及通过其他技术独特地辨别眼睑位置来实现。

在该实施方案中，ADC 1410可用于将来自放大器1406的连续模拟信号输出通过复用器转换成适合于进一步信号处理的采样数字信号。例如，ADC 1410可将来自放大器1406的模拟信号输出转换成可供后续或下游电路(例如数字信号处理系统或微处理器1416)使用的数字信号。数字信号处理系统或数字信号处理器1416可用于数字信号处理，包括对采样的数据进行过滤、处理、检测以及以其他方式操纵/处理中的一种或多种，从而允许入射光检测供下游使用。可使用各种眼睑位置和/或闭合模式对数字信号处理器1416进行预编程。在至少一个实施方案中，数字信号处理器1416还包括相关联的存储器。数字信号处理器1416可利用模拟电路、数字电路、软件、和/或它们的组合来实现。ADC 1410连同相关联的放大器1406和数字信号处理器1416以与前述采样速率一致的合适速率激活，例如每一百(100)ms激活一次。

功率源1418为包括眼睑位置传感器系统1400的多个部件提供功率。功率源1418也可用于向接触镜片上的其他部件提供功率。功率可由电池、能量采集器或本领域普通技术人员已知的其他合适装置提供。实质上，可利用任何类型的功率源1418来为系统的所有其他部件提供可靠的功率。眼睑位置传感器阵列模式经过从模拟到数字的处理后，能够致动系统控制器1412或系统控制器1412的一部分。此外，系统控制器1412可根据来自数字信号处理器1408的输入来控制加电式接触镜片的其他方面，例如致动数据管理器1414。

现在参见图15，其中示出设置于接触镜片上的三个不同的垂直位置处的三个光传感器的输出特性。输出特性可表示与每个光传感器上的入射光成比例的电流，或者可表示下游信号，例如在ADC(图14B中的元件1410)的输出中的数字采样数据值与时间的关系。总入射光1502增加、保持稳定、然后下降，例如当从黑暗的房间走到明亮的走廊再回到黑暗的房间时。如果眼睑保持打开，则所有三个光传感器1504、1506和1508都将输出与环境光相似的信号，由光传感器1504和光传感器1508的虚线1501和虚线1503示出。除了环境光水平1502改变，位置1510指示眼睑的部分闭合，其与眼睑打开位置1512和1514所指示的不同。当眼睑部分闭合时，上部的光传感器1504被上眼睑覆盖，并由于眼睑对光传感器的阻挡而输出相应较低的水平。尽管环境光1502在增加，但由于部分闭合的眼睑，光传感器1504接收较少的光并输出较低的信号。对于逐渐被覆盖的光传感器1508，观察到相似的响应。眯眼期间中间传感器1506不被覆盖，从而继续看见光水平增加，并且输出水平也相应增加。虽然该示例仅示出一种具体情况，但传感器位置的各种配置和眼睑运动如何被检测到也是显而易见的。

图16A和图16B示出结合到接触镜片1602中的另选的检测系统1600。图16A示出接触镜片1602上的系统1600，并且图16B示出系统1600的分解图。在该实施方案中，利用电容式触摸传感器1604来代替光传感器。在另选的实施方案中，除光传感器之外还利用电容式触摸传感器1604。电容式触摸传感器在电子业中十分常见，例如用于触摸屏显示器中。其基本原理是，以物理方式实现可变电容器1604，使得电容随着接近或触摸而变化，例如通过实现由电介质覆盖的网格。传感器调节器1606产生与电容成比例的输出信号，例如，通过测量具有可变电容器的振荡器的变化，或通过使用固定频率的AC信号感测可变电容器与固定电容器的比率。传感器调节器1606的输出可以与复用器1608相结合以减少下游电路。在该实施方案中，为简明起见，省略了上文结合图14所述的信号调节电路。系统控制器1610通过复用器1608接收来自电容式传感器调节器1606的输入，例如通过按顺序激活每个传感器并记录值。然后，其可将测量值与预先设定的模式和历史样本进行比较，以确定眼睑的位置。电容式触摸传感器1604可以与前述光传感器的模式相似的物理模式进行布局，但将使用眼睑位置对其进行优化以用于检测电容的变化。传感器并且就此而言整个电子系统，都将被封装并与接触镜片的盐水环境隔离。当眼睑覆盖传感器1604时，将检测到电容的变化而不是如前所述的环境光的变化。图16B还示出在至少一个实施方案中包括功率源1614。

重要的是应注意，如果需要，可根据电容式触摸传感器利用ADC和数字信号处理电路，如针对图14B的光传感器所示。在另选的实施方案中，电容式触摸传感器为任何压力传感器。在另一个实施方案中，镜片上存在光传感器和压力传感器的组合。

