FRED案例展示：前房角镜的仿真

简介

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。只有借助成熟的软件工具和经验丰富的光学工程师，以及将这些新技术的及时设计和快速投放市场应用并解决实际问题。Photon Engineering公司坚信其光学工程产品FRED软件有助于加快生物医学领域的创新步伐。FRED结合了直观的图形用户界面和强大的计算引擎，能够满足最苛刻的要求及应用需求。

FRED与生物医药行业的相关性代表，可以通过几个熟悉且具有创新性的应用来表现，例如前房角镜、毛细管中的激光诱导荧光和人体皮肤模型。

前房角镜

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，通过照明眼睛的入口处，并且能高效率的收集反射的光线，可以准确的测量虹膜和角膜内表面的夹角。

为了开始模拟测试测角仪，需要一个精确的人眼模型[1]。基于相关文献的模型可在FRED的案例库文件夹中找到[2][3] (如图1所示 )，眼睛的基本模型包括：角膜前后表面、虹膜、眼晶状体和房水。若要修改眼睛模型的任何方面，只需双击待改元素即可打开人眼组件的多选项卡对话框并修改相关参数。

图1.FRED模型：人眼前部

下一步的工作是对前房角镜镜头进行建模。FRED允许导入在CodeV、Zemax或OSLO中设计的透镜。FRED为每个表面保持一个局部坐标系，允许前房角镜相对于角膜准确定位。在实际应用中，透镜通过折射率匹配液与角膜耦合。FRED具有独特的"粘合"特性，可以很容易地插入该层表面。为了接触表面，对前房角镜的后表面输入编辑模式(如图2所示 )，点击“Glue”标签选项卡，选择“Cornea”外表面作为待粘合表面。最后，选择用于涂胶的材料。

图2.前房角镜“胶合”到眼角膜

照明眼睛的入口处的光源可通过FRED软件中详细光源类型设置（如图3所示）。

图3.详细光源设置对话框

“Positions/Directions”选项卡指定光源尺寸、光源光线数量和光源光线发射角度属性。“波长”标签选项卡，为光源的光谱提供了选项。“Power”选项卡设置总光源功率并指定任意空间切趾。

完整的光线追迹模型如图4所示。FRED有能力在四种不同的条件下对光线赋予颜色：反射、透射、散射或衍射。射线颜色可以在特定表面的Coating / Ray Control标签下进行分配。在本案例中，从角膜后表面散射的光线变为绿色，从虹膜散射的光线变为红色。

图4.前房角镜模型的光线追迹路径，光线颜色表示特定的表面交叉点

图5显示了从虹膜和角膜散射光线在透镜焦点处的点列图。左图和右图对比了平顶虹膜和弯曲虹膜之间的差异。正如预期所示，我们可以在左图中看到用弧形虹膜剪切的图像。

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.