Ansys Opticsで革新的な医療機器を構想

人工知能（AI）の応用から、ウェアラブル機器、個別化された患者固有の設計に至るまで、医療機器のイノベーションは転換点を迎えています。現在、スマート医療機器の市場規模は905億4,000万ドルですが、2030年までに1,855億ドルに達すると予測されており、5年で2倍以上に成長する見込みです。

光学技術は、医療機器のイノベーションを促進するだけでなく、市場全体の成長を支える重要な役割を果たしています。単純なレンズから複雑なレーザーベースのシステムに至るまで、光と光学技術の応用は、現代の医用画像装置、治療技術、診断ツールの基盤となっています。医療分野における光学技術の活用事例として、以下のものが挙げられます。

• イメージングシステム。内視鏡などの装置は、光学部品を用いて内臓器官、組織、細胞の診断用の高品質な画像を撮影し、診断に活用しています。
• レーザー治療。レーザー眼科手術やレーザー脱毛など、現代の多くの医療療法や美容用途では、光学技術を用いて、レーザービームを対象部位に正確に照射します。
• 外科手術支援。先進的な外科手術システムは、外科医にリアルタイムの視覚情報を提供する光学ベースのナビゲーションを組み込み、精度を高めています。
• 患者モニタリング。パルスオキシメーターや血糖測定装置などの非侵襲的モニタリング機器には、光学センサーが広く利用されています。

現代医療において光学技術の重要性が高まっていますが、こうしたシステムの設計には、多くのエンジニアリング上の課題が伴います。医療機器はコンパクトかつ軽量である必要があります。これは、光学システムの小型化を性能を損なうことなく行わなければならないことを意味します。また、光学部品の設計には極めて高い精度が要求されます。光学部品のわずかな位置ずれや歪みでさえ、機器の効果を損ない、不正確な結果や有害な結果をもたらす可能性があります。

光学システムは、温度変動や機械的応力を受けても確実に動作しなければなりません。たとえば、医療に用いられるレーザーは発熱するため、光学部品は性能を劣化させることなく熱的影響に耐えられるものでなければなりません。

こうした高性能への要求だけでなく、厳格な規制要件も存在します。光学ベースの医療機器は、患者に使用される前に厳格な検証と試験を経なければなりません。また、持続可能性に関する規制要件も相まって、機器メーカーには、エネルギー効率と高性能の両立を求められるという新たなプレッシャーがかかっています。

さらに、今日の競争の激しい医療市場では、コスト効率よく、迅速かつ大規模に生産できるよう機器を最適化する必要があります。医療機器を競争力のある価格で市場に投入するためには、性能と製造コストの制約のバランスを取ることが不可欠です。

Ansys Opticsは、主要な医療機器メーカーが先進的な光学アーキテクチャの開発を加速させると同時に、性能、信頼性、製造性、規制遵守、持続可能性に関する厳しい要件を満たすために広く使用している包括的なシミュレーションソフトウェア製品です。

Ansys Opticsでは、ナノスケールのフルウェーブ電磁界モデルから、仮想環境での複雑な光学アセンブリ設計に必要なコンポーネントおよびシステムレベルのレイトレーシングまでのマルチスケールシミュレーションを実施し、複数の領域にわたる主要な性能指標を同時に最適化することができます。

ヘルスケア用途において、これは、イメージングシステムにおける色収差と単色収差の最小化、光学スループットと信号対ノイズ比の最大化、あるいは精密な焦点面と被写界深度の要件の達成を意味することもあります。エンジニアはこうした解析を初期段階で実施することで、費用のかかる物理的なプロトタイピングサイクルへの依存を減らし、製造可能な設計への収束を加速させることができます。

医療用光学システムは、光学的挙動が機械的・電気的・熱的影響と密接に連成しているマルチフィジックスシステムの一部として機能しなければなりません。エンジニアはAnsys Opticsを使用することで、実際の稼働条件下における機器の性能を評価することができます。たとえば、レーザーベースの治療プラットフォームの開発においては、ガウスビームの伝播、生体組織内での散乱、光学部品の熱-機械的変形を同時にモデル化することができます。これらの連成シミュレーションにより、レンズ、ミラー、ファイバーを許容範囲内に確実に収めて、ビームステアリング誤差を最小限に抑えるとともに、エネルギー供給精度を保つことができます。

