Intelligens és rugalmasan alkalmazható ultrahangos érzékelőrendszer építőkocka-elv szerint

Alapvető vázlat a „SonoOne” ultrahang rendszer moduláris koncepciójáról. © Fraunhofer IBMT / Schematic sketch of the modular concept of the „SonoOne” ultrasound system. © Fraunhofer IBMT

Egyedi modulok az »SonoOne« ultrahang rendszerből. © Fraunhofer IBMT / Egyedi modulok a „SonoOne” ultrahang rendszerből. © Fraunhofer IBMT

Egyedi modulok az »SonoOne« ultrahang rendszerből © Fraunhofer IBMT / Az »SonoOne« ultrahang rendszer egyedi moduljai. © Fraunhofer IBMT

Fraunhofer Központ a Szenzor-Intelligencia ZSI keretében az intelligens és rugalmasan alkalmazható ultrahangos érzékelőrendszer, a „SonoOne” moduláris rendszer fejlesztése történt. A „SonoOne” perspektivikus módon képes a gyorsan fejlődő ultrahangpiac, különösen a hordozható rendszerek területén innovatív termékekkel magas rugalmassággal kiszolgálni. A „SonoOne” hardver oldalról olcsó, gyufásdoboz méretű modulokból áll, amelyek különböző alkalmazási területeken könnyen összekapcsolhatók, konfigurálhatók és a moduláris koncepciónak köszönhetően univerzálisan alkalmazhatók különféle akusztikus mérési feladatokra.

Az ultrahang egy rugalmasan alkalmazható, költséghatékony, valós idejű és invazív technológia, amely széles körben bizonyította hatékonyságát az orvostudománytól az ipari alkalmazásokig. Az orvosi alkalmazások területén az ultrahang különböző összetettségi szinteken kerül felhasználásra. Azonban még a legkedvezőbb rendszerek ára is több ezer euró körül mozog, ami korlátozza az alkalmazást végfelhasználói szinten (viselhető eszközök, mHealth, Smart Health), valamint a tömeges piacok megcélzását mind az orvosi, mind a technikai kontextusban. Például 2021-ben az orvosi viselhető eszközök piaci volumene 27,2 milliárd USD volt, míg a legnagyobb ultrahang Doppler technológián alapuló véráramlás-mérő eszközök piaca ugyanebben az évben csupán 0,533 milliárd USD volt. Különösen az IoT alkalmazásokhoz kapcsolódó kedvező árkategóriában, mint például a viselhető eszközök, az ultrahangos érzékelés még mindig nagy piaci potenciállal rendelkezik az automatizált jelszó elemzéssel és mesterséges intelligencia alapú osztályozással kombinálva.

Az ipari alkalmazásokban az ultrahang széles körben alkalmazott módszer, például a folyadékszámítás, távolságmérés vagy töltöttség ellenőrzése terén. Ellentétben az orvosi alkalmazásokkal, a technikai vizsgálati tárgyak lényegesen nagyobbak, formájukban és anyagukban változatosabbak. Ezért külön alkalmazás-specifikus rendszerek érhetők el különböző integrációs szinteken, amelyek vagy rugalmasak és így összetettek és drágák, vagy kifejezetten egyetlen alkalmazásra fejlesztettek, és így potenciálisan olcsóbbak a gyártás során.

A „SonoOne” érzékelőrendszerrel a Fraunhofer Intézet a Biomedizinische Technik IBMT sikeresen kifejlesztett egy intelligens és rugalmasan alkalmazható ultrahangos érzékelőrendszert, moduláris rendszer szerint, hogy a gyorsan fejlődő ultrahangpiacot, különösen a hordozható rendszerek területén, innovatív termékekkel kiszolgálja. Hardver oldalról olcsó, gyufásdoboz méretű modulokból áll, amelyek a különböző alkalmazási területeken egyszerűen összekapcsolhatók, konfigurálhatók és a moduláris koncepciónak köszönhetően univerzálisan alkalmazhatók különféle akusztikus mérési feladatokra.

