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從非侵入性的醫(yī)療程序，以及超靈敏的診斷儀器(qì)，光子器(qì)件在今天的生(shēng)物醫(yī)藥産業中，發揮不可(kě)或缺的作(zuò)用。過去的四分之一世紀裏，資深光學工程師(shī)借助先進的軟件工具與适時(shí)的設計(jì)，将這些(xiē)新技(jì)術(shù)引進市場(chǎng)。然而Photon Engineering公司堅信其光學工程軟件産品FRED，可(kě)以幫助并加快創新的步伐，使生(shēng)物醫(yī)學界的成員，更能直接、充分地參與這一進步的過程。FRED結合人(rén)機界面(GUI)，可(kě)任意建構幾何圖形，并可(kě)直接由此接口中獲得(de)其對象外觀，并擁有(yǒu)可(kě)滿足此一精密設計(jì)需求的強大(dà)計(jì)算(suàn)引擎之能力。而最能表達呈現FRED與生(shēng)物醫(yī)藥産業相關性的幾個(gè)熟悉但(dàn)創新的應用範例：諸如前房(fáng)視(shì)鏡、激光誘導熒光毛細管、以及人(rén)體(tǐ)皮膚模型。
生(shēng)醫(yī)光學組件 範例 1：前房(fáng)角鏡
在診斷和(hé)治療青光眼的過程中，能否監測虹膜和(hé)角膜角度是一個(gè)關鍵因素。要量測這個(gè)虹膜和(hé)角膜內(nèi)表面的夾角，必須使用前房(fáng)角鏡，通(tōng)由眼睛的入口處，照亮這些(xiē)表面，并且能高(gāo)效率的收集返回的光線。
一個(gè)精确的人(rén)眼模型，是進行(xíng)前房(fáng)角鏡模拟運算(suàn)中不可(kě)或缺的組件。以下圖1所顯示的是以FRED建構的人(rén)眼前庭部份的構造。此一特定的人(rén)眼模型，是根據Smith & Atchison以及Schwiergling所提出的人(rén)眼參考模型。此人(rén)眼模型的材料性質，則取材自Tuchin。而所有(yǒu)眼睛的主要組件，也都包含于此模型中，包括：角膜的前方和(hé)後方表面、虹膜、晶狀體(tǐ)和(hé)水(shuǐ)漾液。數(shù)種完整的人(rén)眼模型可(kě)于FRED安裝後目錄的範例數(shù)據夾下獲得(de)。
如果有(yǒu)需要對人(rén)眼模型的組件進行(xíng)修改一完整的多(duō)參數(shù)彙集的輸入對話(huà)窗口能給予使用者有(yǒu)效的定義其特性，如圖2 所示。
使用者可(kě)以直接在FRED人(rén)機化界面中存取曲率、孔徑、微調、定位、材質，散射，鍍膜與中心位置上(shàng)可(kě)視(shì)化的對象特性。
圖1. LED 模型：人(rén)眼的前房(fáng)部位
圖2. FRED的表面特性對話(huà)窗口
在人(rén)眼模型能使用的情況下，下一步将要建構前房(fáng)角鏡頭的模拟。FRED可(kě)以輕松的從CodeV、ZEMAX或OSLO彙入所設計(jì)的透鏡。在FRED中經由一個(gè)簡單的操作(zuò)，就可(kě)以将前房(fáng)角鏡定位在眼角膜上(shàng)。FRED對于每個(gè)表面，都存在一個(gè)局部坐(zuò)标系統。當加入任何一個(gè)對象時(shí)，可(kě)以相對地定位于其它的物件。如圖3所示，前房(fáng)角鏡頭被置于相對于眼角膜的外表面。
圖 3. 在任一坐(zuò)标系統定位一個(gè)對象.
