從非侵入性的醫(yī)療程序,以及超靈敏的診斷儀器,光子器件在今天的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中,發(fā)揮不可或缺的作用。過去的四分之一世紀(jì)里,資深光學(xué)工程師借助先進(jìn)的軟件工具與適時的設(shè)計,將這些新技術(shù)引進(jìn)市場。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(yī)學(xué)界的成員,更能直接、充分地參與這一進(jìn)步的過程。FRED結(jié)合人機(jī)界面(GUI),可任意建構(gòu)幾何圖形,并可直接由此接口中獲得其對象外觀,并擁有可滿足此一精密設(shè)計需求的強(qiáng)大計算引擎之能力。而最能表達(dá)呈現(xiàn)FRED與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)相關(guān)性的幾個熟悉但創(chuàng)新的應(yīng)用范例:諸如前房視鏡、激光誘導(dǎo)熒光毛細(xì)管、以及人體皮膚模型。
生醫(yī)光學(xué)組件 范例 1:前房角鏡
在診斷和治療青光眼的過程中,能否監(jiān)測虹膜和角膜角度是一個關(guān)鍵因素。要量測這個虹膜和角膜內(nèi)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。
一個精確的人眼模型,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(gòu)的人眼前庭部份的構(gòu)造。此一特定的人眼模型,是根據(jù)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(shù)種完整的人眼模型可于FRED安裝后目錄的范例數(shù)據(jù)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(shù)匯集的輸入對話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(jī)化界面中存取曲率、孔徑、微調(diào)、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的表面特性對話窗口
在人眼模型能使用的情況下,下一步將要建構(gòu)前房角鏡頭的模擬。FRED可以輕松的從CodeV、ZEMAX或OSLO匯入所設(shè)計的透鏡。在FRED中經(jīng)由一個簡單的操作,就可以將前房角鏡定位在眼角膜上。FRED對于每個表面,都存在一個局部坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)加入任何一個對象時,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(biāo)系統(tǒng)定位一個對象.
實際上,此前房角鏡是藉由一種表面間的指數(shù)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指數(shù)匹配層。接觸這些表面的操作非常的簡單:進(jìn)入前房角鏡后表面的編輯模式,打開"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(tǒng)內(nèi)前房角鏡和人眼模型的剖面圖
幾何模型建構(gòu)完成后,仿真程序準(zhǔn)備的下一步驟是建構(gòu)光源,照亮眼睛前房(在角膜和虹膜之間)。標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定對話窗口。Positions/Directions目錄選項可允許使用者設(shè)定所需的光線數(shù)、光源的尺寸和角度的特性。
圖 6. Source對話框的位置/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(biāo)準(zhǔn)CDF波長,或如同圖8所示的來數(shù)字化光源光譜曲線。注意這兩個實例,F(xiàn)RED可將不同的波長以顏色區(qū)別,而易于觀看。
圖 7. 設(shè)定FRED中的光源頻譜
圖 8. 數(shù)字化包含頻譜數(shù)據(jù)的圖形創(chuàng)建一個FRED光源
增加光源所定義的切趾也是一簡單的操作流程。在FRED中光源對話窗口內(nèi)的Power目錄選項中,提供了數(shù)種可預(yù)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)用于影像光線經(jīng)過前房角鏡后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廠商數(shù)據(jù)庫中。此完整的光線追跡模型如圖10 所示。
圖 10. 前房角鏡模型描光路徑圖。光線顏色代表特定的表面交集
在此文中,光線的顏色并不是根據(jù)波長而訂定的。FRED具有當(dāng)光線碰擊到表面時,能將4種不同的情形以顏色區(qū)別出來:反射、穿透、散射或繞射。如圖11 ,從角膜后方表面散射的光線可改為綠色,而從虹膜散射的光線為紅色。
圖 11. 根據(jù)表面和交線的種類來設(shè)定顏色.
作為FRED中一個分析的范例,如圖12為透鏡焦點的斑點圖,期能展示光線在虹膜與角膜內(nèi)的散射情形。上圖與下圖對照著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狀圖
參考文獻(xiàn):
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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