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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，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(guò)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(shí)的設(shè)計(jì)，將這些新技術(shù)引進(jìn)市場(chǎng)。然而Photon Engineering公司堅(jiān)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(guò)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(duì)象外觀，并擁有可滿足此一精密設(shè)計(jì)需求的強(qiáng)大計(jì)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(gè)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(guò)程中，能否監(jiān)測(cè)虹膜和角膜角度是一個(gè)關(guān)鍵因素。要量測(cè)這個(gè)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(gè)精確的人眼模型，是進(jìn)行前房角鏡模擬運(yùn)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(duì)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(duì)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(duì)象特性。
圖1. LED 模型：人眼的前房部位
圖2. FRED的表面特性對(duì)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(jì)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(duì)于每個(gè)表面，都存在一個(gè)局部坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)加入任何一個(gè)對(duì)象時(shí)，可以相對(duì)地定位于其它的物件。如圖3所示，前房角鏡頭被置于相對(duì)于眼角膜的外表面。
圖 3. 在任一坐標(biāo)系統(tǒng)定位一個(gè)對(duì)象.
實(shí)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(dú)特的"膠合"特性，可以很容易地插入這個(gè)指數(shù)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(xiàng)，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(duì)話窗口。Positions/Directions目錄選項(xiàng)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(duì)話框的位置/方向目錄選項(xiàng).
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(duì)話窗口的各種目錄選項(xiàng)找到。使用者可以選擇如圖7所顯示的標(biāo)準(zhǔn)CDF波長(zhǎng)，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(shí)例，F(xiàn)RED可將不同的波長(zhǎng)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(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(duì)話窗口內(nèi)的Power目錄選項(xiàng)中，提供了數(shù)種可預(yù)先定義切趾的選項(xiàng)，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(kāi)始去最佳化照明狀態(tài)后，一額外的顏色視學(xué)用于影像光線經(jīng)過(guò)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(mén)廠商數(shù)據(jù)庫(kù)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(zhǎng)而訂定的。FRED具有當(dāng)光線碰擊到表面時(shí)，能將4種不同的情形以顏色區(qū)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(lái)設(shè)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，期能展示光線在虹膜與角膜內(nèi)的散射情形。上圖與下圖對(duì)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(diǎn)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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