图17A至图17D示出了另选的实施方案，其中眼睑位置传感器系统是具有沿接触镜片1702覆盖多个垂直点的带的传感器，该带与电路1700结合运作。可具有带状构型的传感器的一个示例是电容式传感器。图17A示出一个示例，其中带1708在接触镜片1702上基本上是直的。虽然带1708被示出为与平分接触镜片1702的线平行取向，但其可具有相对于平分线成角度的取向或呈弧形。图17B示出一个示例，其中带1708a沿接触镜片1702采用螺线型路径。在图17C所示的实施方案中，当眼睑接近闭合状态时，带1708b的螺线型构型将增大由电路1700检测到的电容变化。电容变化程度将转化为眼睑闭合量。可具有带状构型的传感器的另一个示例是具有隔膜和呈带状构型的基部的压电式压力换能器。当眼睑闭合时，眼睑将对压电式压力换能器施加另外的压力，从而使得有能力确定眼睑闭合水平。沿垂直轴线的连续感测在多个传感器上提供改进的颗粒度，从而提供改进的眼睑位置测量。图17D示出可结合带状传感器1708，1708a，1708b使用的包括系统控制器1710、数据管理器1712和功率源1714的电路。在另一个另选的实施方案中，存在多个带。成角度的和/或螺线型带状构型的优点在于：即使接触镜片在佩戴者的眼睛上的取向不正确，仍可以检测到眼睑位置。

数字信号处理块和系统控制器(图14B中的1416和1412，分别为图16B中的系统控制器1610和图17D中的系统控制器1710)的活动取决于可用的传感器输入、环境和用户反应。输入、反应和决策阈值可根据以下中的一者或多者来确定：眼科研究、预编程、训练、以及自适应性/学习算法。例如，眼睑运动的一般特性可被充分记录于文献中、适用于广泛的使用者人群、以及被预编程到系统控制器中。然而，个体与一般预期响应和/或眨眼频率变化的偏差可被记录于自适应性/学习算法的训练会话或部分中，所述算法在电子式眼科装置的操作中继续完善响应。在一个实施方案中，使用者可通过在使用者想要聚焦于近处时激活与装置通信的手持式短表链来训练所述装置。装置中的学习算法可接着参考在短表链信号之前与之后所存储的传感器输入，以完善内部决策算法。该训练周期可持续一天，然后装置将仅靠传感器输入来自主地操作，并且不需要短表链。

图18A和图18B示出用于检测眼睛在例如睡眠期间的运动的示例性眼运动传感器系统1800。传感器1802检测瞳孔或者更一般地检测眼睛的运动和/或位置。传感器1802可作为多轴加速度计在接触镜片1801上实现。通过接触镜片1801附连到眼睛并且大致与眼睛一起运动，接触镜片1801上的加速度计可跟踪眼睛运动。重要的是应注意，任何合适的装置都可用作传感器1802，并且可利用多于一个的单个传感器1802。由信号处理器1804对传感器1802的输出进行采集、采样和调节。信号处理器1804可包括任何数量的装置以接收来自传感器1802的数据并以合适的格式为系统1800的剩余部件生成输出，所述装置包括放大器、互阻抗放大器、模数转换器、过滤器、数字信号处理器和相关电路。数字信号处理器1804可利用模拟电路、数字电路、软件和/或它们的组合来实现。在至少一个实施方案中，信号处理器1804和传感器1802被制造在同一集成电路管芯上。用于采集和调节加速度计的传感器电路不同于用于肌肉活动传感器或光瞳跟踪器的电路。在至少一个实施方案中，信号处理器1804的输出为经采样的数字流并且可包括绝对位置或相对位置、运动、所检测的与会聚一致的注视、或者其他数据。系统控制器1806从信号处理器1804接收输入，并使用该信息结合其他输入来确定佩戴者是否已睡着。系统控制器1806可触发传感器1802和信号处理器1804两者的活动，同时接收它们的输出。在没有检测到眼运动时，系统控制器1806使用来自信号处理器1804和/或收发器1810的输入数据，根据传感器1802在X、Y、Z轴上的取向来确定佩戴者是否正在躺下。如果坐标轴如图18C所示，则当加速度计检测到任一方向上的X轴中或任一方向上的Z轴中的稳定加速度时，佩戴者的头部处于水平取向。当加速度计在负方向上的Y轴中检测到稳定加速度时，佩戴者的头部是竖直的。当加速度计检测到Y轴和Z轴中的稳定加速度，而在X轴上具有或不具有稳定加速度时，佩戴者的头部向前倾斜。

图18A和图18B示出通过天线1812接收和/或传输通信的任选的收发器1810。该通信可来自相邻的接触镜片、眼镜镜片或其他装置。收发器1810可被配置成与系统控制器1806双向通信。收发器1810可包括收发器中常见的过滤、放大、检测和处理电路。针对电子式或加电式接触镜片对收发器1810的具体细节进行定制，例如，通信可以处于合适的频率、振幅和格式，以实现眼睛之间的可靠通信、低能耗并符合法规要求。收发器1810和天线1812可在射频(RF)波段中工作，例如2.4GHz，或可使用光进行通信。从收发器1810所接收的信息输入至系统控制器1806，例如指示取向的来自相邻镜片的信息。系统控制器1806也可将来自例如数据管理器1808的数据传输至收发器1810，该收发器接着通过天线1812通过通信链路传输数据。在另选的实施方案中，收发器1810和天线1812由眼睑位置传感器系统替代，以便通过如以上讨论的光波和/或眨眼来提供通信。

系统控制器1806可作为现场可编程门阵列上、微控制器中或任何其他合适装置中的状态机实施。本文所述的系统1800和部件的动力由功率源1814提供，该功率源可包括电池、能量采集器或本领域普通技术人员已知的类似装置。功率源1814也可用于向接触镜片1801上的其他装置提供功率。

