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

Optik ist die Lehre vom Licht und seinen Wechselwirkungen mit verschiedenen Materialien. Das klingt vielleicht nach einem weiteren naturwissenschaftlichen Thema, tatsächlich ist Optik jedoch sehr wichtig und in unserem Alltag allgegenwärtig. Im Laufe der Jahre haben viele Branchen optikbasierte Technologien eingesetzt, um innovative Lösungen zu entwickeln. In der Augenheilkunde wird Optik beispielsweise zur Entwicklung von Korrektionsbrillen, Kontaktlinsen und chirurgischen 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. Beispielsweise kann Predictive Analytics dabei helfen zu bestimmen, welche Patienten am meisten von komplexen Operationen wie LASIK profitieren würden. In diesem Artikel untersuchen wir, wie KI in der Optik eingesetzt wird, und erläutern die Vorteile und Herausforderungen. Legen wir los!

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 bei der Netzwerkkommunikation über Glasfaser.

KI in der Augenheilkunde und Optometrie#

Heutzutage wird KI im Gesundheitswesen immer häufiger eingesetzt. Insbesondere in der Optik verändert KI Bereiche wie die Augenheilkunde und Optometrie grundlegend. Die Augenheilkunde umfasst die Diagnose und Behandlung von Augenerkrankungen, während die Optometrie die Untersuchung der Augen auf Sehprobleme und die Verschreibung von Korrektionsbrillen umfasst. KI wird zur Diagnose, für personalisierte Behandlungen und zur Steigerung der Effizienz in der Augenversorgung eingesetzt.

So können KI-Systeme beispielsweise frühe Anzeichen von Krankheiten wie Glaukom und diabetischer Retinopathie erkennen. Laut der Glaucoma Research Foundation leiden allein in den USA mehr als drei Millionen Menschen an einem Glaukom, aber nur die Hälfte weiß davon. Diese Systeme können solche Augenerkrankungen frühzeitig erkennen und eine Behandlung früher einleiten, um Erblindung zu verhindern.

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

Abb. 1 Erkennung diabetischer Retinopathie mithilfe von KI.

KI-gestützte Herstellung und Entwicklung optischer Geräte#

KI sorgt auch bei der Entwicklung und Herstellung verschiedener optischer Geräte für Fortschritte. Im Bereich der Entwicklung kann generative KI dabei helfen, optische Geräte schnell zu entwerfen. Anschließend können KI-Systeme die Fertigungsprozesse überwachen und zur Kostensenkung beitragen. Schließlich können KI und Computer Vision eingesetzt werden, um gefertigte Produkte wie Glasfaserkabel oder Linsen zu prüfen und Fehler zu erkennen, die das menschliche Auge möglicherweise übersieht.

Aus diesem Grund prüfen viele Unternehmen, wie sie KI zur Entwicklung und Herstellung hochmoderner Linsen einsetzen können. EssilorLuxottica, ein führendes Unternehmen der Brillenglasbranche, hat große Mengen anonymisierter Daten aus Linsenbestellungen, Testdaten und internen Studien gesammelt. Das Unternehmen nutzt KI, um aus diesen Daten Erkenntnisse zu gewinnen, etwa über den Lebensstil der Kunden und Kennzahlen zur Linsenleistung, und diese zur Verbesserung des Linsendesigns einzusetzen. Außerdem wird verhaltensbasierte KI zur Entwicklung der neuesten Generation von Gleitsichtgläsern eingesetzt. Dabei wird das räumliche Verhalten der Patienten berücksichtigt – also wie sie Kopf und Augen bewegen, um ihre Umgebung zu betrachten –, damit komfortablere Linsen entwickelt werden können.

Abb. 2 Essilors neue Gleitsichtglaslinie, die Varilux®-XR-Serie™, wurde mithilfe von KI entwickelt.

