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

Optik ist die Lehre vom Licht und seiner Wechselwirkung mit verschiedenen Materialien. Es mag wie ein weiteres wissenschaftliches Thema klingen, ist aber tatsächlich sehr wichtig und in unserem täglichen Leben fest verankert. Im Laufe der Jahre haben viele Branchen optikbasierte Technologien integriert, um innovative Lösungen zu schaffen. Beispielsweise werden in der Augenheilkunde (Ophthalmologie) Optiken eingesetzt, um Korrekturlinsen, Kontaktlinsen und chirurgische Eingriffe wie LASIK zu entwickeln. In der manufacturing spielt die Optik eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Kameras, Teleskopen, Ferngläsern und Glasfasernetzen für eine schnellere Kommunikation.

Künstliche Intelligenz (KI) wird eingesetzt, um viele dieser optikbasierten Lösungen zu verbessern. Beispielsweise kann predictive analytics dabei helfen festzustellen, welche Patienten am meisten von komplexen Operationen wie LASIK profitieren würden. In diesem Artikel untersuchen wir, wie KI in der Optik eingesetzt wird, und beleuchten die damit verbundenen Vorteile und Herausforderungen. Fangen wir an!

Wie wird KI im Bereich der Optik eingesetzt?#

Lass uns zunächst einige Anwendungen von KI in der Optik verstehen, wie etwa in der Augenheilkunde, der manufacturing von optischen Geräten und der Netzwerkkommunikation über Glasfaser.

KI in der Augenheilkunde und Optometrie#

Heutzutage wird AI in healthcare immer üblicher. Insbesondere in der Optik revolutioniert KI Bereiche wie Ophthalmologie und Optometrie. Die Ophthalmologie umfasst die Diagnose und Behandlung von Augenerkrankungen, während die Optometrie die Untersuchung der Augen auf Sehfehler und die Verschreibung von Korrekturlinsen beinhaltet. KI wird für Diagnosen, personalisierte Behandlungen und zur Steigerung der Effizienz in der Augenpflege eingesetzt.

So können KI-Systeme beispielsweise dabei helfen, frühe Anzeichen von Krankheiten wie Glaukom (Grüner Star) und diabetischer Retinopathie zu erkennen. Laut der Glaucoma Research Foundation haben allein in den USA über three million Menschen ein Glaukom, aber nur die Hälfte von ihnen weiß davon. Diese Systeme können solche Augenkrankheiten frühzeitig erkennen und früher mit der Behandlung beginnen, um eine Erblindung zu verhindern.

Das Automated Retinal Disease Assessment (ARDA) von Google ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie Vision-KI die Augenpflege verbessern kann. Google hat sich mit einer großen Gruppe von Augenärzten zusammengetan, um ein KI-Modell anhand von über 100.000 Netzhautscans zu trainieren. Das Ziel war es, ein System zu entwickeln, das diabetische Retinopathie mittels image classification detect kann. Einer der größten Vorteile von ARDA ist, dass es in Entwicklungsländern eingesetzt werden kann, in denen der Zugang zur Augenpflege möglicherweise eingeschränkt ist.

Fig 1. Verwendung von KI zur Erkennung diabetischer Retinopathie.

KI-gestützte Fertigung und Konstruktion optischer Geräte#

KI sorgt auch beim Design und in der Herstellung verschiedener optischer Geräte für Furore. Im Hinblick auf das Design kann generative AI nützlich sein, um optische Geräte schnell zu entwerfen. KI-Systeme können dann eingreifen, um die Herstellungsprozesse zu überwachen und zur Kostensenkung beizutragen. Schließlich können KI und Computer Vision verwendet werden, um Fehler in hergestellten Produkten wie Glasfaserkabeln oder Linsen zu inspizieren und zu erkennen, die dem menschlichen Auge entgehen könnten.

Zu diesem Zweck untersuchen viele Unternehmen den Einsatz von KI bei der Entwicklung und Herstellung modernster Linsen. EssilorLuxottica, ein Marktführer in der Brillenglasindustrie, hat riesige Mengen an anonymisierten Daten aus Linsenbestellungen, Testdaten und internen Studien gesammelt. Sie nutzen KI, um Wissen aus diesen Daten zu extrahieren, wie etwa Einblicke in den Lebensstil der Verbraucher und Leistungskennzahlen für Linsen, und verwenden dies, um das Linsendesign zu verbessern. Sie setzen zudem verhaltensorientierte KI ein, um ihre neueste Generation von Gleitsichtgläsern zu entwickeln. Dabei wird das räumliche Verhalten des Patienten (wie er Kopf und Augen bewegt, um seine Umgebung wahrzunehmen) berücksichtigt, um bequemere Linsen zu entwerfen.

