Olympus der Spezialist für opto-digitale Technolgien

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1 Simulation optischer Systeme für medizinische Endoskope Olympus Surgical Technologies Europe Dr. Peter Schouwink Symposium Medizintechnik Januar 2012 February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 1 Olympus der Spezialist für opto-digitale Technolgien Umsatz nach Unternehmensbereichen in 2010 (total: Mill. ) 39,7 % Medical Systems 19,8 % Imaging Systems 19,3 % Information and Communication 9,1 % Life Science 10,0 % Other Gegründet: 1919 als Takachiho Seisakusho Weltweit mehr als 36,500 Mitarbeiter February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 2 1

2 Olympus Surgical Technologies Europe Medical Systems Flexible Endoskope Starre Endoskope Olympus Surgical Technologies Gruppe für die Entwicklung, die Produktion und den Vertrieb von starren medizinischen Endoskopen, zugehörigen Handinstrumenten sowie automatischen ETD-Maschinen und kompletten OP-Sälen verantwortlich. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 3 Was ist ein Endoskop Die Vorteile der Endoskopie sind: Verlässliche Diagnostik Minimal invasive therapeutische Eingriffe Endoskopische Untersuchung des Peritoneum (Laparoskopie). Kohlendioxid wird in das Peritoneum geleitet, um einen Hohlraum zu erzeugen. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 4 2

3 Große Produktvielfalt mit moderaten Verkaufszahlen Der endoskopische Markt ist sehr fragmentiert Jeder medizinische Eingriff erfordert ein dafür optimiertes Endoskop Die Durchmesser reichen von 1.9 mm bis zu 10 mm Endoskope mit dem gleichem Durchmesser haben unterschiedliche Längen für unterschiedliche Eingriffe Endoskope mit den gleichen Durchmessern und Längen haben unterschiedliche Blickrichtungen für unterschiedliche Eingriffe Das augenblickliche Olympus-Portfolio besteht aus über 100 verschieden Endoskopen February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 5 Entwicklungsablauf in der Medizintechnik Kundenanforderungen Validierung Produktanforderungen Verifikation Design Entwicklung gemäß dem V-Modell Freigabe für die jeweils nächste Phase durch das gesamte Entwicklungsteam + unabhängige Kontrollperson February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 6 3

4 Produktanforderungen Optik-Design: Fiktive Änderung des Öffnungswinkels von 70 auf 80 Die medizinische Anwendung stellt Anforderung an einzelne Eigenschaften des optischen Systems. Eine dieser Eigenschaften ist das Gesichtsfeld. FOV In der Laparoskopie (Minimal Invasive Chirugie) erwartet der Arzt einen Gesichtsfeldwinkel von 80. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 7 Produktanforderungen Das optische System einer Videooptik in der Simulation CCD Objective CCD chip Saphir Planglas February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 8 4

5 Produktanforderungen Das optische System einer Videooptik in der Simulation CCD 3 4 Objective CCD chip Saphir Planglas February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 9 Produktanforderungen Das optische System einer Videooptik in der Simulation CCD Saphir Planglas Der Weg der Strahlen durch das optische System wird vom Computer berechnet. Dazu benutzt er für jede einzelne Grenzfläche das Brechungsgesetz. Dies ermöglicht die Vorhersage von optischen Spezifikationen ohne die Optik jemals gebaut zu haben. Quelle: sin(α) * n=sin(β)* n February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 10 5

6 Definition von Randbedingungen Randbedingungen der Optimierung Zum einen müssen alle optischen Spezifikationen eingehalten werden. Zum anderen muss auf die Produzierbarkeit der Linsen geachtet werden. Die Freiheit des Optik-Designers wird hier durch folgende Randbedinungen eingeschränkt: Einhalten von Normradien (für vorhandene Werkzeuge und Prüfmittel) Durch die Fabrik freigegebene Glasmaterialien Des Weiteren sind bestimmte Verhältnisse zwischen Radien, Dicke und Durchmesser der Linse einzuhalten. Quelle: Handbook of Optical Systems, Volume 3, Edited by H. Gross, Seite 348 February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 11 Bildung einer Merit- Funktion Von der Spezifikation zur Merit-Funktion Der (halbe) Einfallswinkel auf Oberfläche 1 für die maximale Bildhöhe (100%) soll 40 betragen. Der jetzige Einfallswinkel beträgt 36.5 Diese Ziel wird mit 50% gewichtet. Das Ray-Tracing-Programm bildet folgende Funktion: MF = ( 40 36,5) 0,5 = February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 12 6