在至少一个实施方案中，瞳孔位置检测系统1800被结合和/或换句话讲被封装并与接触镜片1801的盐水环境相隔离。

在至少一个实施方案中，电子器件和电子互连件形成在接触镜片的周边区域中而非光学区域中。根据另选的实施方案，重要的是应注意，电子器件的定位不必仅限于接触镜片的周边区域。本文所述的所有电子部件均可利用薄膜技术和/或透明材料制成。如果利用这些技术，则电子部件可置于任何适合的位置，只要它们与光学器件兼容即可。

在如图19所示的至少一个实施方案中，接触镜片1900包括传感器1910，以检测从镜片存储盒移除和将接触镜片插入佩戴者的眼睛中的至少一项。在至少一个实施方案中，将接触镜片插入佩戴者的眼睛中将通过系统控制器1920激活睡眠监测。在另一个实施方案中，插入将启动数据管理器1922中的累加器以运行。提供检测的传感器的示例包括但不限于压力传感器、簧片开关、盐度传感器、生物传感器和电容式传感器。在至少一个实施方案中，这些传感器结合光传感器工作，以检测从存储容器中移除接触镜片后存在的光。在传感器实施方案的另一个实施方案中，在检测到正在被监测以节省功率同时允许检测接触镜片从眼睛移除的事件后，用于监测传感器的采样速率可以减小。在前述实施方案的另选的实施方案中，检测到接触镜片被放置到眼睛上后，传感器将被停用。

压力传感器可采用多种形式。一个示例是通过模数转换器连接到系统控制器的朝后(或朝虹膜)的压力传感器。在至少一个实施方案中，朝后的压力传感器部分封装在接触镜片中，而模数转换器则完全封装在接触镜片中并作为存在于接触镜片中的任何电路板的一部分包括在内。从压力传感器接收到超过插入阈值的信号后，系统控制器重置累加器，所述信号指示系统控制器应当开始收集数据。当来自压力传感器的信号随后下降至低于插入阈值，从而指示接触镜片已被移除并且不需要进一步收集数据时，系统控制器向数据管理器发送信号以存储当前累加器值。仅当系统控制器检测到眼睑打开时，系统控制器以预先确定的时间表对压力传感器采样。压力传感器的另一个示例是将检测从存在于存储容器内的盐水中移除压力并将会提供激活接触镜片的其他功能的信号的压力传感器。压力传感器的另一个示例是具有叉指换能器(IDT)的表面声波谐振器。另一个示例是二进制的接触式压力传感器，其检测压力是否存在，但不检测压力水平。

簧片开关的一个示例接通接触镜片中的电路，其通过在插入接触镜片后施加来自佩戴者眼睛的压力，或者当从存储容器中移除接触镜片时移除压力以便使用，来为其他电路元件提供功率。当相应事件发生时，簧片开关将闭合并接通电路，从而实现系统控制器和电源之间的电连接。系统中的簧片开关使用的另一个示例是当开关被激活时提供二进制的输出，该二进制的输出指示开关将被闭合(或根据开关的取向，为打开)，与接通电路相反。

在至少一个实施方案中，盐度传感器和生物传感器将检测盐度或存在于泪液中的其他化学物质。可被监测的物质的示例包括但不限于病原体、生物标记、活性剂和化学物质。生物标记的一个示例是与系统控制器电连通的电阻片，其能够与被监测的物质结合，使得当存在的物质的量增加时电阻增大。另一个示例是包含一种物质、材料或可与特定分子发生反应的混合物的反应管，其中反应将指示所监测的化学物质的存在。另一个示例是生物传感器，其中一个表面被官能化以对某种物质具有亲和性以及具有传感器的电特性，例如电容或电压响应于传感器被官能化所得到的物质的存在而变化。在至少一个实施方案中，其中所监测的化学物质涉及泪液中某些物质的浓度，反应可直接随该物质而发生或可随可指示所监测物质的浓度的单独物质而发生。在其他示例中，由于其他有电活性的生物组分可以影响具体管内的导电性，该管可内衬有选择性屏障或包括选择性屏障以使所监测物质之外的其他物质带来的干扰最小化。另选地，对于响应于所监测物质的存在而具有增加的导电性的管，在存在所监测物质的情况下该管可具有增加的电阻率。另外的示例将具有包含可选择性地渗透特定物质或化学物质或对特定物质或化学物质有吸引力的材料的中空管。在这些示例的任一个中，除了提供二进制输出以外，还可提供物质水平的刻度指示。

电容式传感器可能是朝后的或朝前的。在至少一个实施方案中，传感器将是允许佩戴者眼睛接触的朝后的传感器。在另一个实施方案中，一旦接触导致电容改变使其高于插入阈值以指示接触镜片已被插入，传感器就被停用或降低其采样速率。然而，如果传感器朝前，那么将会改变电容使其高于插入阈值的眼睑之一的接触将确认接触镜片的插入。在另一个实施方案中，朝前的电容式传感器也将用于检测眼睑的位置。

