诗人说，眼睛是灵魂的窗户。但生物医学工程师正在用眼睛来了解身体。
他们努力工作在使用智能隐形眼镜和植入式镜片诊断，监测和治疗各种疾病的未来探测技术。2014年，两家最大的跨国公司宣布将这项新技术引入重点。谷歌通过其生物学分支，现在命名为“ 威利生命科学”，瑞士制药巨头诺华国际通过其眼科部门阿尔康，联手为糖尿病患者设计，开发和商业化智能隐形眼镜。如果项目达到目标，这些镜头将从通常用于测量血糖水平的日常指尖中省去糖尿病患者，而不是使用嵌入式微电子学来测量穿戴者眼泪中的葡萄糖。
Verily和Alcon并不是推动智能镜头技术发展的唯一。在世界各地的实验室，生物医学工程师一直在智能镜头上取得令人兴奋的进展，用于诊断疾病，并允许对患者进行不引人注目的持续监测。事实上，两个智能镜头产品已经在欧洲市场上打响，帮助青光眼患者，这是世界上最常见的眼睛疾病之一。
所有的努力依赖于两种基本类型的智能镜头：类似于用于视力矫正的隐形眼镜和必须通过手术植入眼中的人工晶状体。前者显然更容易放置，因为它们可以在指尖上滑入眼睛。它们还允许更广泛的物理和生化微量传感器，因为当传感器磨损时可以更换镜头。另一方面，人造眼镜允许长期监测，而患者不必采取任何行动。
两种类型的透镜可能受益于微观或半透明的新型柔性电子器件。材料科学的进步也使得可以从诸如水凝胶的材料制造透镜，其可以容忍眼睛运动的物理应力，同时允许氧气通过并滋养眼睛。虽然仍然存在重大的技术挑战，但我们已经开始研究人们的眼睛 - 而不是情绪上的启示，而是对医疗的启示。
为了舒适地适应眼睛或眼睛，智能镜头必须测量直径约14毫米，厚度仅为100至200微米。该小弯曲盘必须包含传感器以及微电子以管理功耗，控制传感器的操作，并将传感器的读数传输到诸如智能手机的外部设备。在这些微小的镜头中，最大的挑战是供电，并确保传感器提供可靠的读数。
为人眼敲击一块薄薄的仪表化塑料是不容易的事情。传统的电池太大了，而且它们的包装必须重新设计，以确保任何泄漏的化学品不会伤害穿戴者。因此，无线电力传输更具吸引力。它的主要缺点是电源必须非常接近镜头 - 通常只有几厘米。为了谨慎地解决这个问题，一些实验系统（包括我在瑞士南部应用科学大学实验室开发的系统）将电力变送器嵌入眼镜框架。
传输无线电力的最方便的方法是近场感应耦合，与在星巴克充电垫上的基站和智能手机上的电动牙刷相同的方法。对于智能镜头，发射线圈可以放置在眼镜中，并且接收线圈嵌入镜片的外边界附近。近场感应耦合在低频（通常为几兆赫兹）下工作，所以传输对眼组织没有任何威胁。一些实验室已经尝试了远场感应耦合，通过微波向镜头发射功率，但是这些系统在更高的频率（通常几千兆赫兹）下工作，并且需要采取预防措施以避免损伤眼睛组织。
一种更加未来的方法是让镜头自己动力。在比利时根特大学，赫伯特·德斯密特实验室已将微型光伏电池插入镜头以收集太阳能发电。其他研究人员正在探索如何使用压电元件将由眼动引起的振动转化为电力; 例如，三星最近申请了一种压电智能镜头的专利。另一个远大的想法是使用将人类眼泪中存在的化学物质转化为电力的燃料电池。当然，这些原位电力技术中的任何一种都可以在现实世界中使用。
