Découvrez comment l’expertise de PISÉO a permis de répondre aux attentes de notre client exigeant.

Un scanner intraoral à la pointe de la technologie

Les attentes du Client en termes de géométrie du produit et de performances vidéo ont représenté un défi majeur pour les ingénieurs de PISÉO. Grâce à une approche focalisée sur les usages et une collaboration étroite avec le Client, associées à une maîtrise de l’intégration des technologies photoniques les plus avancées, ils ont réussi développer un scanner intraoral dont les performances sont inégalées à ce jour. Ce scanner intraoral se différentie en étant extrêmement compact, en ayant des formes spécifiquement étudiées pour l’ergonomie et en s’appuyant sur une architecture opto-électronique et des composants judicieusement définis. Le produit intègre ainsi des capteurs d’imagerie de haute résolution hérités de l’endoscopie médicale, des LED dont la topologie et la colorimétrie permettent un éclairement optimal pour les capteurs, une vitre avec un traitement anti-reflet de haute performance ou encore un FPGA de dimension très réduite.  Pour fournir des images en temps réel via une liaison USB-C dans cet environnement réduit, les cartes électroniques utilisent des circuits imprimés allant jusqu’à huit couches.

Capteur d’images Haute Résolution

Face aux exigences de précision très élevées du Client dans l’environnement imposé, seuls des capteurs d’image de haute résolution et très compacts pouvaient y répondre.  En collaboration avec le Client, des capteurs innovants de la société Omnivision ont été évalués et retenus. Pour cette évaluation le laboratoire d’imagerie de PISÉO a réalisé des mesures de MTF 50 côté objet, de SNR et de distorsion. Les essais ont également permis d’apprécier les déformations générées par le rolling-shutter des capteurs. Les résultats de ces évaluations ont été pris en compte pour dimensionner et l’architecture optique du système, ainsi que l’électronique et les logiciels embarqués.  Ces caractérisations associées aux travaux de développement ont permis in-fine de produire des images d’une qualité et d’une précision inégalée pour l’application du client

Eclairage LED spécifique

Afin de pouvoir produire des images de qualité optimale dans l’environnement buccal, un système d’éclairage performant est requis. Pour ce projet, les ingénieurs de PISÉO ont conçu un éclairage LED spécifique qui fournit, en toutes circonstances, l’éclairement, la colorimétrie et les contrastes nécessaires au capteur d’image. Cet éclairage a été conçu en tenant compte des caractéristiques optiques des capteurs et des besoins du logiciel de reconstruction 3D. De plus, pour s’affranchir des problèmes de déformation d’image liés à l’utilisation de capteurs CMOS à rolling-shutter, une électronique de pilotage des LED a été conçue sur mesure pour ce produit.

Développement du scanner intraoral

Le processus d’innovation structuré de PISÉO a permis de résoudre les défis techniques du projet, avec des analyses de risques et des plans d’actions. Des calculs, des simulations optiques et des maquettes et prototypes ont réalisés pour tester les fonctions du scanner avant son industrialisation, en accordant une attention particulière aux finitions, aux performances d’imagerie en temps réel, à l’étanchéité, à la fabricabilité du produit et à la conformité à la réglementation CE Médical.

Pour garantir l’étanchéité IP67, le scanner intraoral fait appel à la technique de joints surmoulés intégrés aux pièces plastiques. Cette technique industrielle originale permet de s’affranchir du collage et d’assurer de manière fiable la fonction d’étanchéité critique pour le produit dans son usage.

Les résultats de ce projet soulignent l’importance d’une approche sur mesure en étroite collaboration avec le client. Faites confiance à l’expertise de PISÉO et de ses partenaires de confiance pour le développement et la fabrication de vos dispositifs dentaires ou médicaux. Optez pour une solution personnalisée et performante.

