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從非侵入性的醫療程序，以及超靈敏的診斷儀器，光子器件在今天的生物醫藥產(chǎn)業(yè)中，發(fā)揮不可或缺的作用。過(guò)去的四分之一世紀里，資深光學(xué)工程師借助先進(jìn)的軟件工具與適時(shí)的設計，將這些新技術(shù)引進(jìn)市場(chǎng)。然而Photon Engineering公司堅信其光學(xué)工程軟件產(chǎn)品FRED，可以幫助并加快創(chuàng )新的步伐，使生物醫學(xué)界的成員，更能直接、充分地參與這一進(jìn)步的過(guò)程。FRED結合人機界面(GUI)，可任意建構幾何圖形，并可直接由此接口中獲得其對象外觀(guān)，并擁有可滿(mǎn)足此一精密設計需求的強大計算引擎之能力。而最能表達呈現FRED與生物醫藥產(chǎn)業(yè)相關(guān)性的幾個(gè)熟悉但創(chuàng )新的應用范例：諸如前房視鏡、激光誘導熒光毛細管、以及人體皮膚模型。
生醫光學(xué)組件 范例 1：前房角鏡
在診斷和治療青光眼的過(guò)程中，能否監測虹膜和角膜角度是一個(gè)關(guān)鍵因素。要量測這個(gè)虹膜和角膜內表面的夾角，必須使用前房角鏡，通由眼睛的入口處，照亮這些表面，并且能高效率的收集返回的光線(xiàn)。
一個(gè)精確的人眼模型，是進(jìn)行前房角鏡模擬運算中不可或缺的組件。以下圖1所顯示的是以FRED建構的人眼前庭部份的構造。此一特定的人眼模型，是根據Smith & Atchison以及Schwiergling所提出的人眼參考模型。此人眼模型的材料性質(zhì)，則取材自Tuchin。而所有眼睛的主要組件，也都包含于此模型中，包括：角膜的前方和后方表面、虹膜、晶狀體和水漾液。數種完整的人眼模型可于FRED安裝后目錄的范例數據夾下獲得。
如果有需要對人眼模型的組件進(jìn)行修改一完整的多參數匯集的輸入對話(huà)窗口能給予使用者有效的定義其特性，如圖2 所示。
使用者可以直接在FRED人機化界面中存取曲率、孔徑、微調、定位、材質(zhì)，散射，鍍膜與中心位置上可視化的對象特性。
圖1. LED 模型：人眼的前房部位
圖2. FRED的表面特性對話(huà)窗口
在人眼模型能使用的情況下，下一步將要建構前房角鏡頭的模擬。FRED可以輕松的從CodeV、ZEMAX或OSLO匯入所設計的透鏡。在FRED中經(jīng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，就可以將前房角鏡定位在眼角膜上。FRED對于每個(gè)表面，都存在一個(gè)局部坐標系統。當加入任何一個(gè)對象時(shí)，可以相對地定位于其它的物件。如圖3所示，前房角鏡頭被置于相對于眼角膜的外表面。
圖 3. 在任一坐標系統定位一個(gè)對象.
實(shí)際上，此前房角鏡是藉由一種表面間的指數匹配液耦合到角膜上。FRED具有獨特的"膠合"特性，可以很容易地插入這個(gè)指數匹配層。接觸這些表面的操作非常的簡(jiǎn)單：進(jìn)入前房角鏡后表面的編輯模式，打開(kāi)"Gule"的目錄選項，選擇角膜前表面作為"膠合"面，最后選擇要粘合的材料。其操作如圖4所示。圖5為完整的幾何模型。
圖 4. “膠合”房角鏡到角膜上
圖5. FRED系統內前房角鏡和人眼模型的剖面圖
幾何模型建構完成后，仿真程序準備的下一步驟是建構光源，照亮眼睛前房（在角膜和虹膜之間）。標準前房角鏡的程序指出，所需的最理想照明光源為狹縫光源。于圖6展示的為FRED光源設定對話(huà)窗口。Positions/Directions目錄選項可允許使用者設定所需的光線(xiàn)數、光源的尺寸和角度的特性。
圖 6. Source對話(huà)框的位置/方向目錄選項.
為進(jìn)行更深入的分析，使用者或許需要的光源為具有特殊的光頻譜信息、切趾角度或位置。這些操作以及許多其它關(guān)于光源的定義，都可以在Source對話(huà)窗口的各種目錄選項找到。使用者可以選擇如圖7所顯示的標準CDF波長(cháng)，或如同圖8所示的來(lái)數字化光源光譜曲線(xiàn)。注意這兩個(gè)實(shí)例，FRED可將不同的波長(cháng)以顏色區別，而易于觀(guān)看。
圖 7. 設定FRED中的光源頻譜
圖 8. 數字化包含頻譜數據的圖形創(chuàng )建一個(gè)FRED光源
增加光源所定義的切趾也是一簡(jiǎn)單的操作流程。在FRED中光源對話(huà)窗口內的Power目錄選項中，提供了數種可預先定義切趾的選項，以供定制所需的光源輪廓。圖9為展示一高斯特殊切趾類(lèi)型的laser diode(雷射二極管;激光二極管)或 LED的典型范例：
圖 9. FRED光源高斯空間切址法.
在置入光源之后，開(kāi)始去最佳化照明狀態(tài)后，一額外的顏色視學(xué)用于影像光線(xiàn)經(jīng)過(guò)前房角鏡后能讓使用者易于觀(guān)看。FRED提供數百種慣用的透鏡在七種熱門(mén)廠(chǎng)商數據庫中。此完整的光線(xiàn)追跡模型如圖10 所示。
圖 10. 前房角鏡模型描光路徑圖。光線(xiàn)顏色代表特定的表面交集
在此文中，光線(xiàn)的顏色并不是根據波長(cháng)而訂定的。FRED具有當光線(xiàn)碰擊到表面時(shí)，能將4種不同的情形以顏色區別出來(lái)：反射、穿透、散射或繞射。如圖11 ，從角膜后方表面散射的光線(xiàn)可改為綠色，而從虹膜散射的光線(xiàn)為紅色。
圖 11. 根據表面和交線(xiàn)的種類(lèi)來(lái)設定顏色.
作為FRED中一個(gè)分析的范例，如圖12為透鏡焦點(diǎn)的斑點(diǎn)圖，期能展示光線(xiàn)在虹膜與角膜內的散射情形。上圖與下圖對照著(zhù)如右所示的平面與曲面的虹膜的差異。正如我們所期許的，在影像的擷取中我們能觀(guān)看出下圖具有一較小或封閉的角度。
圖 12. 使用平面和曲面虹膜的點(diǎn)狀圖
參考文獻：
1. The Eye and Visual Optical Instruments, G. Smith & D. Atchison, Cambridge University Press, 1997
2. Visual Optics Course Notes, Jim Schwiergling, Optical Sciences Center, University of Arizona, 2000.
3. Tissue Optics; Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnostics, Valery Tuchin, SPIE Press,2000.
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