Fig 2. Die neue Gleitsichtglas-Linie von Essilor, die Varilux® XR series™, wurde mithilfe von KI entwickelt.

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

• Personalisierung: KI kann dabei helfen, maßgeschneiderte Brillen zu erstellen, die auf die spezifischen Bedürfnisse jedes Patienten zugeschnitten sind, was sowohl den Komfort als auch die Wirksamkeit verbessert.
• Verhaltensmodellierung: Durch die Vorhersage des Sehverhaltens und der Augenbewegungen kann KI dazu beitragen, intuitivere und leistungsfähigere Linsen zu entwickeln.
• Bessere Patientenergebnisse: KI-designte Brillen können für eine optimale Sehkorrektur sorgen und Probleme wie Überanstrengung der Augen, Kopfschmerzen und den sogenannten „Schwimmeffekt“ reduzieren.
• Anpassungsfähigkeit an moderne Bedürfnisse: Die Verwendung von KI beim Brillendesign ermöglicht es, den visuellen Anforderungen des modernen Lebens gerecht zu werden, wie etwa dem häufigen Wechsel zwischen digitalen Geräten und anderen Aufgaben.

Computer Vision ermöglicht virtuelle Anproben für Brillen#

Sobald du bei deinem Augenarzt warst, ein Rezept erhalten und dich für den Brillentyp entschieden hast, gehst du normalerweise in ein Geschäft, um eine Brille anzuprobieren. Die Computer-Vision-Technologie hat jedoch den retail-Prozess durch virtuelle Anproben von Brillen bequem von zu Hause aus neu erfunden. Unternehmen wie Lenskart haben begonnen, diese Innovation zu nutzen, um das Kundenerlebnis zu verbessern.

Mithilfe fortschrittlicher Algorithmen und Augmented Reality (AR) kann Computer Vision deine Gesichtszüge in Echtzeit erfassen. Auf diese Weise können 3D-Modelle von Brillen nahtlos in deinen Live-Videostream eingeblendet werden. Die virtuelle Brille scheint sich natürlich mit deinem Kopf zu bewegen und sich an Winkel und Beleuchtung anzupassen, um einen realistischen Eindruck davon zu vermitteln, wie verschiedene Fassungen aussehen werden. Durch den Einsatz von maschinellem Lernen können diese Systeme sogar personalisierte Brillengestell-Empfehlungen basierend auf deiner facial structure und deinen Stilpräferenzen anbieten.

Optische Netzwerkkommunikation mit KI und Glasfasertechnik#

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

Durch die Optimierung von Outside Plant (OSP)-Designs macht KI den Ausbau von Breitbandnetzen effizienter und effektiver. OSP bezieht sich auf die gesamte physische Verkabelung und Infrastruktur, die zur Bereitstellung von Internetdiensten erforderlich ist, einschließlich Glasfaserkabeln, Kabelschutzrohren und zugehöriger Ausrüstung, die außerhalb von Gebäuden installiert wird. KI kann dabei helfen, verschiedene Designszenarien zu simulieren, um die effizientesten und kostengünstigsten Lösungen zu ermitteln. Aufgaben wie die Verwaltung der Bandbreitenkapazität je nach Bedarf werden einfacher. Insgesamt können Designaufgaben, die aufgrund von Nacharbeiten, wiederholten Rückfragen und manuellen Prozessen früher 45–60 Tage gedauert haben, now be completed in just 25 days with AI.

Fig 3. Ein Bild eines arbeitenden OSP-Ingenieurs.

KI kann auch die Glasfaserroutenplanung verbessern, indem sie historische Daten analysiert und die zukünftige Nachfrage mithilfe fortschrittlicher Algorithmen für maschinelles Lernen vorhersagt. Computer vision techniques wie segmentation können verwendet werden, um die Qualität der Glasfaser zu prüfen und Fehler zu erkennen. Durch das frühere Aufdecken von Problemen können diese schneller behoben werden, wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten minimiert werden. Indem sie diese Prozesse effizienter gestaltet, beschleunigt die KI nicht nur den Breitbandausbau, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit und Qualität der Internetdienste, wovon letztendlich sowohl städtische als auch abgelegene Gemeinden profitieren.

