Nano Letters：逆向工程隐形眼镜可准确矫正色盲

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色觉是人类最重要的感知能力之一。 然而，地球上有超过 3 亿人患有色觉缺陷 (CVD)。 色觉缺陷的人无法像正常人一样清楚地辨别颜色。 因此，他们无法准确识别物体、驾驶汽车、参军或在某些医疗领域工作。 此外，色觉缺陷患者还可能受到他人歧视，导致严重的心理障碍。

原则上，正常人通过视网膜上的三种视锥细胞感知颜色，即长（L）、中（M）和短（S）视锥细胞，其敏感峰值在560 nm（红色）、530 nm左右（绿色）和 430 nm（蓝色）。 然而，色觉缺陷患者由于视锥细胞的缺失或异常，在外界光刺激下无法产生正常的神经刺激信号。 根据不同的触发因素，色觉缺陷患者在医学上分为三种类型：三色异常（存在三种视锥细胞但异常，最常见）、二色异常（缺失一种视锥细胞）和单色异常。 （失去两种或三种视锥细胞），其中最常见的是三色觉，这主要是由L或M型视锥细胞异常引起的，俗称“红绿色弱”。 这些患者的视网膜中仍然存在三种类型的视锥细胞，但他们的长或中视锥细胞的灵敏度会因波长而发生光谱变化。 尽管目前对于色觉缺陷的人还没有根治性的治疗方法，但有几种方法可以改善他们的色觉。 最常用的工具是滤色镜，它是在 167 年前提出的。 该滤光片通过阻挡光谱的特定波长（540-580 nm）、M 型和 L 型视锥细胞的重叠带，提高了红绿色视觉缺陷患者的颜色辨别能力。 虽然滤色镜法无法将色觉缺陷患者的色觉恢复到与正常人一样，但确实提高了患者辨别颜色的能力，这一点已经得到实验证明，并被业界和研究人员广泛接受。

目前有一些广泛使用的商用色弱矫正眼镜，例如VINO和该公司生产的色弱矫正眼镜。 然而，这些色素型矫正眼镜的过滤光谱带较宽，无法根据每个患者的具体情况自由调节，因此实际佩戴体验较差。 最近红绿色盲 眼镜，一些研究人员还开发了基于超表面或光学超材料的窄带滤光校正眼镜，取得了更好的校正效果。 然而，由于视锥细胞敏感度的波长变化对于每个色觉缺陷患者都是特定的，目前的方法无法为不同类型色觉缺陷的患者提供精确定制的窄吸收光谱，从而导致目前色觉矫正眼镜的无效性。 不确定，并且患者的色觉体验在日常佩戴中不必要地丧失。

近日，华中科技大学臧剑锋团队提出了一种逆向设计隐形眼镜，可精准矫正色盲。 通过类似匹配同类眼镜的方法，对色盲患者采取先诊断后设计的逆向设计方案。 其定制的色盲矫正隐形眼镜无论在模拟还是实际人体实验中都具有良好的矫正效果。 相关工作以“-Aid for of Color”为题在线发表在Nano上。

通过色盲识别镜测量患者视锥细胞的偏移量，我们可以像测量近视一样准确测量色盲的类别和严重程度。 并根据患者的色盲情况，逆向设计具有适当参数（峰值吸光度、滤光波长）的色弱矫正隐形眼镜。 这种经过精确矫正的隐形眼镜不仅可以提高患者辨别不同颜色的能力，还可以给患者恢复正常人的色觉体验（图1）。

图1 定制色弱矫正眼镜的逆向设计方法。 (A) 逆向设计色弱矫正眼镜的四个步骤 (B) 色弱患者的锥体偏移检查界面 (C) 根据患者的锥体偏移，逆向设计矫正眼镜波长的峰值吸收率和过滤。 绿色和红 *** 域分别代表患者定制眼镜的设计参数，Δλ = -10 nm 和 +10 nm。

