| infotek | 2020-11-27 10:03 |
FRED在生物医学的应用（一） 从非侵入性的医疗程序，以及超灵敏的诊断仪器，光子器件在今天的生物医药产业中，发挥不可或缺的作用。过去的四分之一世纪里，资深光学工程师借助先进的软件工具与适时的设计，将这些新技术引进市场。然而Photon Engineering公司坚信其光学工程软件产品FRED，可以帮助并加快创新的步伐，使生物医学界的成员，更能直接、充分地参与这一进步的过程。FRED结合人机界面(GUI)，可任意建构几何图形，并可直接由此接口中获得其对象外观，并拥有可满足此一精密设计需求的强大计算引擎之能力。而最能表达呈现FRED与生物医药产业相关性的几个熟悉但创新的应用范例：诸如前房视镜、激光诱导荧光毛细管、以及人体皮肤模型。  在诊断和治疗青光眼的过程中，能否监测虹膜和角膜角度是一个关键因素。要量测这个虹膜和角膜内表面的夹角，必须使用前房角镜，通由眼睛的入口处，照亮这些表面，并且能高效率的收集返回的光线。 一个精确的人眼模型，是进行前房角镜模拟运算中不可或缺的组件。以下图1所显示的是以FRED建构的人眼前庭部份的构造。此一特定的人眼模型，是根据Smith & Atchison以及Schwiergling所提出的人眼参考模型。此人眼模型的材料性质，则取材自Tuchin。而所有眼睛的主要组件，也都包含于此模型中，包括：角膜的前方和后方表面、虹膜、晶状体和水漾液。数种完整的人眼模型可于FRED安装后目录的范例数据夹下获得。 如果有需要对人眼模型的组件进行修改一完整的多参数汇集的输入对话窗口能给予使用者有效的定义其特性，如图2 所示。 使用者可以直接在FRED人机化界面中存取曲率、孔径、微调、定位、材质，散射，镀膜与中心位置上可视化的对象特性。  图1. LED 模型：人眼的前房部位  图2. FRED的表面特性对话窗口 在人眼模型能使用的情况下，下一步将要建构前房角镜头的模拟。FRED可以轻松的从CodeV、ZEMAX或OSLO汇入所设计的透镜。在FRED中经由一个简单的操作，就可以将前房角镜定位在眼角膜上。FRED对于每个表面，都存在一个局部坐标系统。当加入任何一个对象时，可以相对地定位于其它的物件。如图3所示，前房角镜头被置于相对于眼角膜的外表面。  图 3. 在任一坐标系统定位一个对象. 实际上，此前房角镜是藉由一种表面间的指数匹配液耦合到角膜上。FRED具有独特的"胶合"特性，可以很容易地插入这个指数匹配层。接触这些表面的操作非常的简单：进入前房角镜后表面的编辑模式，打开"Gule"的目录选项，选择角膜前表面作为"胶合"面，最后选择要粘合的材料。其操作如图4所示。图5为完整的几何模型。  图 4. “胶合”房角镜到角膜上  图5. FRED系统内前房角镜和人眼模型的剖面图 几何模型建构完成后，仿真程序准备的下一步骤是建构光源，照亮眼睛前房（在角膜和虹膜之间）。标准前房角镜的程序指出，所需的最理想照明光源为狭缝光源。于图6展示的为FRED光源设定对话窗口。Positions/Directions目录选项可允许使用者设定所需的光线数、光源的尺寸和角度的特性。  图 6. Source对话框的位置/方向目录选项. 为进行更深入的分析，使用者或许需要的光源为具有特殊的光频谱信息、切趾角度或位置。这些操作以及许多其它关于光源的定义，都可以在Source对话窗口的各种目录选项找到。使用者可以选择如图7所显示的标准CDF波长，或如同图8所示的来数字化光源光谱曲线。注意这两个实例，FRED可将不同的波长以颜色区别，而易于观看。  图 7. 设定FRED中的光源频谱  图 8. 数字化包含频谱数据的图形创建一个FRED光源 增加光源所定义的切趾也是一简单的操作流程。在FRED中光源对话窗口内的Power目录选项中，提供了数种可预先定义切趾的选项，以供定制所需的光源轮廓。图9为展示一高斯特殊切趾类型的laser diode(雷射二极管;激光二极管)或 LED的典型范例：  图 9. FRED光源高斯空间切址法. 在置入光源之后，开始去最佳化照明状态后，一额外的颜色视学用于影像光线经过前房角镜后能让使用者易于观看。FRED提供数百种惯用的透镜在七种热门厂商数据库中。此完整的光线追迹模型如图10 所示。  图 10. 前房角镜模型描光路径图。光线颜色代表特定的表面交集 在此文中，光线的颜色并不是根据波长而订定的。FRED具有当光线碰击到表面时，能将4种不同的情形以颜色区别出来：反射、穿透、散射或绕射。如图11 ，从角膜后方表面散射的光线可改为绿色，而从虹膜散射的光线为红色。  图 11. 根据表面和交线的种类来设定颜色. 作为FRED中一个分析的范例，如图12为透镜焦点的斑点图，期能展示光线在虹膜与角膜内的散射情形。上图与下图对照着如右所示的平面与曲面的虹膜的差异。正如我们所期许的，在影像的撷取中我们能观看出下图具有一较小或封闭的角度。  图 12. 使用平面和曲面虹膜的点状图 参考文献： 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. QQ：2987619807 |
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