借助Ansys光学产品打造更具创新性的医疗器械

从人工智能（AI）在可穿戴设备的应用，到面向患者的个性化定制设计，医疗设备创新已迈入拐点。当前智能医疗器械的市场规模为905.4 亿美元，预计到2030年将达到1855亿美元，五年内的增长超过一倍。

光学技术在推动创新和促进整体市场增长方面发挥着主导作用。从简单透镜到复杂激光系统，光与光学技术的应用是一系列现代医疗成像设备、治疗技术和诊断工具的基础。以下是光学技术在医疗行业的应用示例：

• 成像系统。内窥镜等设备依靠光学元件捕获内部器官、组织和细胞的高质量图像，以用于诊断目的。
• 激光治疗。许多现代医疗与美容应用，例如激光眼科手术和激光脱毛，均利用光学技术将激光束精准投射至目标区域。
• 手术辅助。先进手术系统集成了基于光学的导航技术，可为外科医生提供实时视觉信息，从而提高手术操作的精度。
• 患者监护。光学传感器广泛应用于脉搏血氧仪和血糖测量仪等无创监测设备中。

光学技术在现代医疗领域变得越来越重要，但这些系统的设计仍面临一系列工程挑战。医疗器械必须紧凑、轻量化，这意味着光学系统必须在不牺牲性能的前提下实现微型化。此外，光学元件的设计精度要求极高——即使光学元件中最轻微的错位或失真都可能影响设备效能，导致结果不准确，甚至引发危害。

光学系统还需在温度波动和机械应力的影响下保持稳定可靠的性能。例如，医疗治疗中使用的激光器会产生热量，因此光学元件必须能够承受热效应而不会出现性能下降。

这些高性能需求，还伴随着严格的监管要求。基于光学的医疗器械必须经过严格的验证和测试，才能用于人类患者。与此同时，可持续性要求也给制造商带来了新的压力，要求他们在实现高性能的同时提高能效。

最后，在当今竞争激烈的医疗市场中，器械还必须经过优化，以实现快速大规模的低成本生产。在性能与制造成本约束之间实现平衡，是医疗设备以具有竞争力的价格将推向市场的关键所在。

Ansys光学产品作为领先医疗器械制造商广泛采用的综合仿真套件，可加速先进光学架构的开发，同时满足对性能、可靠性、可制造性、合规性和可持续性的严格要求。

Ansys光学产品支持从纳米级全波电磁模型到组件级和系统级光线追迹的多尺度仿真，用于在虚拟环境中进行复杂光学组件设计，使工程师能够同时优化多个领域的关键性能指标。

对于医疗健康应用场景而言，这意味着需要最大限度地降低成像系统中的色差与单色像差、提高光学通量与信噪比，或是满足焦平面与景深的高精度指标要求。通过执行前期分析，工程师可以减少对高成本物理原型设计的依赖，并加速获得可量产的设计。

医疗光学系统需要作为多物理场系统的一部分运行，其光学行为与机械、电气及热效应紧密耦合。Ansys光学产品使工程师能够评估设备在真实工作条件下的性能。例如，在开发激光治疗平台时，工程师可以同时对高斯光束传播、生物组织散射以及光学元件的热机械变形进行建模。这种耦合仿真可确保透镜、反射镜和光纤保持在容差范围内，从而最大限度地降低光束转向误差并保持能量传输的精确性。

此外，新思科技旗下Ansys的光学解决方案还支持热-光学和应力-光学建模，使工程师能够预测温度梯度引起的折射率变化、双折射和透镜翘曲。基于这些洞察，团队可以实施热管理策略，例如优化散热设计、采用无热透镜设计或主动冷却解决方案，以确保设备在高工作负载下保持稳定性能。

通过将严谨的电磁求解器与系统级多物理场分析相结合，Ansys光学产品为光学和光子学工程师提供了强大的框架，助力其设计既满足光学性能目标，又符合严格监管与可靠性标准的新一代医疗器械。

更快、更具成本效益、更合规的设计

通过实现快速、高保真度设计迭代，Ansys光学产品可显著加速光学产品开发周期，并推动医疗光学和光子学领域的创新。

工程师可以综合运用光线追迹、波光学以及结构和热求解器进行多物理场仿真，以虚拟方式探索广阔的设计空间，评估多种光学架构、涂层、光源模型和材料选择，而无需制造硬件原型。这种虚拟原型方法不仅可以减少对高成本迭代的依赖，还能更早地识别像差、杂散光或热引起的错位等问题，最终缩短产品上市时间，同时提高可制造性。

Ansys仿真还能简化合规流程，这在医疗设备行业尤为关键，因为该行业要求严格执行光学安全和性能标准。借助Ansys光学解决方案，工程师可以对设备行为进行仿真和验证。通过生成基于仿真的证据，Ansys光学产品不仅支持设计确认和验证，更能提供监管提交所需的文档，从而助力用户减少纯物理测试策略导致的延迟。

此外，工程师还可以进行高级风险与失效模式分析，例如对大功率激光二极管中的热失控进行建模，或进行诊断成像系统中最坏工况下的杂散光条件仿真，确保在原型设计和临床测试之前满足安全裕度要求。

Ansys光学产品能够在统一平台中耦合光学、热、结构和电磁分析，使光子学工程师能够满怀信心、高效地设计出兼具技术卓越与合规性的设备。

康奈尔大学

康奈尔大学的一支富有远见的研究团队，利用Ansys光学产品开发出一款用于微米级多光子显微成像（MPM）的新型仪器。现有商用分光光度计仅能在厘米级别对强烈散射的活体组织进行深层成像，而Chris Xu和Aaron Mok则希望测量更微小样本的光传输情况，例如小鼠头骨、蚊虫与果蝇角质层，以及Danionella（世界最小的鱼类之一）的皮肤。他们使用 Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计与分析软件 对其新仪器进行测试和验证，成功证明了采用单模光纤在组织光谱仪中分离弹道光子的有效性，可为五种微米级组织样本生成具有空间分辨能力的透射图，并为超微尺度组织分析提供测量系统。

借助Ansys专注创新

在快节奏的医疗市场中，将仿真融入设计流程已不再是锦上添花，而是保持竞争力并推动创新的必要条件。利用Ansys光学产品的强大功能，产品开发团队可以进行突破创新、打造基于光学的医疗器械，最终改善患者治疗效果并推动医疗技术进步。

如欲了解有关Ansys光学产品、光学微型化、仿真驱动医疗器械开发等主题的更多信息，敬请访问ansys.com。您也可以联系Ansys光学产品团队，探讨您面临的独特设计挑战和机遇。