为智能镜头设计生物传感器也是一个挑战。智能隐形眼镜需要高度准确的传感器，可以廉价制造（特别是如果镜头是一次性的），而智能人工晶状体需要能够在眼睛中保持工作至少10年的传感器，以避免重复手术。依赖于酶反应来检测眼睛液体中的葡萄糖或乳酸的生物标志物的生物传感器不会持续很长时间，因为这种传感器的酶活性随时间而下降。因此，一些研究小组正在研究纳米尺度的生物传感器，从而可以在一个透镜中嵌入数百甚至数千个传感器，从而增加镜头的使用寿命。最终，纳米传感器可以被制成足够敏感以检测目标化学物质的单一分子; 石墨烯 - 银纳米线的直径，
对于世界范围内拥有糖尿病的4.22亿人，具有连续测量葡萄糖水平的微量传感器的智能隐形眼镜可能是一种不断变化的技术。今天，大多数糖尿病患者每天通过多次刺穿手指来监测血液中的葡萄糖，这是必要的，因为葡萄糖的水平响应餐饮，运动和其他常见活动而波动。甚至连续使用电极位于皮肤下面的葡萄糖监测器也需要多个日常的手指块进行校准。当谷歌在2014年宣布推出智能镜头项目时，该项目的领导者指出，一些糖尿病患者将葡萄糖水平的管理比较为“具有一部分即时工作”。
隐形眼镜可以通过沐浴眼睛的液体观察身体的内部。对于监测糖尿病，大多数智能镜头使用传感器来测量基底泪液中的葡萄糖浓度，润滑角膜的液体并将其清洁干净。
已经开发了许多类型的传感器来测量这些眼泪中的葡萄糖。最着名的是Babak Parviz设计的电化学传感器，同时他是华盛顿大学电气工程教授。他后来成为Google的导演，并推出了Verily-Alcon智能镜头项目。该传感器使用催化葡萄糖以产生过氧化氢的酶，其在电极处进一步氧化以释放电子，从而产生与葡萄糖浓度成比例的电流。
其他类型的传感器使用荧光或胶体晶体颗粒来提供指示葡萄糖存在量的光学读数。例如，用户可以在镜子中查看其智能镜头上的微小点的颜色。
在任何这些技术可以转化为商业产品之前，研究人员仍然必须回答几个科学问题。第一个涉及在基础眼泪中发现的微量葡萄糖：典型的泪液葡萄糖水平约为0.1至0.6毫摩尔，而血液中血糖水平范围为约4至6毫摩尔。因此，一些研究人员认为眼泪根本不包含足够的信息，可用于糖尿病监测。其他的反驳是通过引用使用质谱法分析眼泪的研究，分析化学的黄金标准，并发现葡萄糖以低但一致的水平存在。不幸的是，将质谱仪包装在智能镜头上是不可能的，生化传感器与质谱的准确性无法匹配。
科学家们也在争论血液中的葡萄糖水平与眼泪中的血糖水平之间的相关性。动物研究显示血糖水平上升或下降之间的平均滞后时间为13分钟，而这种变化出现在眼泪中。如果这样的延迟是一致的，则可以在智能镜头系统的校准期间考虑。然而，如果时差变化，创建糖尿病患者可以依赖的泪液监测系统将是非常困难的。
那就是三种不同类型的眼泪的化学成分的问题：润滑眼睛的基础眼泪，眼睛刺激引起的眼泪，以及从情绪中感受到的亲切的泪水。这三种液体中葡萄糖的含量是否显着不同？如果是这样，用户的葡萄糖读数可以在他们开始哭泣或眼睛斑点时尖峰或下降。
尽管有这些公开的问题，智能隐形眼镜具有很大的医疗监控潜力。研究人员已经在寻找在眼睛中发现的除葡萄糖之外的物质，可能用于诊断其他疾病。例如，乳酸乳状液可能是脓毒症的早期预警，这是一种在医院中常见的杀手的急性感染。
青光眼患者一般首先会丧失周围视力，黑暗逐渐向内移动。青光眼全球患有6700万人，是视力丧失和失明不可逆转的主要原因。前两款实现商业市场的智能镜头产品是隐形眼镜和植入式镜片，可帮助患有这种毁灭性疾病的患者。
医生知道，青光眼的最大危险因素是高眼压（IOP），损害视神经。眼科医生今天在眼科检查中使用称为眼压计的工具测量眼压，这些工具可以将空气吹入眼睛或将探针压在眼睛的麻木表面上。随着时间的推移监测患者的眼压需要重复的办公访问，这样做的不便将阻止一些人有效地管理病情。