通过控制添加到溶液中的水凝胶或PDMS中的纳米颗粒的尺寸和浓度，可以控制实际制备的隐形眼镜的滤光波长和峰值吸光度（图2）。

图 2. 调整矫正眼镜的峰值吸光度和滤光片波长。 (A) 直径为 30、45、55、65 和 75 nm 的 Au@SiO2 纳米颗粒的 FETEM 图像。 比例尺为 300 nm。 (B) 其直径的分布直方图。 (C) 具有不同滤光波长的矫正眼镜的吸收光谱。 (D) 根据设计的滤光片波长参数确定添加的纳米颗粒的直径。 红色实线表示纳米粒子直径与滤光片波长的拟合关系。 (E) 具有不同峰值吸光度的矫正眼镜的透射光谱。 添加到玻璃中的纳米颗粒的直径为45 nm。 比例尺为 1 厘米。 (F) 根据设计的矫正玻璃的峰值吸光度确定添加到玻璃中的纳米颗粒的浓度。 蓝色实线代表纳米颗粒浓度和峰值吸光度之间的拟合关系。

通过模拟色盲患者的色觉体验，可以证明逆向设计的矫正眼镜对于改善患者色觉体验有显着效果，更大限度地保留了与正常人相似的丰富色彩感知程度。 商用眼镜严重削弱了患者的色觉感知范围。 他们在识别石原色盲识别图时只能利用明暗差异来识别数字轮廓，但在日常生活复杂的光照条件和背景下很难实现实际改善（图3）。

图3 逆向设计的精密矫正眼镜的矫正效果。 (A)与两种市售眼镜的透射光谱比较(B)显示色度图上色弱患者的色觉偏差以及校正效果。 黑点代表正常的色觉。 蓝点代表色觉障碍者的色觉。 红点代表佩戴本文中精密矫正镜片的患者的色觉。 (C) 正常色觉、色觉缺陷患者和佩戴如本文所述的商业眼镜或精密矫正眼镜的患者之间色觉面积的比较。 (D) 具有正常色觉、色觉缺陷的患者以及佩戴如本文所述的商业眼镜或精密矫正眼镜的患者在石原色盲识别图和交通灯上的色觉感知。 (E) 不同程度色差患者佩戴精密矫正眼镜或其他商用眼镜与正常人的色觉相似度。 *商用眼镜 1 代表 VINO O2 Amp Oxy-Iso 眼镜。 商用玻璃2代表Cx-65玻璃。

绝大多数患者在佩戴逆向设计的矫正眼镜后，识别石原图的能力明显提高。 并且反映出日常生活中的其他场景，如交通信号灯、彩色气球等的色彩感知得到了一定程度的提升（图4）。

图4.六名色觉异常患者的实际佩戴测试。 （AD）石原色盲鉴定图的鉴定结果。 蓝色、红色和紫色矩形分别代表不戴眼镜、佩戴本文中的逆向工程矫正眼镜或佩戴商用眼镜能够识别图片中正确数字的患者数量。

该工作提出了一种基于色盲患者的视锥位移逆向设计具有精确矫正能力的色盲和色弱矫正镜片的设计方法。 这种眼镜不仅可以提高患者辨别不同颜色的能力，还能给患者带来与日常生活中正常人相似的丰富色觉体验。 同时，这种眼镜具有生物相容性好、稳定性高、润湿性好（佩戴舒适）和成本低等优点，在未来实际应用中具有巨大潜力。

论文之一作者为华中科技大学光学与电子信息学院博士生田甜、博士后唐汉川、硕士生康天宇。 论文通讯作者为华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心臧建峰教授。 该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

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团队简介：

臧建峰，现任华中科技大学光学与电子信息学院、武汉光电国家研究中心教授、博士生导师、国家海外高层次人才引进青年工程人选。 主持国家或重点企业项目5项，包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金面上项目、华为委托技术开发项目等。 该团队专注于智能软材料与器件的多学科研究。 研究团队针对重大医疗健康需求，开展医学与工业、智能医疗机器人、可靠人机界面等跨学科研究。

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