7 Auswahl eines Startsystems Festlegen von Variablen Variablen Der Optik-Designer wählt ein Startsystem aus. In der Regel ist dies ein optisches System eines existierenden Produkts mit ähnlichen Spezifikationen Der Optik-Designer bestimmt, welche Dicken, Radien oder Glasmaterialien des optischen Systems geändert werden dürfen. Darf nur eine Linse gegenüber dem Startsystem geändert werden oder alle? February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 13 Optimierung Optimierung Das Ray-Tracing-Programm ändert die variablen Parameter so lange, bis die Merit- Funktion 0 oder nahe 0 ist. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 14 7

8 Optimierung Optimierung In der Regel hat man bei einer Optimierung viele Optimierungsparameter und viele Variablen. Die Merit-Funktion hängt von allen Parametern zugleich ab. Dadurch ergeben sich sehr komplexe Funktionen. Eine Optimierung findet immer ein Minimum dieser Funktion. Es ist unklar, ob dies jedoch ein lokales oder globales Minimum ist. Quelle: Handbook of Optical Systems, Volume 3, Edited by H. Gross, Seite 294 February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 15 Toleranzsimulation Das reale optische System oder die Toleranzrechnung In einer realen Optik weichen fast alle Parameter von den im Programm vorgegebenem Parametern ab: Radius der Linsen Dicke der Linsen Eigenschaften der Glasmaterialien Position der optischen Elemente 4 mm Für die Industrie ist es interessant, Vorhersagen über die Herstellbarkeit eines optischen Systems während der Design-Phase zu erlangen. Dies ermöglicht die Toleranzsimulation. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 16 8

9 Toleranzsimulation Festlegen von Toleranzen Wie legt man die Toleranzen eines optischen Systems aus? Es gibt hierzu Input von verschiedenen Seiten: - Welche Toleranz ist für welche Spezifikation meines optischen Systems erlaubt? (z. B. für den Öffnungswinkel) - Welche Toleranz kann die Fertigung zu angemessen Preisen produzieren? - Wie empfindlich reagiert das optische System, wenn eine Toleranz den maximalen Wert erreicht. Den letzten Wert kann man über eine Analyse der Sensitivität bestimmen. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 17 Toleranzsimulation Toleranzsimulation Betrachtung des schlimmsten Fehlerfalles Die Addition der Toleranzen ist bei einem optischen System in der Endoskopie wenig zielführend: Alle endoskopischen Optiken wären bei dieser Betrachtung nicht baubar Der Worst-Case ist ziemlich unrealistisch Zielführender ist eine Monte-Carlo Simulation In der Monte-Carlo-Simulation wird jeder Eigenschaft einer Linse (Dicke, Radien, Verkippung der Linse, Dezentrierung der Linse) eine Verteilung innerhalb des erlaubten Toleranzfeldes zugewiesen. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 18 9

10 Toleranzsimulation Monte-Carlo-Simulation - Ergebnis Der Computer wählt einen zufälligen Wert innerhalb des Toleranzfeldes nach der Wahrscheinlichkeit gemäß der Toleranzverteilung und errechnet für diese neue optische System relevante Systemparameter: z. B. den Öffnungswinkel der Optik. Der Öffnungswinkel hängt bei einer Videooptik von der Fokuslänge des Objektivs ab. Die Fokuslänge wird durch folgende Parameter beeinflusst: - Radien der Linsen ->2 Newton-Ringe - Dicke der Linse -> ±0.05 mm - Abstand der Linsen zueinander -> ±0.05 mm - Glasmaterial der Linsen -> wird ignoriert February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 19 Toleranzsimulation Monte-Carlo-Simulation - Ergebnis Die maximale Abweichung des halben Öffnungswinkels bei 50 berechneten Beispielen beträgt 3.65, also 7,3 für den Öffnungswinkel. Das sind schon 9%. Der ISO-Standard erlaubt 15%. Die Wahl der Toleranz ist wahrscheinlich ausreichend für die Produktion. Es ist aber besser, diesen Wert während der Produktion engmaschig zu überprüfen. Nominal Best Trial 18 Worst Trial 24 Mean Std Dev % > % > % > % > % > February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 20 10

11 Zusammenfassung Die Simulation ist für die Entwicklung von optischen Systemen (in der Medizintechnik) unerlässlich. Die Simulation erlaubt Vorhersagen zu optischen Spezifikationen ohne den Bau von Prototypen. Wichtig für die Industrie ist die Toleranzsimulation, die Vorhersagen darüber erlaubt, ob eine Spezifikation auch in der Serienfertigung erreicht werden kann. February 1, 2012 OLYMPUS SURGICAL TECHNOLOGIES EUROPE Page 21 11