Von der Augenversorgung bis zur Glasfasertechnik: Die Rolle von KI in der Optik

Die Optik ist die Lehre vom Licht und seinen Wechselwirkungen mit verschiedenen Materialien. Das klingt vielleicht nach einem weiteren naturwissenschaftlichen Thema, spielt aber tatsächlich eine wichtige Rolle in unserem Alltag. Im Laufe der Jahre haben viele Branchen optikbasierte Technologien eingesetzt, um innovative Lösungen zu entwickeln. In der Augenheilkunde wird Optik beispielsweise für die Entwicklung von Korrektur- und Kontaktlinsen sowie für chirurgische Verfahren wie LASIK genutzt. In der Fertigung spielt Optik eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Kameras, Teleskopen, Ferngläsern und Glasfasernetzen für eine schnellere Kommunikation.

Künstliche Intelligenz (AI) wird eingesetzt, um viele dieser optikbasierten Lösungen zu verbessern. So kann etwa prädiktive Analytik dabei helfen, festzustellen, welche Patienten am meisten von komplexen Eingriffen wie einer LASIK-Operation profitieren würden. In diesem Artikel sehen wir uns an, wie KI in der Optik eingesetzt wird, welche Vorteile sie bietet und welche Herausforderungen sie mit sich bringt.

Wie wird KI im Bereich der Optik eingesetzt?#

Sehen wir uns zunächst einige Anwendungen von KI in der Optik an, etwa in der Augenheilkunde, bei der Herstellung optischer Geräte und in der Netzwerkkommunikation über Glasfaser.

KI in der Augenheilkunde und Optometrie#

Heutzutage wird KI im Gesundheitswesen immer häufiger eingesetzt. Besonders in der Optik verändert KI die Bereiche Augenheilkunde und Optometrie. Die Augenheilkunde umfasst die Diagnose und Behandlung von Augenerkrankungen, während die Optometrie Augen auf Sehprobleme untersucht und Korrekturlinsen verschreibt. KI kommt bei der Diagnose und personalisierten Behandlung sowie zur Verbesserung der Effizienz in der Augenversorgung zum Einsatz.

KI-Systeme können beispielsweise dabei helfen, frühe Anzeichen von Krankheiten wie Glaukom und diabetischer Retinopathie zu erkennen. Nach Angaben der Glaucoma Research Foundation haben allein in den USA mehr als drei Millionen Menschen ein Glaukom, doch nur die Hälfte weiß davon. Diese Systeme können Ärzten helfen, solche Augenkrankheiten frühzeitig zu erkennen und früher mit der Behandlung zu beginnen, um Erblindung vorzubeugen.

Googles Automated Retinal Disease Assessment (ARDA) ist ein gutes Beispiel dafür, wie Vision-KI die Augenversorgung verbessern kann. Google arbeitete mit einer großen Gruppe von Augenärzten zusammen, um ein KI-Modell anhand von mehr als 100.000 Netzhautscans zu trainieren. Ziel war es, ein System zu entwickeln, das mithilfe der Bildklassifizierung eine diabetische Retinopathie erkennen kann. Einer der größten Vorteile von ARDA ist, dass das System in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann, in denen der Zugang zur Augenversorgung möglicherweise eingeschränkt ist.

Abb. 1. Diabetische Retinopathie mithilfe von KI erkennen.

KI-gestützte Fertigung und Entwicklung optischer Geräte#

KI verändert auch die Entwicklung und Herstellung verschiedener optischer Geräte. Bei der Entwicklung kann generative KI nützlich sein, um optische Geräte schnell zu entwerfen. Anschließend können KI-Systeme Fertigungsprozesse überwachen und zur Kostensenkung beitragen. Schließlich lassen sich KI und Computer Vision einsetzen, um bei hergestellten Produkten wie Glasfaserkabeln oder Linsen Mängel zu erkennen, die dem menschlichen Auge möglicherweise entgehen.

Deshalb prüfen viele Unternehmen, wie sie KI zur Entwicklung und Fertigung hochmoderner Linsen nutzen können. EssilorLuxottica, ein führendes Unternehmen der Augenlinsenbranche, hat große Mengen anonymisierter Daten zu Linsenbestellungen, Testergebnissen und internen Studien gesammelt. Das Unternehmen nutzt KI, um daraus Erkenntnisse über den Lebensstil der Verbraucher und Kennzahlen zur Linsenleistung zu gewinnen und damit Linsendesigns zu verbessern. Auch bei der Entwicklung der neuesten Generation von Gleitsichtlinsen kommt verhaltensbasierte KI zum Einsatz. Dabei wird das räumliche Verhalten der Patienten berücksichtigt – also wie sie Kopf und Augen bewegen, um ihre Umgebung wahrzunehmen –, damit komfortablere Linsen entwickelt werden können.