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Cependant, il est souvent difficile de trouver des éclairages LED commerciaux répondant aux exigences spécifiques de ces systèmes de diagnostic. Cela conduit fréquemment à la conception sur mesure d’éclairages, notamment dans le cas de dispositifs de diagnostic du cancer de la peau par imagerie.

Recherche de Solutions Optiques et de LED

Les experts de PISÉO ont exploré différentes solutions originales en combinant sources lumineuses et systèmes optiques. Des architectures ont été pré-dimensionnées, modélisées, et leurs performances simulées à l’aide du logiciel LightTools. En parallèle, une recherche de composants LED a été menée, évaluant plusieurs candidats selon divers critères.

Conception optique et prototype

Sur la base des résultats obtenus lors de la phase précédente, une conception optique détaillée a été réalisée, définissant les surfaces optiques et les interfaces mécaniques. Des lentilles « freeform » ont été conçues pour optimiser l’éclairement. Le système optique a été modélisé dans LightTools et des simulations de performance effectuées. Le prototype a ensuite été spécifié et ses composants assemblés dans le laboratoire de PISÉO. Les sous-ensembles tels que la carte LED et l’optique ont été fabriqués par des partenaires de confiance. Une étude thermique a également été réalisée par PISÉO pour dimensionner le dissipateur permettant de refroidir les LED.

Tests et validation du système d’éclairage médical

Pour garantir la qualité, des essais de performance optique ont été réalisés dans le laboratoire de photométrie de PISÉO. Les éclairements, l’uniformité et la distribution spectrale ont été vérifiés à l’aide d’équipements de mesure étalonnés. Le rapport d’essais a validé la conception, ouvrant la voie à une industrialisation maîtrisée.

Risque photobiologique pour dispositif médical

Tous les systèmes d’éclairage comportant des sources lumineuses doivent être évalués du point de vue du risque photobiologique. Grâce à leur expertise en risques optiques nos ingénieurs ont mené cette évaluation en parallèle de la conception. Ils ont ainsi pu garantir le développement d’un éclairage respectant la réglementation sur les dispositifs médicaux.

Cette collaboration entre les experts de PISÉO et le client illustre l’importance d’une approche sur mesure pour développer des éclairage LED répondant aux besoins spécifiques des systèmes de diagnostic du cancer de la peau par imagerie, assurant ainsi des performances optimales et la sécurité des utilisateurs.

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Recherche d’un objectif adapté

Les experts de PISÉO ont utilisé leur base de données mondiale des fabricants d’objectifs pour trouver des composants disponibles sur étagère (COTS) répondant aux critères de champ de vision, distance de travail, profondeur de champ, encombrement. Le choix final a été effectué en comparant les qualités d’images attendues ( résolution, aberrations, chromatisme) et Chief Ray Angle (CRA). Cette dernière caractéristique revêt une importance particulière pour la performance du couple capteur-objectif.

Ingénierie optique et mécanique

Une fois les caractéristiques du capteur et de l’objectif définies, PISÉO a procédé au développement du démonstrateur de l’endoscope. Pour cela les ingénieurs de PISÉO ont mobilisé leurs compétences en ingénierie optique et mécanique. Ils ont également spécifié un éclairage LED adapté utilisant des fibres optiques.

Les dimensions extrêmement réduites du système ont représenté un challenge important pour l’assemblage mécanique des composants optiques.

Aussi, des solutions originales ont dû être imaginées pour assurer, in-fine, un montage très précis de l’ensemble.

Assemblage et tests du démonstrateur d’endoscope

Les composants mécaniques spécifiques ont été fabriqués chez un partenaire de confiance de PISÉO. L’assemblage de l’endoscope, impliquant des techniques de collage, a été effectué dans le laboratoire de PISÉO Afin d’assurer la qualité des images, les performances de l’endoscope ont été rigoureusement testées dans le laboratoire d’imagerie optique PISÉO.

Mise en valeur du capteur

Malgré un planning extrêmement serré, PISÉO a su répondre aux attentes des équipes marketing de Teledyne e2V. Deux endoscopes ont ainsi été livré à temps au client qui a pu les utiliser sur le salon Compamed à Dusseldorf en novembre 2023.