在可包括多个传感器的复杂系统(诸如具有数个电子部件的加电式眼科镜片)中，优选的是降低引发误动作或睡眠确定误报触发的可能性。根据另一个另选实施方案，本发明涉及决策制定过程和/或投票方案，所述决策制定过程和/或投票方案利用来自多个传感器的输入来显著降低根据不准确、不完整或错误的信息改变加电式眼科镜片状态的可能性、减少生理状况改变、以及减少来自内部源和外部源的噪声和/或干扰。例如，在睡眠检测中，控制系统不应根据由于眼睛发炎等而造成的无规眨眼模式来确定睡眠开始。然而，通过来自单个传感器的输入或者来自单个传感器或其他传感器的错误信息，系统控制器可能作出不正确的决策。例如，在不知道施加到眼科镜片的压力的情况下，尽管佩戴者正在揉他们的眼睛并在压力传感器上施加比眼睑压力更大的压力，但简单地闭合眼睑可触发睡眠确定。在具有眼睑位置传感器的加电式眼科镜片中，眼睑运动也可以用作用于进行睡眠确定的触发器。例如，当个体向下注视以聚焦在近距物体上时，眼睑趋于垂下并且因此可以用于改变眼科镜片的状态。再次，如果仅利用单个输入，则可能由于个人困乏并且其眼睑垂下的实际情况而作出误动作。所有这些传感器都可以用作用于待通过结合到电子式或加电式眼科镜片中的各个系统实现的动作的触发器，并且所有这些传感器都可能单独地或者在有限组合中遇到错误。除了已经提到的旨在检测与确定睡眠开始直接相关的某些方面的传感器，还可使用其他传感器以通过监测环境条件、噪声和干扰来改进状态改变传感器。例如，可以监测环境光以改进眨眼检测、眼睑位置和瞳孔直径传感器的准确性。这种传感器可以用于例如通过减少共模噪声和干扰来增强其他传感器。传感器输入可以用于记录历史读数，复杂决策算法接下来会考虑这些历史读数，例如，其中一个复杂决策算法会同时考虑加速度计输入和眼肌收缩来确定瞳孔位置。利用根据至少一个实施方案的投票方案可以降低确定佩戴者是否已入睡的过程中出现错误的可能性，并且还可允许更精确地测量。换句话讲，对于待作出的任何给定确定而言，都存在可以用于检查确定性证据或者增强用于由初级传感器进行的给定确定的输入的传感器。同样重要的是应注意，除此之外或在另选用途中，所感测的数据可只是被用作收集过程的一部分而非作为触发事件。例如，所感测的数据可被收集、记录和用于治疗疾病。换句话讲，还应当理解，利用这种传感器的装置可能不会以对使用者可见的方式改变状态，相反，该装置可以只是记录数据。

现在参见图20，其中示出通用系统，在该通用系统中，传感器2002，2004，2006和2008用于确定睡眠是否开始和/或睡眠期间的事件。传感器2002，2004，2006和2008可包括任何数量的可能输入，其中包括眨眼动作、眼睑位置、瞳孔位置、接触镜片取向、外部镜片压力等。传感器的数量和类型由应用和使用者确定。每个传感器2002，2004，2006和2008都可以具有容纳在传感器区块、专用区块内或者系统控制器2010内的自身信号调节装置。系统控制器2010接受来自每个传感器2002，2004，2006和2008的输入。系统控制器接着按常规处理和比较输入数据。基于这些输入，系统控制器2010确定数据管理器2012是否应记录任何读数。例如，眼睑下垂、低照度环境光和竖直的镜片取向的组合可触发系统控制器2010，来确定佩戴者困倦并向数据管理器2012发出信号来增加用于进行睡眠确定的至少一个传感器系统的采样速率。同样地，眼睑闭合、佩戴者的竖直取向和外部眼睑压力的组合可触发系统控制器2010，来确定不存在睡眠开始并继续正常操作。眼睑闭合与佩戴者的水平取向的组合可触发系统控制器2010，以确定睡眠开始并向警示机构发出信号以记录数据，因为考虑到佩戴者的取向，该睡眠很可能是有意的睡眠。来自各个传感器的输入也可以用于改变系统控制器的构型，以改进决策性能，例如如果环境光减少，则控制器可以使光传感器的增益增加。系统控制器还可以打开和/或关闭传感器、提高和/或降低采样速率、以及使系统发生其他改变以优化性能。

图21示出了方法，系统控制器(例如图20中所示的系统控制器2010)通过该方法操作以对传感器采样并且确定睡眠状态。第一步是对传感器2102采样。这可能需要触发其他元件，以激活、预热、校准、接受读数、调节和输出数据。系统控制器还可以根据编程值和当前数据(例如根据入射光历史的光传感器放大器的增益)向每个传感器提供构型信息，或者这些设置可以由系统中的其他元件确定。然后该方法进行过滤和另外的调节2104，例如与模拟过滤相反的数字过滤，以及与基线或参考结果的比较。该步骤的目的是适当地调节用于下一个步骤的输入数据，使得可以作出准确、可重复的决策。然后确定来自每个传感器的结果2106，例如，眼睑位置和发射器-检测器响应。该确定可以包括与预编程或可变阈值比较、与特定模式比较、或者任何其他的确定。汇总先前步骤得出的结果，加权结果并作出决策2108。在至少一个实施方案中，该步骤可包括针对使用者的训练和优选要求、保证在决策之前以对所有传感器采样、以及对每个传感器的结果应用各种权重。在至少一个实施方案中，作出了在现实世界的噪声和干扰存在的情况下可预见且可重复的决策。如果如以上所述地作出关于睡眠状态的决策，那么记录数据2110。无论关于睡眠状态的决策如何，都要使系统返回采样，使得可以进行另一组测量和确定2112。在至少一个实施方案中，执行图21中的过程所需的总时间足够短，使得系统对使用者输入产生响应，与个体如何与其所在环境自然地交互类似。例如，如果用于激活可变功率聚焦镜片，那么类似于自然调节系统，系统应当在大约一(1)秒内改变焦点状态。

