Nano Letters: 精确矫正色盲的反向设计隐形眼镜

色彩视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(color vision deficiency, CVD)。这些色觉缺陷患者不能像正常人一样清晰地分辨颜色。因此，他们不能准确地识别物体、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的歧视，从而导致严重的心理障碍。

从原理上讲，正常人是通过视网膜上的三种视锥细胞来感知颜色的，即长(L)、中(M)和短(S)视锥细胞，它们的灵敏度峰值分别在560 nm(红色)、530 nm(绿色)和430 nm(蓝色)左右。但色觉缺陷患者由于视锥细胞的缺失或异常，不能在外界光刺激下产生正常的神经刺激信号。根据诱因的不同，医学上将色觉缺陷患者分为三种类型，三色性异常(三种视锥细胞存在但是有异常，最常见)、二色性(缺失一种视锥细胞)、单色性(缺失两种或三种视锥细胞)，其中最常见的是三色性异常患者，主要由L或M型视锥细胞异常引起，俗称‘红绿色弱’。这些患者的视网膜上仍然有三种视锥细胞，但它们的长或中视锥细胞的灵敏度会在光谱上发生波长偏移。虽然目前对于色觉缺陷患者还没有根治性的治疗方法，但是有几种方法可以改善他们的颜色感知，最常用的工具是滤色眼镜，它是167年前提出的。这种滤光片通过屏蔽特定波长的光谱(540-580 nm)，即M和L型视锥细胞的重叠波段，提高了红绿色觉缺陷患者的辨色能力。虽然滤色法不能使色觉缺陷患者的颜色视觉恢复到和正常人一样，但它确实提高了患者对颜色的分辨能力，这已经被实验证明并被业界和研究人员广泛接受。

目前有一些广泛应用的商业色弱矫正眼镜，如VINO和Enchroma公司出产的色弱矫正眼镜。但是这些基于色素的矫正眼镜，其滤波的光谱带较宽，且不能根据每个病人的具体情况自由调节，因此实际佩戴体验较差。最近，一些研究人员也开发了基于超表面或光学超材料的窄带滤光矫正眼镜，获得了更好的校正效果。然而，由于每个色弱患者视锥细胞灵敏度的波长偏移都具有特异性，而目前的方法都不能为不同类型的色觉缺陷患者提供精确定制的窄吸收光谱，因此导致了目前色弱校正眼镜的效果不确定，在日常佩戴中不必要地丧失了患者的色觉体验。

最近，华中科技大学臧剑锋团队提出了一种可以精确矫正色盲的反向设计隐形眼镜，通过类似匹配近似眼镜的方法，对色盲患者采取先诊断，后设计的反向设计方案，其定制化的色盲矫正隐形眼镜在仿真模拟与实际人体实验中都具备良好的矫正效果，相关工作以“Inverse-Designed Aid Lenses for Precise Correction of Color Vision Deficiency” 为题在线发表在Nano Letters上。

通过色盲鉴别镜测量患者的视锥细胞的偏移量，我们可以像测量近视度数一样，精确地测量色盲患者的类别和严重程度。并根据患者的色盲情况，反向设计出具备合适参数（峰值吸光率，滤波波长）的色弱矫正隐形眼镜。这种精确矫正的隐形眼镜不但能提高患者对不同颜色的辨别能力，而且能给患者还原一个近似正常人的色觉体验（图1）。

图1. 定制化色弱矫正眼镜眼镜的反向设计方法。(A)反向设计色弱矫正眼镜的四个步骤 (B) 色弱患者的视锥细胞偏移量检查界面 (C)基于患者视锥细胞偏移量，反向设计矫正眼镜的峰值吸收率和滤波波长。绿色和红色区域分别代表为∆λ = -10 nm和+10 nm的患者定制的眼镜的设计参数。

通过控制添加进溶液状态的水凝胶或PDMS中的纳米颗粒的尺寸与浓度，就可以控制实际制备出的隐形眼镜的滤波波长与峰值光吸收率（图2）。

图2. 调节矫正眼镜的峰值吸收率和滤波波长。(A) Au@SiO2纳米粒子的FETEM图像，直径分别为30、45、55、65、75 nm。比例尺是300纳米。(B)它们直径的分布直方图。(C)不同滤波波长的矫正眼镜的吸收光谱。(D)根据设计的滤波波长参数确定加入的纳米粒子的直径。红色实线表示纳米粒子的直径与滤波波长的拟合关系。(E)不同峰值吸收率的矫正眼镜的透射谱。眼镜中添加纳米粒子的直径均为45 nm。比例尺是1 cm。(F)根据设计的矫正眼镜的峰值吸收率来确定眼镜中添加的纳米粒子的浓度。蓝色实线表示纳米粒子的浓度与峰值吸收率的拟合关系。

通过仿真模拟色盲患者的色觉体验，可以证明反向设计的矫正眼镜在提升患者的色觉体验方面有明显的效果，最大限度的保留了类似正常人的丰富的色觉感知。而商业眼镜则严重削弱了患者的色觉感知范围，仅在辨别石原氏色盲鉴别图谱时能利用明暗差别辨认数字轮廓，但在日常生活中的复杂光照条件及背景下则很难有实际的提升（图3）。

图3. 反向设计的精确矫正眼镜的矫正效果。(A)与两种商用眼镜的透射光谱对比(B)在CIEXYZ色度图上显示色弱患者对颜色感知的偏差，以及矫正效果。黑点代表正常色觉。蓝点代表色弱患者色觉。红点代表佩戴本文中精确矫正眼镜的患者的色觉。(C)正常色觉、色弱患者、佩戴商用眼镜或本文中的精确矫正眼镜的患者的色觉区域对比。(D) 正常色觉、色弱患者、佩戴商用眼镜或本文中的精确矫正眼镜的患者对石原氏色盲鉴别图谱和交通灯的色觉感知。(E)不同严重程度的色弱患者配戴精确矫正眼镜或其他商用眼镜后，与正常人对比的色觉相似度。 *商用眼镜1代表VINO O2 Amp Oxy-Iso眼镜。商用眼镜2代表Enchroma Cx-65眼镜。

绝大多数患者在佩戴反向设计矫正眼镜后，对石原氏图的辨别能力有了明显的提升。并且反映对其他日常生活中的场景的颜色感知，如：红绿灯，彩色气球等都有了一定的提升（图4）。

图4。对六名色觉异常患者的实际佩戴测试。(A-D)对石原氏色盲鉴别图谱的辨认结果。蓝色、红色和紫色的矩形分别代表了在不戴眼镜、佩戴本文中的反向设计矫正眼镜或商用眼镜的情况下能够识别出图片中正确数字的患者人数。

本项工作提出了一种基于色盲患者的视锥细胞偏移，反向设计出具备精确矫正能力的色盲色弱矫正镜的设计方法。这种眼镜不但能提高患者对不同颜色的辨别能力，而且在日常生活中也能给患者还原一个近似正常人的丰富的色觉体验。同时，这种眼镜具备良好的生物相容性，高稳定性，良好的润湿性（佩戴舒适度）和低成本的优点，在未来的实际应用中具备很大的潜力。

论文第一作者为华中科技大学光学与电子信息学院博士生田野、博士后唐瀚川、硕士生康天誉，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剑锋教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金资助支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00262