Cette collaboration démontre l’importance d’une approche sur mesure pour tirer le meilleur parti des composants optiques disponibles, garantissant ainsi les performances optimales de l’endoscope. Comme Teledyne e2V, pour des solutions personnalisées et performantes dans le domaine de l’imagerie médicale, faites confiance à l’expertise de PISÉO et de ses partenaires.

Comme Teledyne e2V, pour des solutions personnalisées et performantes dans le domaine de l’imagerie médicale, faites confiance à l’expertise de PISÉO et de ses partenaires.

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Les bancs de test sont des outils essentiels pour mesurer les performances optiques des dispositifs médicaux tels que les systèmes d’illumination utilisés notamment dans les applications médicales, plus précisément de chirurgie.

Après avoir développé un projecteur de lumière intégré à un robot chirurgical de type endoscope, le Client a souhaité pouvoir mesurer l’éclairement relatif délivré par ce projecteur lors de sa fabrication. Un banc de mesure optique spécifique a ainsi été conçu et réalisé à cet effet par PISÉO.

Pour répondre aux besoins du Client, le banc de test a été conçu pour gérer la pluralité des profils d’éclairement produits par le projecteur, qui utilise des sources de lumière de type LED qui ont des angles de lobe d’émission variés, mais aussi des sources de lumière de type laser dont le faisceau est collimaté. L’ensemble des longueurs d’onde émises par ces différentes sources de lumière, dont le spectre s’étend entre 400 nm et 850 nm a donc dû être pris en compte pour concevoir et réaliser ce banc de test.

Calibration géométrique et radiométrique du banc

L’objectif de la caméra utilisée sur ce banc générant de la distorsion et de la courbure de champ, il a été nécessaire de réaliser dans un premier temps un étalonnage géométrique pour corriger les aberrations optiques de ce dernier.

Pour cela, une mire à damier a été utilisée qui a permis de caractériser l’aberration optique du système et de calculer les coefficients de correction à utiliser par les algorithmes de traitement des images capturées.  Cette calibration géométrique ainsi effectuée permet de dresser une cartographie d’éclairement répondant à la précision requise par le Client.

Dans un second temps, un étalonnage radiométrique a été effectué afin de prendre en compte les caractéristiques de diffusion de l’écran dépoli intégré au banc de mesure, la transmission optique de l’objectif, son vignettage, la sensibilité, ainsi que la réponse spectrale du capteur de la caméra.

Pour cela les appareils de mesure du laboratoire de PISÉO étalonnés sous accréditation ISO-17025, et plus particulièrement le spectroradiomètre CAS140D, ont été utilisés pour établir une cartographie d’éclairement de référence.

Des images de l’écran dépoli ont ensuite été acquises par la caméra du banc, avec des temps d’intégration différents pour pouvoir traiter des profils d’éclairement dont les variations seraient supérieures à la dynamique de la caméra. Ces images ont été traitées par un algorithme de traitement d’image développé par les experts de PISÉO. Il permet de calculer les coefficients de correction radiométrique spécifiques au banc de mesure, en comparant la cartographie d’éclairement calculée à la cartographie de référence mesurée.

Cet étalonnage radiométrique a été validé pour toutes les longueurs d’onde du spectre lumineux utilisé, englobant le domaine visible et proche infrarouge, entre 400 nm et 850 nm.

Validation du banc de test

Une fois le banc de mesures assemblé, les ingénieurs de PISÉO ont effectué une série de tests pour en vérifier les performances.

Les procédures décrivant les étalonnages géométrique et radiométrique ont été déroulées. Les vérifications ont porté sur les calculs des profils d’éclairement produits par une source de lumière diffuse et par une source de lumière collimatée qui ont été comparés aux profils mesurés par les appareils de mesure du laboratoire de PISÉO. La différence constatée étant inférieure à la précision requise par le Client, le banc de mesure a été validé.