實際上(shàng)，此前房(fáng)角鏡是藉由一種表面間(jiān)的指數(shù)匹配液耦合到角膜上(shàng)。FRED具有(yǒu)獨特的"膠合"特性，可(kě)以很(hěn)容易地插入這個(gè)指數(shù)匹配層。接觸這些(xiē)表面的操作(zuò)非常的簡單：進入前房(fáng)角鏡後表面的編輯模式，打開(kāi)"Gule"的目錄選項，選擇角膜前表面作(zuò)為(wèi)"膠合"面，最後選擇要粘合的材料。其操作(zuò)如圖4所示。圖5為(wèi)完整的幾何模型。
圖 4. “膠合”房(fáng)角鏡到角膜上(shàng)
圖5. FRED系統內(nèi)前房(fáng)角鏡和(hé)人(rén)眼模型的剖面圖
幾何模型建構完成後，仿真程序準備的下一步驟是建構光源，照亮眼睛前房(fáng)（在角膜和(hé)虹膜之間(jiān)）。标準前房(fáng)角鏡的程序指出，所需的最理(lǐ)想照明(míng)光源為(wèi)狹縫光源。于圖6展示的為(wèi)FRED光源設定對話(huà)窗口。Positions/Directions目錄選項可(kě)允許使用者設定所需的光線數(shù)、光源的尺寸和(hé)角度的特性。
圖 6. Source對話(huà)框的位置/方向目錄選項.
為(wèi)進行(xíng)更深入的分析，使用者或許需要的光源為(wèi)具有(yǒu)特殊的光頻譜信息、切趾角度或位置。這些(xiē)操作(zuò)以及許多(duō)其它關于光源的定義，都可(kě)以在Source對話(huà)窗口的各種目錄選項找到。使用者可(kě)以選擇如圖7所顯示的标準CDF波長，或如同圖8所示的來(lái)數(shù)字化光源光譜曲線。注意這兩個(gè)實例，FRED可(kě)将不同的波長以顔色區(qū)别，而易于觀看。
圖 7. 設定FRED中的光源頻譜
圖 8. 數(shù)字化包含頻譜數(shù)據的圖形創建一個(gè)FRED光源
增加光源所定義的切趾也是一簡單的操作(zuò)流程。在FRED中光源對話(huà)窗口內(nèi)的Power目錄選項中，提供了數(shù)種可(kě)預先定義切趾的選項，以供定制(zhì)所需的光源輪廓。圖9為(wèi)展示一高(gāo)斯特殊切趾類型的laser diode(雷射二極管;激光二極管)或 LED的典型範例：
圖 9. FRED光源高(gāo)斯空(kōng)間(jiān)切址法.
在置入光源之後，開(kāi)始去最佳化照明(míng)狀态後，一額外的顔色視(shì)學用于影(yǐng)像光線經過前房(fáng)角鏡後能讓使用者易于觀看。FRED提供數(shù)百種慣用的透鏡在七種熱門(mén)廠商數(shù)據庫中。此完整的光線追迹模型如圖10 所示。
圖 10. 前房(fáng)角鏡模型描光路徑圖。光線顔色代表特定的表面交集
在此文中，光線的顔色并不是根據波長而訂定的。FRED具有(yǒu)當光線碰擊到表面時(shí)，能将4種不同的情形以顔色區(qū)别出來(lái)：反射、穿透、散射或繞射。如圖11 ，從角膜後方表面散射的光線可(kě)改為(wèi)綠色，而從虹膜散射的光線為(wèi)紅色。
圖 11. 根據表面和(hé)交線的種類來(lái)設定顔色.
作(zuò)為(wèi)FRED中一個(gè)分析的範例，如圖12為(wèi)透鏡焦點的斑點圖，期能展示光線在虹膜與角膜內(nèi)的散射情形。上(shàng)圖與下圖對照着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(yǐng)像的撷取中我們能觀看出下圖具有(yǒu)一較小(xiǎo)或封閉的角度。
圖 12. 使用平面和(hé)曲面虹膜的點狀圖
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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