智能镜头可以做得更好，因为它们使用嵌入式传感器连续测量IOP。一个健康的人眼的IOP是帕斯卡1300 2800之间，而在患病眼压力的范围可以从500至6500帕。更重要的是，一个人的眼压波动与他们的昼夜节律最高压力通常在夜间发生的，而这个人躺在床上。获得24小时值的IOP读数对于眼科医生来说是有价值的，因为它产生了患者的真实眼压。
用于青光眼的商业隐形眼镜来自位于瑞士洛桑的生物技术公司Sensimed。其Triggerfish镜头已经在33个国家提供，最近获得了在美国的监管批准。软的一次性透镜使用压阻应变传感器来测量IOP。传感器检测到角膜的周长稍稍变化，因为它从后面的液体压制而伸展。压力读数在24小时内每5分钟进行一次，镜头使用近场感应将数据无线传输到放置在环绕用户眼睛的胶布中的接收器。线将接收器连接到记录装置，使患者在围绕颈部的小袋中穿着。
医生正在使用Sensimed的设备来诊断患有青光眼发生风险的患者以及现有的青光眼患者，定期进行检查以跟踪疾病的进展。现在，这是Triggerfish镜头的效用结束的地方; 该系统对于长期穿着来说太麻烦了。
用于植入眼睛的第一个商业智能镜头来自德国汉诺威的Implandata眼科产品，其在欧洲获得其眼镜镜片的监管批准在2017年5月。虽然需要手术植入的镜片可能看起来不如一次性镜片那么方便，但手术不是主要的缺点。可以在常规的白内障手术中进行植入，这是每年数百万人进行的快速门诊手术。在白内障手术中，在眼睛中形成微小的切口，并且移除白内障阴影的镜片并由人造眼内透镜代替; 这个镜头坐在虹膜的彩色戒指的后面，所以它是不可见的。对于青光眼患者，外科医生可以用嵌入式压力传感器和随附的微电子学来插入眼底透镜。患者将使用手持式设备回家，他们将经常保持眼睛收集记录的IOP数据，并通过电感耦合为镜头供电。
即使如此，为什么要手术时智能隐形眼镜要容易处理？最明显的原因是植入镜片可以提供长期监测，而不仅仅是24小时的检查。另一个原因是准确性：Triggerfish隐形眼镜的一个缺点是通过测量角膜变形然后将该数据与IOP值相关联来确定间接的压力。这个相关步骤引入了错误。相比之下，眼底透镜直接测量眼压并产生更准确的数据。其八个微小的压力传感器类似于平板电容器。每个传感器都有一个刚性板和一个柔性膜，当膜被眼睛中的压力推到更靠近板上时，整体电容发生变化，产生一个模拟信号变成芯片上的一个数字信号。
在我的实验室，我们一直在为智能眼内镜进行青光眼监测和其他应用的实验。我们的青光眼镜片使用压阻应变传感器直接测量IOP; 这些传感器包含在压力下拉伸的电导体，从而改变其电阻并提供IOP的读数。我们还使用植入式透镜来监测房水中的葡萄糖浓度 - 填充角膜后面的腔的液体，但是我们尝试过的生化微量传感器没有持续足够长的时间来长期使用。
虽然智能接触和人工晶状体的技术和科学挑战是重要的，但镜片的疾病诊断和监测的潜力保证了工作将继续下去。在接下来的十年中，您可以看到广泛的医疗应用的智能镜头的商业介绍。同时，世界各地的研究人员继续研究新的生物标志物，开发新的能量采集和储存技术，制造新型灵活的电子设备，构建更可靠的生物传感器。其他研究人员正在设计用于治疗疾病的镜片，其中微流体成分可以指挥药物。通过这些新技术，我们将比以往任何时候都更好地了解人类生物学。
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