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

• Personalisierung: KI kann dabei helfen, individuell angepasste Brillen zu entwickeln, die auf die spezifischen Bedürfnisse jedes Patienten zugeschnitten sind und sowohl den Tragekomfort als auch die Wirksamkeit verbessern.
• Modellierung des Verhaltens: Durch die Vorhersage des Sehverhaltens und der Augenbewegungen kann KI zur Entwicklung intuitiverer und leistungsfähigerer Linsen eingesetzt werden.
• Bessere Behandlungsergebnisse: Mit KI entwickelte Brillen können eine optimale Sehkorrektur ermöglichen und Probleme wie Augenbelastung, Kopfschmerzen und den „Schwimmeffekt“ reduzieren.
• Anpassung an moderne Anforderungen: Der Einsatz von KI bei der Brillenentwicklung ermöglicht es, den visuellen Anforderungen des modernen Lebens gerecht zu werden, etwa dem häufigen Wechsel zwischen digitalen Geräten und anderen Tätigkeiten.

Computer Vision ermöglicht virtuelles Anprobieren von Brillen#

Nachdem du deinen Augenarzt besucht, ein Rezept erhalten und dich für die benötigte Linsenart entschieden hast, gehst du normalerweise in ein Geschäft und probierst Brillen an. Computer-Vision-Technologie hat den Einzelhandel jedoch durch das virtuelle Anprobieren von Brillen bequem von zu Hause aus neu gestaltet. Unternehmen wie Lenskart setzen diese Innovation zunehmend ein, um das Kundenerlebnis zu verbessern.

Mithilfe fortschrittlicher Algorithmen und erweiterter Realität (AR) kann Computer Vision deine Gesichtszüge in Echtzeit erfassen. Dadurch lassen sich 3D-Modelle von Brillen nahtlos über dein Livebild legen. Die virtuellen Brillen können sich scheinbar natürlich mit deinem Kopf bewegen und sich an Blickwinkel und Lichtverhältnisse anpassen, sodass du realistisch sehen kannst, wie verschiedene Fassungen aussehen. Durch den Einsatz von maschinellem Lernen können diese Systeme sogar personalisierte Empfehlungen für Fassungen auf Grundlage deiner Gesichtsstruktur und Stilvorlieben geben.

Optische Netzwerkkommunikation mit KI und Glasfaser#

Was wäre, wenn deine superschnelle Internetverbindung noch schneller sein könnte? Genau das können KI-Algorithmen für Glasfaserkabel leisten. Diese Kabel sind wie Schnellstraßen für digitale Informationen, und KI kann dabei helfen, ihren Ausbau, ihre Verwaltung und ihre Leistung zu verbessern.

Durch die Optimierung von Entwürfen für Außenanlagen (OSP) macht KI den Ausbau von Breitbandnetzen effizienter und effektiver. OSP umfasst die gesamte physische Verkabelung und Infrastruktur, die für die Bereitstellung von Internetdiensten erforderlich ist, darunter Glasfaserkabel, Leitungen und zugehörige Geräte, die außerhalb von Gebäuden installiert werden. KI kann verschiedene Entwurfsszenarien simulieren, um die effizientesten und kostengünstigsten Lösungen zu ermitteln. Aufgaben wie die bedarfsgerechte Verwaltung der Bandbreitenkapazität werden dadurch einfacher. Insgesamt können Entwurfsaufgaben, die aufgrund von Überarbeitungen, wiederholten Rückfragen und manuellen Prozessen früher 45–60 Tage dauerten, nun in nur 25 Tagen mit KI abgeschlossen werden.

Abb. 3 Ein Bild eines arbeitenden OSP-Ingenieurs.

KI kann auch die Planung von Glasfasertrassen verbessern, indem historische Daten analysiert und mithilfe fortschrittlicher Algorithmen für maschinelles Lernen der künftige Bedarf vorhergesagt wird. Computer-Vision-Techniken wie Segmentierung können eingesetzt werden, um die Qualität der Glasfaser zu prüfen und Fehler zu erkennen. Durch die frühere Erkennung von Problemen lassen sich diese schneller beheben, wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten minimiert werden. Indem KI diese Prozesse effizienter macht, beschleunigt sie nicht nur den Breitbandausbau, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit und Qualität der Internetdienste – zum Vorteil städtischer wie abgelegener Gemeinden.