应当理解，每个传感器输入都可能由于除了睡眠之外的原因发生变化。例如，由于体水化、盐摄入、运作水平或者其他手段的改变，眼睛阻抗可能随时间推移而发生变化。同样，瞳孔直径可能由于环境光水平的改变而发生变化。因此，应当显而易见的是，组合多个传感器输入由于需要多于一个的输入以与期望的焦距改变相关或者通过使用某些传感器输入以增强其他传感器而减少了误报触发的机会。

还应当显而易见的是，用于确定睡眠和/或对将在睡眠期间记录的数据的选择的每个传感器的阈值以及传感器的组合取决于许多变量，诸如安全性、响应时间、以及使用者偏好。投票方案的具体编程可以基于对多个受试者的临床观察以及为具体使用者定制的个体编程。投票方案中的参数可以取决于传感器输入，例如用于眨眼检测的阈值和增益设置可以随着环境光发生变化。

在另选的实施方案中，该系统还包括存储器保存控制器，其与功率源和系统控制器电连通。在至少一个实施方案中，存储器保存控制器是结合图1A讨论的资源管理系统140的示例。存储器保存控制器以预先确定的频率测试功率源以确定剩余的能量水平。当剩余能量降低至低于预先确定的能量阈值时，存储器保存控制器向系统控制器发送不再对传感器系统采样的指令，以及发送信号使数据管理器记录当前时间和/或累加器值的指令。然后提供功率以保持存在于接触镜片上的存储器和/或数据存储装置中的数据。在另一个实施方案中，当电源发现可用能量水平低于低能量阈值时，系统将执行以下中的至少一者：降低对加速度计和换能器中的至少一者的采样速率；降低对至少一个传感器的采样速率；终止对加速度计和换能器中的至少一者的进一步采样；终止对电源的进一步监测；存储基于累加器中的当前值的表示低能量的时间戳；从加速度计和换能器中的至少一者移除功率；以比第一采样速率慢的第二眼睑采样速率来对眼睑闭合采样；对存储读数的存储器提供功率；或这些的任何组合。基于本公开，本领域的普通技术人员应当理解，特定实现方式可能仅具有这些可用选项中的一个，并且这预期由至少一种语言覆盖。

预先确定的能量阈值是基于对维持对任何存储器或数据存储装置的功率供应所需的功率的估计值。在另一个实施方案中，根据镜片的当前运行时间来调整阈值，同时还促进存储器和/或数据存储装置的估计的功率周期。如何随时间变化调整阈值的一个示例是按每次经过预定时间(如在接触镜片中通过对周期采样所测得)使寄存器递减，。

在另一个实施方案中，结合传感器系统的采样完成能量水平测试，以比较功率源的能量水平与镜片最大负荷下的阈值，如在传感器系统提供读数时发生的那样。如果功率源的能量水平低于阈值，则很可能将要进行传感器采样，在下一个能量水平测试之前将耗尽功率源，使得传感器系统由于可用功率不足而将提供不正确的读数并且/或者存储的数据将被损坏从而得到不可靠的数据集。

在经改进的另选实施方案中，在传感器的非采样周期内存储器保存控制器在功率源上放置人工负载。示例性采样时间周期包括但不限于1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、20分钟和30分钟。测试功率源的其他示例包括但不限于，检索负载电压、引入特殊的测试波形以使电流脉冲输出电池，并通过比较结果与预先确定的阈值来测量电压降，该预先确定的阈值在另外的实施方案中可根据预期的剩余运行时间来向下调整。

在另一个另选的实施方案中，存储器保存控制器监测数据管理器以确定剩余空间。当数据管理器的存储器中的剩余空间小于自由空间阈值时，存储器保存控制器向系统控制器发送信号以执行以下中的至少一者：终止对传感器系统采样以避免产生附加的要存储的数据；向数据存储装置发送信号以将存储器的标志设置为满并且使用先入先出途径使当前存储的数据移位以提供附加的空间；以及从系统控制器和传感器系统移除功率，使得只向数据存储装置供应功率。其他示例包括：存储基于累加器中的当前值的表示存储量低的时间戳；降低对加速度计和换能器中的至少一者的采样速率；终止对加速度计和换能器中的至少一者的进一步采样；将来自加速度计和换能器中的至少一者的未来读数存储在最早存储在存储器中的读数之上；删除与最低累加器读数相关联的所存储的传感器读数，并且使存储器中的剩余的所存储的传感器读数和累加器读数移位；以及这些示例的任何组合。

在上述实施方案的另一个实施方案中，存储器保存控制器和/或资源管理系统是系统控制器的一部分。

在至少一个实施方案中，该系统还包括存储箱。在至少一个实施方案中，该存储箱包括外壳，该外壳具有基座和覆盖件，它们沿着一个边缘连接以相对于基座打开覆盖件，从而允许将接触镜片放入外壳中的腔内。在另选的实施方案中，存储箱可具有消毒、监测、重新排序和外部连接功能。消毒功能将允许佩戴者使用镜片较长时间。