さらに、Ansys, part of Synopsysの光学ソリューションは、熱-光学および応力-光学モデリングをサポートしており、温度勾配による屈折率変化、複屈折、レンズの反りを予測することができます。こうした知見をもとに、最適化されたヒートシンク、アサーマルレンズ設計、アクティブ冷却ソリューションなどの熱対策を実施し、稼働荷重が高い状況下でも一貫したデバイス性能を確保することができます。

厳密な電磁界ソルバーとシステムレベルのマルチフィジックス解析を組み合わせたAnsys Opticsは、光学およびフォトニクスエンジニアに、光学性能の目標と厳格な規制および信頼性基準を満たす次世代の医療機器を設計するためのロバストなフレームワークを提供します。

より高速かつコスト効率よく、よりコンプライアンスに準拠した設計を実現

Ansys Opticsは、迅速かつ高精度な設計反復を実現して、光学製品の開発サイクルを大幅に短縮し、医療光学およびフォトニクス分野のイノベーションを促進します。

エンジニアは、レイトレーシング・波動光学・構造・熱解析ソルバーを組み合わせたマルチフィジックスシミュレーションを実施することで、広範な設計空間を仮想的に探索できるため、ハードウェアを製造することなく、複数の光学アーキテクチャ、コーティング、光源モデル、材料選定を評価することができます。この仮想プロトタイピング手法により、費用のかかる設計反復への依存を減らすとともに、収差、迷光、熱による位置ずれを早期に特定できるようになり、最終的には製造性を向上させつつ、市場投入までの時間を短縮することができます。

また、Ansysのシミュレーションは、光学安全性および性能基準が厳格に適用される医療機器分野における重要な要件である規制遵守への取り組みを効率化します。エンジニアはAnsysの光学ソリューションを活用することで、機器の挙動をシミュレーションし、検証することができます。シミュレーションに基づくエビデンスを生成できるAnsys Opticsは、設計の検証と妥当性確認を支援するだけでなく、規制当局への申請に必要な文書を提供し、実機試験のみの戦略に伴う遅延を削減します。

さらに、高出力レーザーダイオードにおける熱暴走のモデリングや、診断用イメージングシステムにおける最悪の迷光条件のシミュレーションなど、高度なリスクおよび故障モード解析を実施し、プロトタイピングや臨床試験に先立って、安全マージンが確保されていることを確認することができます。

Ansys Opticsでは、光学・熱・構造・電磁界解析を単一プラットフォームで連携させることができるため、フォトニクスエンジニアは技術的卓越性と規制遵守を両立させた機器を、高い自信を持って効率的に設計できるようになります。

コーネル大学

コーネル大学の先見の明のある研究チームは、Ansys Opticsを用いて、ミクロンスケールの新しい多光子顕微鏡（MPM）用装置を開発しました。既存の商用分光光度計は、高度に散乱した生体組織内のセンチメートルスケールでの深部イメージングにしか対応していませんでしたが、Chris Xu氏とAaron Mok氏は、マウスの頭蓋骨、蚊とショウジョウバエの表皮、世界最小の魚の1つであるダニオネラの皮膚など、非常に微小な試料の光透過率を測定したいと考えていました。両氏は、光学システム設計および解析ソフトウェアAnsys Zemax OpticStudioを使用して、新しい装置のテストと検証を行うことにより、単一モード光ファイバーを用いて、組織分光計内で弾道光子を分離すること、5種類のミクロンスケールの組織サンプルを対象とする空間分解能透過マップを生成すること、さらには非常に小さなスケールの組織分析用測定システムを実現することの有効性を証明しました。

Ansysでイノベーションへの注力を強化

シミュレーションを設計プロセスに統合することは、もはや贅沢ではなく、急速に変化するヘルスケア市場で競争力を維持し、イノベーションを推進するための必須条件となっています。製品開発チームはAnsys Opticsを活用することで、可能性の限界を押し広げる光学ベースの医療機器を開発し、最終的には治療結果向上とヘルスケア技術の進歩に貢献することができます。

Ansys Optics、光学部品の小型化、シミュレーション主導の医療機器開発などのトピックの詳細については、ansys.comをご覧ください。また、お客様固有の設計課題や機会についてご相談したい場合は、Ansys Opticsチームまでお問い合わせください。