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

Da der globale Markt für fortschrittliche Optik bis 2032 voraussichtlich auf etwa $628,80 Milliarden wachsen wird, bietet KI im Bereich der Optik mehrere Vorteile. Hier sind einige der wichtigsten:

• Schnelle Prototypenerstellung: KI kann den Prozess der Prototypenerstellung beschleunigen, sodass Designer neue Brillendesigns schnell testen und überarbeiten können.
• Höhere Haltbarkeit: Optimierungsverfahren mit KI können dabei helfen, Materialien für robustere und langlebigere Brillen auszuwählen.
• Nachhaltigkeit: KI-gestützte Fertigung kann Abfälle reduzieren und die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses verbessern, indem die Ressourcennutzung optimiert wird.
• Integration intelligenter Technologien: Technologien wie KI können die Integration intelligenter Funktionen in Brillen erleichtern, etwa erweiterte Realität (AR) und Fitness-Tracking.

Auch wenn KI der Optik viele Vorteile bringt, müssen wir die Herausforderungen und ethischen Überlegungen berücksichtigen, die beim Einsatz von KI-Technologien beachtet werden müssen.

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

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

• Hohe Implementierungskosten: Die Implementierung von KI-Technologie kann erhebliche finanzielle Investitionen in Entwicklung, Integration und Schulung erfordern.
• Bedarf an technischen Kompetenzen: Der Einsatz von KI-Lösungen erfordert spezialisiertes Wissen und entsprechende Fähigkeiten, was zusätzliche Schulungen und Einstellungen notwendig machen kann.
• Regulatorische Herausforderungen: Die Einhaltung von Vorschriften für KI im Gesundheitswesen kann komplex sein und erfordert, dass du über sich weiterentwickelnde Standards auf dem Laufenden bleibst.
• Herausforderungen bei der Integration: Die Ergänzung bestehender Systeme um KI kann komplex und zeitaufwendig sein und erhebliche Änderungen an aktuellen Arbeitsabläufen erfordern.

Die Zukunft und Regulierung von KI in optischen Technologien#

Laut dem Nationalen Gesundheitsinstitut (USA) haben KI-Systeme bei Aufgaben wie der Erkennung und Einstufung 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, sind neue Regeln und Vorschriften für den Einsatz von KI in der Optik erforderlich. In Ländern wie den USA beginnen die Regierungen der Bundesstaaten bereits damit, den Einsatz von KI zu regulieren, um in der Gesundheitsversorgung Diskriminierung zu verhindern und den Schutz der Privatsphäre von Patienten zu gewährleisten. Es ist wahrscheinlich, dass wir künftig eine personalisierte Sehkorrektur erleben werden, bei der KI für jeden Patienten individuelle Lösungen entwickelt. Das würde zu Brillen und Behandlungen führen, die besser auf die Bedürfnisse jeder einzelnen Person zugeschnitten sind.

Ein weiterer Bereich der Optik, der dank KI in der Teleophthalmologie künftig an Bedeutung gewinnen könnte, ist die Teleophthalmologie. Teleophthalmologie bezeichnet den Einsatz von Telemedizin zur ortsunabhängigen Bereitstellung augenmedizinischer Leistungen. 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 Augenversorgung direkt zu den Menschen nach Hause bringen und eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Möglichkeiten zur Ferndiagnose und Fernbehandlung spielen. Das ist besonders für Menschen in abgelegenen oder unterversorgten Gebieten von Vorteil und kann dazu beitragen, dass sie rechtzeitig eine wirksame Versorgung erhalten.

Abb. 5 KI kann in Arbeitsabläufe integriert werden, um Patienten auf augenmedizinische Beschwerden zu untersuchen.

Vielversprechende Aussichten für KI und Optik#

KI verändert den Bereich der Optik rasant – vom Gesundheitswesen bis zur Fertigung. Sie verbessert medizinische Diagnosen, personalisiert Behandlungen und optimiert Produktionsprozesse. Zwar bestehen Herausforderungen wie die Einhaltung regulatorischer Vorgaben und der Datenschutz, doch die potenziellen Vorteile sind enorm. KI steht kurz davor, durch Fortschritte in der Optik die Art und Weise zu verändern, wie wir die Welt sehen und mit ihr interagieren.

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