A l’issue de ces tests, les calibrations géométriques et radiométriques ont été enregistrées dans le banc de mesure. Une gestion par numéro de série a été mise en place pour gérer les différents exemplaires du banc de mesure. Un mode d’emploi, un dossier de fabrication ainsi qu’un rapport technique rassemblant tous les résultats des tests effectués sur le banc ont été constitués pour permettre au Client de comprendre les performances de son dispositif.

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De multiples innovations ont largement contribué à l’amélioration de l’endoscope. La caméra, associée à l’endoscope, a notamment fait l’objet de nombreux développements. Véritable concentré de technologie, elle a bénéficié des améliorations apportées aux caméras des téléphones portables sur leur taille et la qualité de l’image. Plus compactes, avec une meilleure définition d’image et des champs de vision allant jusqu’à 170°, les caméras d’endoscope sont particulièrement appréciées des chirurgiens. Elles donnent accès à des zones supplémentaires du corps des patients avec moins de traumatismes et des temps de récupération plus rapides.

Afin de proposer aux patients et au corps médical des solutions moins invasives et plus performantes, les fabricants d’équipements médicaux font face à de réels défis. Ils doivent non seulement trouver des solutions innovantes qui vont dans le sens de la miniaturisation et de l’amélioration de la qualité de l’image, mais aussi s’assurer que ces solutions sont fiables et industrialisables.

C’est dans ce contexte que la société PISÉO, centre d’innovation et d’expertise spécialisé dans l’intégration des technologies optiques-photoniques, s’est vu confier le projet de développer un système optique pour endoscopes rigides qui comprend l’étude d’un jeu de lentilles de très petite taille adapté aux caractéristiques d’un nouveau capteur et aux besoins spécifiques d’un de ses clients tout en tenant compte des contraintes d’intégration et de fabricabilité.

Conception d’un système optique pour endoscope

Le double objectif miniaturisation du système-performances optiques est un véritable challenge dans la conception du système optique d’un endoscope. Dans ce projet, la phase de conception impliquait de tenir compte de certaines contraintes techniques telles que le diamètre de l’endoscope et des lentilles, la taille de l’image et la résolution du capteur (nombre de pixels, fréquence, contraste, réponse spectrale, …), ainsi que la distance de travail et la profondeur de champ.

Obtenir une image de qualité résulte autant d’un design optique adapté à l’enveloppe du système que de l’intégration d’un capteur dont il faut connaitre parfaitement les caractéristiques (angle d’acceptance des rayons, résolution, …). Le cahier des charges nécessitait de considérer l’intégration de la partie optique dans deux canaux d’endoscopes placés de façon parallèle avec des capteurs disposés côte à côte ou bien dos à dos grâce à des systèmes de prismes. Il a donc fallu tenir compte non seulement de la qualité optique des caméras mais également de l’adaptation des deux canaux et des contraintes d’encombrement dans le système final.  L’optimisation du design et des performances des systèmes a été réalisée grâce à des simulations effectuées sur le logiciel de conception optique ZEMAX.

Le système d’éclairage de l’endoscope est aussi un point très important. Il doit être adapté à la zone étudiée et le plus intégré possible. La lumière doit être blanche et brillante, optimale pour distinguer les lésions tissulaires les plus subtiles par exemple. Il peut aussi être nécessaire que le système produise des longueurs d’onde proches de l’infra-rouge pour détecter des marqueurs fluorescents facilitant notamment le diagnostic de lésions cancéreuses ou pré-cancéreuses.

L’expertise de PISÉO dans le domaine de la technologie LED et de ses applications permet d’avoir accès à des solutions particulièrement optimisées au niveau du spectre lumineux et des niveaux d’éclairement.

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PISÉO a contribué au développement d’un illuminateur capable de détruire des bactéries ciblées pour un de ses clients.