Abb. 2. Essilors neue Gleitsichtlinsenreihe, die Varilux® XR Series™, wurde mithilfe von KI entwickelt.

Hier sind einige Vorteile des Einsatzes von KI bei der Entwicklung von Brillen:

• Personalisierung: KI kann dabei helfen, Brillen individuell an die Bedürfnisse jedes Patienten anzupassen und dadurch sowohl den Tragekomfort als auch die Wirksamkeit zu verbessern.
• Modellierung des Verhaltens: KI kann visuelles Verhalten und Augenbewegungen vorhersagen und so zur Entwicklung intuitiverer und leistungsfähigerer Linsen beitragen.
• Bessere Behandlungsergebnisse: KI-entwickelte Brillen können eine optimale Sehkorrektur ermöglichen und Probleme wie Augenbelastung, Kopfschmerzen und den „Schwimmeffekt“ verringern.
• Anpassung an moderne Anforderungen: Mithilfe von KI entwickelte Brillen können den visuellen Anforderungen des modernen Lebens gerecht werden, etwa dem häufigen Wechsel zwischen digitalen Geräten und anderen Tätigkeiten.

Computer Vision ermöglicht virtuelle Brillenanproben#

Nachdem du deinen Augenarzt besucht, ein Rezept erhalten und dich für die benötigten Linsen entschieden hast, gehst du normalerweise als Nächstes in ein Geschäft, um Brillen anzuprobieren. Computer Vision hat den Einzelhandel jedoch mit virtuellen Brillenanproben von zu Hause aus neu gestaltet. Unternehmen wie Lenskart setzen diese Innovation bereits ein, um das Kundenerlebnis zu verbessern.

Mithilfe fortschrittlicher Algorithmen und erweiterter Realität (AR) kann Computer Vision deine Gesichtszüge in Echtzeit erfassen. Anschließend lassen sich 3D-Modelle von Brillen über dein Live-Videobild legen. Die virtuelle Brille kann sich natürlich mit deinem Kopf bewegen und sich an Blickwinkel und Beleuchtung anpassen, sodass du realistisch siehst, wie verschiedene Fassungen aussehen. Durch den Einsatz von maschinellem Lernen können diese Systeme sogar personalisierte Empfehlungen für Brillenfassungen anbieten, die auf deiner Gesichtsform und deinen Stilvorlieben basieren.

Optische Netzwerkkommunikation mit KI und Glasfasertechnik#

Was wäre, wenn deine Internetverbindung noch schneller und zuverlässiger sein könnte? KI-Algorithmen können dazu beitragen, dies für Glasfasernetze zu erreichen. Diese Kabel sind wie Schnellstraßen für digitale Informationen, und KI kann beim Ausbau, der Verwaltung und der Leistungsverbesserung helfen.

Durch die Optimierung der Planung von Außenanlagen (OSP) macht KI den Ausbau von Breitbandnetzen effizienter. OSP umfasst sämtliche physischen Kabel und Infrastrukturen, die zur Bereitstellung von Internetdiensten benötigt werden, darunter Glasfaserkabel, Leerrohre und zugehörige Ausrüstung, die außerhalb von Gebäuden installiert werden. KI kann verschiedene Planungsszenarien simulieren, um die effizientesten und kostengünstigsten Lösungen zu ermitteln. Aufgaben wie die bedarfsgerechte Verwaltung der Bandbreitenkapazität werden dadurch einfacher. Insgesamt lassen sich Planungsaufgaben, die aufgrund von Nacharbeiten, wiederholten Rückfragen und manuellen Prozessen früher 45 bis 60 Tage dauerten, mit KI nun in nur 25 Tagen erledigen.

Abb. 3. Ein OSP-Ingenieur bei der Arbeit.

KI kann auch die Planung von Glasfasertrassen verbessern, indem sie historische Daten analysiert und mithilfe fortschrittlicher Algorithmen des maschinellen Lernens den künftigen Bedarf vorhersagt. Computer-Vision-Techniken wie die Segmentierung können eingesetzt werden, um die Qualität der Glasfaser zu prüfen und Fehler zu erkennen. Werden Probleme früher entdeckt, lassen sie sich schneller beheben, wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten sinken. Indem KI diese Prozesse effizienter macht, beschleunigt sie nicht nur den Breitbandausbau, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit und Qualität der Internetdienste – zum Vorteil städtischer und abgelegener Gemeinden.