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

Da der weltweite Markt für fortschrittliche Optik bis 2032 voraussichtlich auf etwa $628.80 billion anwachsen wird, bietet KI im Bereich der Optik mehrere Vorteile. Hier sind einige der Hauptvorteile:

• Rapid Prototyping: KI kann den Prototyping-Prozess beschleunigen und Designern ermöglichen, neue Brillendesigns schnell zu testen und zu iterieren.
• Verbesserte Haltbarkeit: Optimierungstechniken, die KI verwenden, können helfen, Materialien auszuwählen, um haltbarere und langlebigere Brillen herzustellen.
• Sustainability: KI-gestützte Fertigung kann Abfall reduzieren und die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses durch die Optimierung der Ressourcennutzung verbessern.
• Integration with smart technology: Technologien wie KI können die Integration intelligenter Funktionen in Brillen erleichtern, wie etwa Augmented Reality (AR) und fitness tracking.

Es stimmt zwar, dass KI viele Vorteile für die Optik bringt, aber wir müssen die Herausforderungen und ethical considerations berücksichtigen, die bei der Nutzung von KI-Technologien beachtet werden müssen.

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

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

• High implementation costs: Die Implementierung von KI-Technologie erfordert möglicherweise erhebliche finanzielle Investitionen für Entwicklung, Integration und Schulung.
• Bedarf an technischem Fachwissen: Der Einsatz von KI-Lösungen erfordert spezielles Wissen und Fähigkeiten, was zusätzliche Schulungen und Neueinstellungen bedeuten kann.
• Regulatorische Herausforderungen: Die Einhaltung von Vorschriften für KI im Gesundheitswesen kann komplex sein und erfordert, dass man bei sich entwickelnden Standards auf dem Laufenden bleibt.
• Integrationsherausforderungen: Das Hinzufügen von KI zu bestehenden Systemen kann komplex und zeitaufwendig sein und erhebliche Änderungen an aktuellen Arbeitsabläufen erfordern.

Die Zukunft und Regulierung von KI in optischen Technologien#

Laut dem National Institute of Health (USA) 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 jedoch sehr wenige KI-Systeme in realen klinischen Umgebungen eingesetzt. Dies liegt an Herausforderungen wie Datenverzerrung (Bias) und Datenschutz.

To address these challenges, new rules and regulations for using AI in optics are required. In countries like the US, state governments are already beginning to regulate AI in healthcare to prevent discrimination and protect patient privacy. It’s likely that we start seeing personalized vision correction, with AI creating custom solutions for each patient. It would result in glasses and treatments that are designed to fit each person's needs better.

Ein weiteres Optikfeld, das in Zukunft durch AI is teleophthalmology an Beliebtheit gewinnen könnte, ist die Teleophthalmologie. Teleophthalmologie ist die Nutzung von Telemedizin, um Augenpflegeleistungen aus der Ferne anzubieten. Stell dir vor, du machst ein Foto von deinem Auge und ein KI-Modell analysiert es, um dir Informationen über deine Augengesundheit zu geben. KI kann die Augenpflege direkt zu den Menschen nach Hause bringen und eine Schlüsselrolle bei der Bereitstellung von Ferndiagnosen und Behandlungsoptionen spielen. Sie ist besonders vorteilhaft für Menschen in abgelegenen oder unterversorgten Regionen und kann dazu beitragen, dass sie eine rechtzeitige und wirksame Versorgung erhalten.

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

Eine glänzende Zukunft für KI und Optik#

KI verändert das Feld der Optik rasant, von der Gesundheitsfürsorge bis zur Fertigung. Sie verbessert medizinische Diagnosen, personalisiert Behandlungen und optimiert Produktionsprozesse. Während Herausforderungen wie die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und der Datenschutz bestehen, sind die potenziellen Vorteile immens. KI ist bereit, die Art und Weise, wie wir die Welt durch Fortschritte in der Optik sehen und mit ihr interagieren, zu verändern.

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