图22示出示例性存储箱，该示例性存储箱具有外壳2200、通信系统、存储器、时钟、电连通连接器2202和功率源2206。在另选的实施方案中，存储箱包括辐射消毒基座单元2204，该辐射消毒基座单元2204容纳于外壳(诸如先前描述的外壳和覆盖件)内。电连通连接器2202可包括通用串行总线(USB)连接器或其他类型的连接器。连接器可包括用于传送数据和电功率中的一者或二者的端子。在一些实施方案中，电连通连接器2202提供功率以操作辐射消毒基座单元2204。一些实施方案还可包括一个或多个电池2206或其他功率存储装置。在一些实施方案中，电池2206包括一个或多个锂离子电池或其他可充电装置。功率存储装置可通过电连通连接器2202接收充电电流。在至少一个实施方案中，辐射消毒基座单元2204通过存储在电池2206中的功率进行操作。

在至少一个实施方案中，通信系统包括用于与插入的镜片交互的天线(诸如射频识别(RFID)天线)以及与所述天线电连通的控制器。在至少一个实施方案中，控制器与至少一个存储器电连通，在至少一个实施方案中，该至少一个存储器是闪存，如用于记忆棒中的闪存。交互的示例包括：对一个或两个镜片上的功率源进行再充电；将存储在镜片上的数据传送到存储箱中(或与存储箱通信)的存储器；以及将基于佩戴者具体特征的模板和遮罩从存储箱传送到至少一个镜片。在另选的实施方案中，天线用于与外部装置诸如计算机或智能电话通信。

在至少一个实施方案中，控制器被配置成将从至少一个镜片接收的数据进行转化和/或格式化，以基于数据传送时与存储箱上的当前时间相关的当前累加器读数，来将时间戳信息改变成实际时间。在另选的实施方案中，存储箱向镜片发送信号以使累加器重置为零，并且处理器在存储器中记录累加器被重置为零的时间。在镜片重新插入存储箱之后，处理器记录当前时间并确定采样循环数。在采样循环时长取决于当前进行的采样对象和/或自镜片移除后镜片的操作状态而有所不同的实施方案中，存储箱根据如由存储箱所测得的镜片从存储箱移除与镜片返回到存储箱之间的时间差，归一化采样周期。

在一些实施方案中，电连通连接器2102可包括简单AC或DC电流源。在此类实施方案中，由于通过电连通连接器2102提供功率，可省略功率源2106。

眼内镜片或IOL是被植入眼中并替代晶状体的镜片。它可用于患有白内障的个体或者只是用于治疗各种屈光缺陷。IOL通常包括小块塑性镜片，其具有称为触觉体的塑性侧支柱，以将镜片保持在眼中的囊袋内的适当位置。本文所述的电子器件和/或部件中的任一种可以类似于接触镜片的方式结合到IOL中。

图23示出用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法。如以上所讨论的，存在用于激活加电式眼科镜片2302的多种方式。在至少一个实施方案中，响应于加电式眼科镜片的激活或可替代地响应于睡眠监测操作状态，启动镜片上的累加器以跟踪时间的经过2304。系统控制器针对在第一采样速率下眼睑是否已经闭合来对眼睑位置传感器系统2306进行监测。当系统控制器检测到眼睑已经闭合时，对眼运动传感器系统(诸如加速度计和/或换能器)采样2308。系统控制器确定来自眼运动传感器系统的读数是否超过阈值2310。在至少一个实施方案中，当超过阈值时，那么这指示REM睡眠。当超过阈值时，系统控制器从累加器检索读数2312，并且将累加器读数与眼运动传感器读数一起存储2314。系统控制器监测眼运动传感器来确定读数何时低于阈值，以便在至少一个实施方案中，指示REM睡眠的结束，之后返回对眼睑闭合读数采样2316。

在另选的实施方案中，一旦眼科镜片被激活用于数据收集，就发生对来自眼睑位置传感器系统和眼运动传感器系统的数据的采样和存储，不论累加器是开始还是未开始。数据传送到外部装置(例如，图13B中的外部装置1390)，以供在数据收集期间或在数据收集已经开始之后进行分析和/或回顾。在另一个实施方案中，采样和存储继续，直到接收到指示数据收集结束的终止信号和/或资源管理系统确定所存在的可用资源不足为止。在另一个另选的实施方案中，代替存储数据，将数据传输到外部装置。

在另一个实施方案中，利用存在于接触镜片上的光传感器来测量光水平。光水平读数由例如数据管理器作为初始光水平连同来自累加器的读数一起存储。系统控制器监测光传感器，以确定光水平改变何时发生，并且将来自累加器的当前读数与光水平读数一起存储。这允许在眼睑打开时监测环境光水平，以允许分析睡眠模式。在另一个实施方案中，系统控制器将累加器读数与持续时间阈值比较。当累加器超过持续时间阈值时，系统控制器对光传感器采样以确定当前光水平是否近似初始光水平读数，使得当达到初始光水平时，终止睡眠监测。在至少一个实施方案中，这允许减少对当前光水平的采样和监测，直到预计睡眠时间已经过去为止。

在至少一个实施方案中，对眼睑位置传感器和/或眼睛位置传感器的采样速率改变到第二采样速率(例如，第二眼睑采样速率和第二运动采样速率)。在至少一个实施方案中，第二采样速率是更慢的，而在另一个实施方案中，第二采样速率是更快的。

