Case Study:
How Optics are Shaping Respiratory Research

光学系统：远心照明与成像

左博士和他的团队使用一种称为液滴形状分析的研究方法，通过精确测量液滴的轮廓来确定表面张力。在研究这些液滴时，最重要的因素是能够清晰显示其形状和边界，这需要提供很高边缘对比度。为此，需要使用远心照明器为液滴提供照明，照明器面向对面的相机。相机装有远心镜头，以消除视差误差，从而可以准确测量液滴的大小和形状。当使用系统时，呼吸模拟器模仿人类肺部的行为，同时成像系统捕捉振荡液滴的变化特性。

远心照明器是该系统成功的一个关键因素，因为它发射校准的平行光线，在对物体成像时能够产生清晰的边缘。通过在系统中加入远心照明器，可以清晰捕捉液滴的形状，并使用毛细作用拉普拉斯方程确定其表面张力。远心成像镜头通过消除视差或透视误差进一步提高精度，在传统成像系统中，视差或透视误差会使距离较远的物体看起来比距离较近的物体小。在本页底部的远心照明和成像应用说明中可以了解更多信息。

左博士的实验室使用的系统布局基本情况如下图所示，它使用远心背光照明器、远心成像镜头、相机和支持光学机械，所有这些都由爱特蒙特光学提供（图 2)。  

图 2：包括远心背光照明和成像的基本光学系统设置。

研究应用

肺表面活性物质研究

肺表面活性物质研究包括研究纯化动物肺表面活性物质的表面张力，以及它们在表面活性剂膜压缩和膨胀时如何在人体呼吸模拟中起作用。多年来，这一研究受到关注，并在美国大陆的医院中得到应用，包括辛辛那提儿童医院和纽约州立大学上州医学院。这项研究的主要受益者是新生儿重症监护病房 (NICU) 的婴儿，因为早产儿易患呼吸窘迫综合征。

图 3：如果没有足够的肺表面活性物质，早产儿的肺泡将塌陷，如上图所示。这是呼吸窘迫综合征的一种症状，通常是致命的。¹

对 COVID-19 的响应

在 COVID-19 大流行的早期阶段，关于病毒如何传播的信息相对较少。一发现病毒通过空气传播并经由呼吸道飞沫传播，生物胶体和生物界面实验室就抓住机会为应对大流行做出贡献。该团队利用先前为研究肺表面活性物质而开发的技术来模拟病毒的气溶胶传播。由于表面活性剂是保护肺部免受外来颗粒物和病原体侵害的第一道防线，因此在该应用中使用了表面活性剂。通过在表面活性剂模拟中引入气溶胶并利用以前的分析模式，在微观水平上研究了病毒的传播。此外，通过研究携带 COVID-19 的气溶胶，还分析了对肺部的影响。COVID-19 致死的部分原因是许多患者因肺部感染而引发的急性呼吸窘迫综合征。左博士和他的合作者现在正在研究使用肺表面活性物质作为支持疗法治疗 COVID-19 患者的可能性。

环境问题

现在，气候变化和环境保护比以往任何时候都更处于科学研究的前沿，更具体地说，是侧重于气候变化影响和人类健康的研究。丹麦国家工作环境研究中心利用左博士及其团队开发的系统模拟呼吸，研究人类对污染大气的有害气溶胶的反应。方法是通过将气溶胶粒子引入表面活性剂并观察反应。研究人员研究气溶胶颗粒物对人体呼吸的影响是一种巧合，因此可以寻找对抗任何有害影响的方案。这一过程类似于 COVID-19 反应，即在肺表面活性物质研究中采用液滴形状分析，以了解呼吸作为一个整体是如何受到影响的。  

参考

1. Zuo, Y. (2009). Laboratory of Biocolloids and Biointerfaces.
   http://www2.hawaii.edu/~yzuo/index.html