A szenzor intelligenciája az akusztikus időjelek rögzítésének és kiértékelésének elemzésében rejlik. Ez külső, WiFi-hez csatlakoztatott számítási egység, például tablet, okostelefon vagy adaptált kompakt számítógép segítségével történhet, így az Edge-AI megközelítés szerint a intelligencia közvetlenül a rendszerekbe helyezhető, és csak az eredmény kerül továbbításra mérőértékként. A kiértékelés felhőhálózatokban is lehetséges, így nagy adatmennyiségek gyűjthetők különböző helyeken lévő érzékelőkkel, és központilag tárolhatók, elemezhetők és feldolgozhatók.

Ezen felül a moduláris megközelítés lehetővé teszi a jövőbeli innovatív technológiák (hatékony energiatárolók, új vezeték nélküli szabványok, új anyagok ultrahangos érzékelők számára, gyártástechnológiák az elektronikában és fejlettebb elemzési algoritmusok) egyszerű alkalmazását a fejlesztés és az egyes modulok cseréje révén, így megalapozva az ultrahang teljesen új alkalmazásainak kihasználását.

Egy „SonoOne” ultrahang rendszer minimális konfigurációja a következő három modulból áll:

1. Egy ultrahangmodul, beleértve az ultrahangátalakítót, az ultrahang jelek széles frekvenciatartományban (kHz-MHz) történő rögzítéséhez
2. Egy kommunikációs modul, amely paraméterezést és az ultrahangmodul vezérlését végzi, valamint az ultrahangadatok például WiFi-n keresztül történő továbbítását végzi egy végberendezéshez vagy szerverhez a jelszó elemzéséhez
3. Egy energiaellátó modul, amely biztosítja a szükséges feszültségeket

Ezen felül firmware is rendelkezésre áll a mérés folyamatának irányítására, valamint a rendszer kommunikációjára és paraméterezésére. A hardver interfész a PC-hez egy kereskedelmi forgalomban kapható mikrovezérlő panel, amely USB- és WiFi interfészt is tartalmaz. Lehetővé teszi a kétirányú vezérlő- és státuszinformációk cseréjét, valamint az ultrahangadatok valós idejű továbbítását. Egy felhasználói felülettel az ultrahang rendszer paraméterezhető, az ultrahang jelek élőben követhetők, különböző szűrő- és kiértékelő algoritmusokkal elemezhetők és menthetők.

A rendszer moduláris felépítése és a széleskörű alkalmazási ismeretek lehetővé teszik a Fraunhofer ZSI számára, hogy gyorsan reagáljon különböző vállalatok és iparágak egyedi igényeire, és piacra kész, költséghatékony termékeket fejlesszen ki.

Fraunhofer Központ a Szenzor-Intelligencia ZSI

A Fraunhofer Központ a Szenzor-Intelligencia ZSI egy közös stratégiai kutatás-fejlesztési kezdeményezés a Fraunhofer Társaság alkalmazott kutatásaiért és a Szaar-vidékért. Egy központi találkozási pontként szolgál a Szaar-vidék régiójában a kutatás és tudomány támogatására a társadalom és a gazdaság javára.

A ZSI olyan érzékelőrendszereket fejleszt a következő generáció számára, amelyek mesterséges intelligencia komponenseket tartalmaznak, alkalmazási területeik például az anyagvizsgálat, gyártási és bioprocesszek, valamint az egészségügy. A teljes folyamatra fókuszálva a adatgyűjtéstől a kiértékelésig és elemzésig. Első alkalommal kerülnek alkalmazásra olyan érzékelők vagy érzékelőrendszerek, amelyek valós idejű és helyszíni, autonóm döntéseket hoznak, így meghatározott keretek között irányítva a folyamatokat. A holisztikus, integratív megközelítés hozzájárul ahhoz, hogy együttműködve tudományos és gazdasági partnerekkel innovatív alkalmazási rendszereket fejlesszenek ki, amelyek későbbi szakaszban kiegészítik és bővítik a partnerek termékeit.