Vor- und Nachteile des Einsatzes von KI in der Optik#

Da der weltweite Markt für fortschrittliche Optik bis 2032 voraussichtlich auf etwa 628,80 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, bietet KI in diesem Bereich zahlreiche Vorteile. Hier sind einige der wichtigsten:

• Schnelles Prototyping: KI kann den Prototyping-Prozess beschleunigen, sodass Designer neue Brillendesigns schnell testen und weiterentwickeln können.
• Höhere Haltbarkeit: KI-gestützte Optimierung kann bei der Materialauswahl helfen, um langlebigere und robustere Brillen herzustellen.
• Nachhaltigkeit: KI-gestützte Fertigung kann Abfälle reduzieren und die Nachhaltigkeit der Produktion verbessern, indem sie den Ressourceneinsatz optimiert.
• Integration intelligenter Technologien: Technologien wie KI können die Integration intelligenter Funktionen in Brillen erleichtern, etwa erweiterte Realität (AR) und Fitness-Tracking.

KI bietet der Optik zwar viele Vorteile, doch müssen wir auch die Herausforderungen und ethischen Aspekte berücksichtigen, die beim Einsatz von KI-Technologien angegangen werden müssen.

Abb. 4. Herausforderungen bei der Einführung von KI in der Augenheilkunde (Quelle: thelancet.com).

Hier sind einige Herausforderungen beim Einsatz von KI in der Optik:

• Hohe Implementierungskosten: Die Einführung von KI-Technologie kann erhebliche finanzielle Investitionen in Entwicklung, Integration und Schulung erfordern.
• Bedarf an technischen Fachkenntnissen: Für den Einsatz von KI-Lösungen sind Fachwissen und spezielle Fähigkeiten erforderlich, was zusätzliche Schulungen und Neueinstellungen erforderlich machen kann.
• Regulatorische Herausforderungen: Die Einhaltung der Vorschriften für KI im Gesundheitswesen kann komplex sein und erfordert, dass du dich über sich wandelnde Standards auf dem Laufenden hältst.
• Herausforderungen bei der Integration: KI in bestehende Systeme einzubinden, kann komplex und zeitaufwendig sein und erhebliche Änderungen an den aktuellen Arbeitsabläufen erfordern.

Die Zukunft und Regulierung von KI in optischen Technologien#

Laut einer in PubMed Central veröffentlichten Übersichtsarbeit haben KI-Systeme bei Aufgaben wie dem Erkennen und Einstufen diabetischer Retinopathie genauso gut oder sogar besser abgeschnitten als erfahrene Augenärzte. Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse wurden nur sehr wenige KI-Systeme in realen klinischen Umgebungen eingesetzt. Gründe dafür sind Herausforderungen wie Datenverzerrungen und Datenschutz.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, braucht es neue Vorschriften und Regelungen für den Einsatz von KI in der Optik. In Ländern wie den USA beginnen Regierungen auf Bundesstaatenebene bereits, den Einsatz von KI zu regulieren, um Diskriminierung zu verhindern und die Privatsphäre von Patienten zu schützen. Wahrscheinlich werden wir zunehmend personalisierte Sehkorrekturen sehen, bei denen KI maßgeschneiderte Lösungen für jeden Patienten entwickelt. Dadurch entstehen Brillen und Behandlungen, die besser auf die Bedürfnisse jeder einzelnen Person zugeschnitten sind.

Ein weiterer Bereich der Optik, der dank KI künftig an Bedeutung gewinnen könnte, ist die Teleophthalmologie. Teleophthalmologie bezeichnet die Nutzung der Telemedizin für die augenärztliche Versorgung aus der Ferne. Stell dir vor, du machst ein Foto von deinem Auge und ein KI-Modell analysiert es, um dich über deine Augengesundheit zu informieren. KI kann die augenärztliche Versorgung direkt zu den Menschen nach Hause bringen und eine wichtige Rolle bei der Ferndiagnose und der Bereitstellung von Behandlungsmöglichkeiten spielen. Das ist besonders für Menschen in abgelegenen oder unterversorgten Gebieten von Vorteil und kann dazu beitragen, dass sie rechtzeitig und wirksam versorgt werden.

Abb. 5. KI kann in Arbeitsabläufe integriert werden, um Patienten auf mögliche Augenprobleme zu untersuchen.

Ein vielversprechender Ausblick auf KI und Optik#

KI verändert die Optik rasant – vom Gesundheitswesen bis zur Fertigung. Sie verbessert medizinische Diagnosen, ermöglicht personalisierte Behandlungen und optimiert Produktionsprozesse. Zwar gibt es Herausforderungen wie die Einhaltung von Vorschriften und den Datenschutz, doch das Potenzial ist beträchtlich. Fortschritte in der Optik werden mithilfe von KI grundlegend verändern, wie wir die Welt sehen und mit ihr interagieren.

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