在至少一个实施方案中，接触镜片结合外部装置执行该方法，在至少一个实施方案中，该外部装置提供存储和/或处理能力。接触镜片在存储读数时还将读数传输到外部装置以供存储。在另选的实施方案中，接触镜片并不存储读数，而是依赖于外部装置来存储读数。在至少一个实施方案中，外部装置将读数连同基于外部装置上的当前时间的时间戳一起存储，而在另选的实施方案中，外部装置调整时间戳以将接触镜片和外部装置之间的传输时间考虑在内。在至少一个实施方案中，外部装置利用例如摄像机或其他CCD来对光水平采样，以将光水平与时间戳一起存储在外部装置上的存储器中。在至少一个实施方案中，如先前所讨论的，外部装置可提供界面，该界面允许有关睡眠研究发起和睡眠研究终止的用户输入。

在图24所示的另选的方法实施方案中，激活加电式眼科镜片2402，尽管在至少一个实施方案中省略了这个步骤。系统控制器和/或数据管理器启动累加器以跟踪时间的经过2404。系统控制器对眼睛位置传感器(诸如加速度计或换能器)采样2406，其中在至少一个实施方案中，这种采样发生至少一次。系统控制器将从眼睛位置传感器接收的读数与阈值进行比较2408，使得当超过阈值时，系统控制器和/或数据管理器：从累加器检索读数2410；存储累加器读数和眼睛位置传感器读数2412；并且确定稍后采样的读数是否低于阈值2414，使得当读数低于阈值时，存储REM结束的指示2416。在至少一个实施方案中，阈值是不同的值，而在另一个实施方案中，阈值是相同的阈值，其中阈值是第一阈值和第二阈值。在多种另选的实施方案中，除了图23所示的方法之外所讨论的实施方案与图24所示的方法结合起作用。

在图25所示的另选的方法实施方案中，激活镜片2502，尽管在至少一个实施方案中省略了这个步骤。系统控制器和/或数据管理器启动累加器以跟踪时间的经过2504。系统控制器对眼睛位置传感器(诸如加速度计或换能器)采样2506，其中在至少一个实施方案中，这种采样发生至少一次。系统控制器和/或数据管理器：从累加器检索读数2508；然后存储累加器读数和眼睛位置传感器读数2510。在至少一个实施方案中，重复采样步骤、检索步骤和存储步骤，直到方法的停用或终止发生，其中示例包括先前讨论的各种方法。

尽管所示出和描述的据信是最为实用和优选的实施方案，但显而易见的是，本领域的技术人员可对所描述和所示出的具体设计和方法作出变更，并且可在不脱离本发明的实质和范围的情况下使用这些变更形式。本发明并不局限于所描述和所示出的具体构造，而是应当理解为与落入所附权利要求书的范围内的全部修改形式相符。

Claims (24)

1.一种用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法，所述方法包括：

激活所述加电式眼科镜片；

启动所述镜片上的累加器以跟踪时间的经过；

以第一眼睑采样速率确定是否已经发生眼睑闭合；

当检测到眼睑闭合时，

对加速度计和换能器中的至少一者进行至少一次采样；以及

确定是否超过阈值，当超过所述阈值时，

从所述累加器检索读数；

存储所述累加器读数以及所述加速度计和所述换能器中的所述至少一者的读数；以及

确定所述读数是否低于所述阈值，当所述读数低于所述阈值时，存储REM结束的指示并且返回对眼睑闭合采样。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

利用存在于所述镜片上的至少一个光传感器来测量光水平；

存储所述光水平和来自所述累加器的当前读数；以及

确定光水平改变何时发生，并且将来自所述累加器的所述当前读数与所述光水平读数一起存储。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

将所述累加器与持续时间阈值进行比较；以及

当所述累加器超过所述持续时间阈值时，确定所述当前光水平是否近似所述初始光水平读数，当达到初始光水平时，终止方法。

4.根据权利要求1所述的方法，其中对所述加速度计和所述换能器中的所述至少一者采样以第一运动采样速率发生，直到所述读数超过所述阈值，接着以第二运动采样速率采样。

5.根据权利要求1所述的方法，其中当检测到眼睑闭合时，接着以第二眼睑采样速率对眼睑闭合采样。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

针对可用能量水平监测所述镜片上的电源；

当所述电源具有低于低能量阈值的所述可用能量水平时，执行以下中的至少一者：

降低对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的所述采样速率，

降低对至少一个传感器的所述采样速率，

终止对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的进一步采样，

终止对所述电源的进一步监测，

存储基于所述累加器中的所述当前值的表示低能量的时间戳，

从所述加速度计和所述换能器中的至少一者移除功率，

以比所述第一采样速率慢的第二眼睑采样速率来对所述眼睑闭合采样，以及

对存储所述读数的存储器提供功率。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

监测用于存储读数的可用存储量；

当所述可用存储量低于低存储量阈值时，执行以下中的至少一者：

存储基于所述累加器中的所述当前值的表示低存储量的时间戳，

降低对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的所述采样速率，

终止对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的进一步采样，

将来自所述加速度计和所述换能器中的至少一者的未来读数存储在最早存储在所述存储器中的读数之上，以及

删除与最低累加器读数相关联的所存储的传感器读数，并且使所述存储器中的剩余的所存储的传感器读数和累加器读数移位。

8.根据权利要求1所述的方法，其中存储所述读数包括将所述读数传输到外部装置以供存储。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述外部装置将所述读数与基于所述外部装置上的所述当前时间的时间戳一起存储。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：