Les LEDs UV ont atteint des performances qui permettent maintenant d’envisager des solutions de désinfection utilisant cette technologie en remplacement des sources à décharges.

Aussi, pour tirer le meilleur parti des sources LED UV, il est néanmoins nécessaire de bien définir les objectifs de performance attendus au niveau de l’application (irradiance, uniformité, distribution spectrale) et de savoir les intégrer de manière appropriée en tenant compte des interactions entre les rayonnements UV et les réactions des micro-organismes ou des conditions de fonctionnement particulières des LEDs UV.

De la définition des besoins à la conception du prototype d’illuminateur

• Définition des besoins applicatifs (types de bactéries ciblées, doses énergétiques requises, coût, profil de mission).
• Analyse de l’offre de composants LED UV (Viosys, Vishay, LG, Luminous, Rayvio…) et sélection de LED candidates.
• Dimensionnement de l’illuminateur (type et # de LED UVA et UVC, points de fonctionnement électrique et thermique, gestion thermique et type de PCB, driver et alimentation).
• Spécification des contraintes d’intégration.
• Conception et réalisation d’un prototype (appui des logiciels de simulation Zemax et LightTools)
• Évaluation du risque photobiologique pour les utilisateurs.

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Les effets de la lumière visible et non visible sur le corps humain sont de plus en plus connus et leur application dans les domaines médicaux et paramédicaux se développe fortement. Cependant, une bonne connaissance des effets physiologiques de la lumière et une parfaite maîtrise de la conception des systèmes optiques sont indispensables pour créer des produits efficaces du point de vue spectral et énergétique.

Forts de leurs expériences en création de systèmes optiques d’illumination utilisant des LED ou des diodes laser (UV, VIS, IR) et des moyens techniques de haut niveau dont ils disposent, les experts de PISÉO vous accompagnent pour développer des systèmes optimisés pour les applications médicales et paramédicales.

Maîtriser le rayonnement optique pour la photothérapie

La photothérapie, à distinguer de la luminothérapie, est un traitement qui utilise le rayonnement optique visible et non visible de la lumière (UVA, UVB, infrarouge proche) pour produire des effets sur les tissus humains. Ses applications sont nombreuses : traitement des cancers, psoriasis, eczéma, ictère du nourrisson (jaunisse), ophtalmologie… Les sources lumineuses utilisées pour ces traitements peuvent être de type laser, diode laser ou LED.

Dans le cadre de ce projet, nous avons travaillé sur un produit destiné à accélérer la cicatrisation de la peau grâce à un rayonnement optique ciblé dans le visible et l’infrarouge proche et fonctionnant de manière autonome grâce à une batterie. Nous avons notamment optimisé le couplage optique entre les LED et le guide de lumière pour améliorer significativement le rayonnement au niveau de la peau et l’autonomie du dispositif.

Optimiser l’intégration des LEDs

Réaliser une analyse critique de la construction du système, quantifier et améliorer le rendement énergétique, ainsi que l’effet du rayonnement optique en optimisant l’intégration des sources lumineuses de type LED.

De la simulation optique au prototype de photothérapie

• – Analyse critique du système existant (performances, construction, composants LED).
• – Intégration de l’architecture du produit dans ZEMAX OpticStudio et simulation des performances optiques (irradiances).
• – Consolidation des objectifs de performance (distribution spectrale, irradiance, énergie) à atteindre en lien avec les besoins physiologiques déterminés par le client.
• – Consolidation des objectifs de performance (distribution spectrale, irradiance, énergie) à atteindre en lien avec les besoins physiologiques déterminés par le client.
• – Redesign du système optique au moyen de ZEMAX OpticStudio et amélioration du flux énergétique d’un facteur 3.
• – Appui à la réalisation du prototype.
• – Caractérisation des performances optiques au sein du laboratoire de photométrie de PISÉO (irradiance, distribution spectrale, énergie) au moyen d’un spectroradiomètre Instrument Systems CAS 140D à large bande spectrale (300nm-1100nm).

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