|
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業中，發揮不可或缺的作用。過去的四分之一世紀里，資深光學工程師借助先進的軟件工具與適時的設計，將這些新技術引進市場。然而Photon Engineering公司堅信其光學工程軟件產品FRED，可以幫助并加快創新的步伐，使生物醫學界的成員，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，并擁有可滿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與生物醫藥產業相關性的幾個熟悉但創新的應用范例：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，能否監測虹膜和角膜角度是一個關鍵因素。要量測這個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。
一個精確的人眼模型，是進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，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行修改一完整的多參數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系統。當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. 在任一坐標系統定位一個對象.
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匹配層。接觸這些表面的操作非常的簡單：進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光源設定對話窗口。Positions/Directions目錄選項可允許使用者設定所需的光線數、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所顯示的標準CDF波長，或如同圖8所示的來數字化光源光譜曲線。注意這兩個實例，FRED可將不同的波長以顏色區別，而易于觀看。
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后，一額外的顏色視學用于影像光線經過前房角鏡后能讓使用者易于觀看。FRED提供數百種慣用的透鏡在七種熱門廠商數據庫中。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波長而訂定的。FRED具有當光線碰擊到表面時，能將4種不同的情形以顏色區別出來：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. 根據表面和交線的種類來設定顏色.
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：
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.
|