利用所述外部装置对光水平采样，并且将所述光水平与时间戳一起存储在存储器中。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括利用所述外部装置接收用于发起睡眠研究和终止所述睡眠研究的用户输入。

12.一种用于利用加电式眼科镜片监测睡眠的方法，所述方法包括：

激活所述加电式眼科镜片；

启动所述镜片上的累加器以跟踪时间的经过；

对加速度计和换能器中的至少一者进行至少一次采样；以及

确定是否超过第一阈值，当超过所述第一阈值时，

从所述累加器检索读数；

存储所述累加器读数以及所述加速度计和所述换能器中的所述至少一者的读数；以及

确定所述读数是否低于第二阈值，当所述读数低于所述第二阈值时，存储REM结束的指示并且返回对眼睑闭合采样。

13.根据权利要求12所述的方法，其中对所述加速度计和所述换能器中的所述至少一者采样以第一运动采样速率发生，直到所述读数超过所述阈值，接着以第二运动采样速率采样。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括：

针对可用能量水平监测所述镜片上的电源；

当所述电源具有低于低能量阈值的所述可用能量水平时，执行以下中的至少一者：

降低对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的所述采样速率，

降低对至少一个传感器的所述采样速率，

终止对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的进一步采样，

终止对所述电源的进一步监测，

存储基于所述累加器中的所述当前值的表示低能量的时间戳，

从所述加速度计和所述换能器中的至少一者移除功率，

以比所述第一采样速率慢的第二眼睑采样速率对所述眼睑闭合采样，以及

对存储所述读数的存储器提供功率。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

监测用于存储读数的可用存储量；

当所述可用存储量低于低存储量阈值时，执行以下中的至少一者：

存储基于所述累加器中的所述当前值的表示低存储量的时间戳，

降低对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的所述采样速率，

终止对所述加速度计和所述换能器中的至少一者的进一步采样，

将来自所述加速度计和所述换能器中的至少一者的未来读数存储在最早存储在所述存储器中的读数之上，以及

删除与最低累加器读数相关联的所存储的传感器读数，并且使所述存储器中的剩余的所存储的传感器读数和累加器读数移位。

16.根据权利要求12所述的方法，其中任何存储读数包括将所述读数传输到外部装置以供存储。

17.一种加电式眼科镜片，所述加电式眼科镜片包括：

接触镜片；

所述接触镜片中的眼睑位置传感器系统，所述眼睑位置传感器系统包括传感器阵列和信号调节器，所述传感器阵列具有彼此竖直间隔的多个测量点以检测眼睑位置，所述信号调节器被配置成对所述传感器阵列中的所述测量点采样以检测眼睑位置并提供输出眼睑信号；

所述接触镜片中的眼运动传感器系统，所述眼运动传感器系统包括用于跟踪并确定眼睛位置的至少一个传感器以及信号调节器，所述信号调节器与所述传感器协作性地相联并且被配置成基于来自所述传感器输出的信息来跟踪并确定空间坐标中的眼睛位置并且提供输出运动信号；

系统控制器，所述系统控制器与所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动传感器系统电连接，所述系统控制器被配置成基于至少一个预先确定的采样速率来对所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动系统采样；和

存储器，所述存储器与所述系统控制器电连通，并且

其中所述系统控制器将基于每个样本的数据存储在所述存储器中。

18.根据权利要求17所述的加电式眼科镜片，还包括累加器；并且

其中所述系统控制器被配置成存储来自所述累加器的对应于所存储的每个样本数据集的读数。

19.根据权利要求18所述的加电式眼科镜片，还包括：

功率源，所述功率源电连接到所述眼睑位置传感器系统、所述眼运动传感器系统以及所述系统控制器；和

资源管理系统，所述资源管理系统与所述功率源和所述存储器中的至少一者电连通；所述资源管理系统被配置成确定超过低能量水平和存储器存储阈值中的至少一者，并且响应于肯定确定，所述资源管理系统被配置成进行以下中的至少一者：

降低对所述系统的所有采样速率，

终止所述眼睑位置传感器系统和所述眼运动系统的所有采样，以及

当超过存储器存储阈值时，用较新的数据替换较早的数据。

20.一种系统，包括：

根据权利要求18所述的加电式眼科镜片；和

基站，所述基站能够容纳所述镜片，所述基站包括

外壳，所述外壳具有尺寸足以用于至少一个镜片的腔，

时钟，

通信系统，所述通信系统被配置成与插入所述外壳中的任何镜片通信，包括激活所述镜片以及下载存储在所述镜片中的所述存储器中的数据；

存储器，所述存储器被配置成存储所下载的数据；和

用于与外部计算机通信以传输从所述镜片中的所述存储器接收到的数据的装置。

21.根据权利要求17所述的加电式眼科镜片，还包括通信系统，所述通信系统被配置成与外部装置通信。

22.根据权利要求21所述的加电式眼科镜片，其中所述系统控制器通过所述通信系统将任何接收到的信号输出传输到所述外部装置。

23.根据权利要求17所述的加电式眼科镜片，其中所述眼运动系统包括至少一个加速度计。

24.根据权利要求23所述的加电式眼科镜片，其中当来自所述至少一个加速度计的信号超过运动阈值时，所述眼运动传感器系统信号调节器提供输出。