Slim en flexibel inzetbaar ultrasone sensorsysteem volgens het modulaire principe

Principeschets van het modulaire concept van het ultrasone systeem »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT / Schets van het modulaire concept van het »SonoOne«-ultrasone systeem. © Fraunhofer IBMT

Individuele modules van het ultrasoon systeem »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

Individuele modules van het ultrasone systeem »SonoOne« © Fraunhofer IBMT / Individuele modules van het ultrasone systeem »SonoOne«. © Fraunhofer IBMT

In het kader van het Fraunhofer Centrum voor Sensor-Intelligentie ZSI is het intelligente en flexibel inzetbare ultrasone sensorsysteem »SonoOne« ontwikkeld volgens het bouwstenenprincipe. »SonoOne« kan in de toekomst de snel ontwikkelende ultrasone markt, met name op het gebied van draagbare systemen, met innovatieve producten zeer flexibel bedienen. »SonoOne« bestaat hardwarematig uit goedkope, luciferdoosgrote modules die voor verschillende toepassingsgebieden eenvoudig tot een totaal systeem kunnen worden gecombineerd, geconfigureerd en door het modulaire concept universeel kunnen worden ingezet voor de meest uiteenlopende akoestische meettaken.

Ultrasoon is een flexibel inzetbare, kosteneffectieve, real-time-capabele en niet-invasieve technologie die zich in een breed scala aan toepassingen van de geneeskunde tot industriële toepassingen heeft bewezen. In de medische sector wordt ultrasoon op verschillende complexiteitsniveaus ingezet. Echter, de goedkoopste systemen liggen nog steeds in de orde van meerdere duizenden euro's, wat het gebruik in de eindgebruikersmarkt (wearables, mHealth, Smart Health) en de benadering van massamarkten zowel in medische als technische context beperkt. Terwijl bijvoorbeeld in 2021 de markt voor medische wearables een volume van 27,2 miljard USD bereikte, had de markt voor bloedstroommeters, die grotendeels op ultrasone Doppler-technologie gebaseerd zijn, datzelfde jaar slechts een volume van 0,533 miljard USD. Vooral in het goedkope segment voor IoT-toepassingen, zoals wearables, bestaat er nog een groot marktpotentieel voor ultrasone sensortechnologie in combinatie met geautomatiseerde signaalanalyses en classificatie met kunstmatige intelligentie.

Ultrasoon is ook in industriële toepassingen een veelgebruikte methode, bijvoorbeeld voor het meten van stromingssnelheden, afstanden of vulniveaus. In tegenstelling tot medische toepassingen zijn de technische objecten die worden onderzocht aanzienlijk groter in omvang, vorm en materiaal. Daarom zijn er telkens specifieke, toepassingsgerichte systemen met verschillende integratieniveaus beschikbaar op de markt. Deze systemen zijn ofwel flexibel ontworpen en daardoor complex en duur, of ze zijn specifiek voor één toepassing ontwikkeld en daardoor mogelijk kosteneffectief in productie.

Met het sensorsysteem »SonoOne« is het Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT erin geslaagd een intelligent en flexibel inzetbaar ultrasoonsensorsysteem volgens het bouwstenenprincipe te ontwikkelen, om de snel ontwikkelende ultrasone markt, vooral op het gebied van draagbare systemen, in de toekomst met innovatieve producten te kunnen bedienen. Het bestaat hardwarematig uit goedkope, luciferdoosgrote modules die voor verschillende toepassingsgebieden eenvoudig kunnen worden gecombineerd, geconfigureerd en door het modulaire concept universeel kunnen worden ingezet voor uiteenlopende akoestische meettaken door aangebrachte stekkers.

De intelligentie van de sensor ligt in de analyse en evaluatie van de opgenomen akoestische tijdsignalen. Dit kan via een externe rekenunit die via WiFi is verbonden, bijvoorbeeld een tablet, smartphone, of door een aangepaste compacte rekenunit, zodat volgens de Edge-KI-benadering de intelligentie direct in de systemen zelf wordt verplaatst en alleen het resultaat als meetwaarde wordt overgedragen. De evaluatie in cloudnetwerken is eveneens voorzien, zodat grote hoeveelheden data via meerdere sensoren op verschillende locaties kunnen worden verzameld, centraal opgeslagen, geanalyseerd en verwerkt.

Bovendien kunnen door de modulaire aanpak toekomstige innovatieve technologieën (efficiënte energiebuffers, nieuwe draadloze standaarden, nieuwe materialen voor ultrasone sensoren, fabricagetechnologieën in de elektronica en verbeterde analysemethoden) eenvoudig worden gebruikt door verdere ontwikkeling en vervanging van individuele modules, waardoor de basis wordt gelegd voor het gebruik van ultrasoon in geheel nieuwe toepassingen.

De minimale configuratie van elk »SonoOne« ultrasoonsysteem bestaat uit de volgende drie modules:

1. Een ultrasoonmodule inclusief ultrasoonomvormer voor het vastleggen van ultrasone tijdsignalen over een breed frequentiebereik (kHz-MHz)
2. Een communicatiemodule voor parametrisering en bediening van de ultrasoonmodule, evenals voor de overdracht van ultrasone data bijvoorbeeld via WiFi naar een eindapparaat of server voor signaalanalyse
3. Een energievoorzieningsmodule voor het leveren van de benodigde voedingsspanningen

Bovendien wordt een firmware gebruikt voor het besturen van het meetproces en voor de communicatie en parametrisering van het systeem. De hardware-interface naar de pc bestaat uit een commercieel verkrijgbare microcontrollerboard, dat naast een USB-interface ook een WLAN-interface implementeert. Hiermee kunnen bidirectionele uitwisseling van besturings- en statusinformatie en de overdracht van ultrasone data in real-time plaatsvinden. Met een gebruikersinterface kan het ultrasoonsysteem worden geconfigureerd, kan het ultrasone tijdsignaal live worden gevolgd, geanalyseerd en opgeslagen met verschillende filter- en evaluatiealgoritmen.

De modulaire opbouw van het ultrasoonsysteem en de uitgebreide toepassingskennis stellen het Fraunhofer ZSI in staat om in te spelen op de diverse specifieke behoeften van verschillende bedrijven en sectoren en snel een marktklare, kosteneffectieve oplossing te ontwikkelen.

Fraunhofer-Zentrum voor Sensor-Intelligentie ZSI

Het Fraunhofer-Zentrum voor Sensor-Intelligentie ZSI is een gezamenlijke strategische R&D-initiatie van de Fraunhofer-Gesellschaft voor Toegepaste Onderzoek e.V. en het Saarland. Als centrale ontmoetingsplaats dient het ter versterking van onderzoek en wetenschap in de grootregio Saarland ten gunste van samenleving en economie.

Het Fraunhofer ZSI ontwikkelt sensoren van de volgende generatie met KI-componenten voor toepassingen in materiaalinspectie, productie- en bioprocessen, evenals in de gezondheidszorg. Hierbij staat het gehele proces van dataverzameling tot analyse en evaluatie centraal. Voor het eerst worden sensoren of sensorsystemen ingezet die in real-time en ter plaatse autonome beslissingen nemen en zo processen binnen een gedefinieerd kader sturen. De holistische, integratieve aanpak draagt bij aan het gezamenlijk ontwikkelen van innovatieve toepassingssystemen met partners uit wetenschap en industrie. Deze moeten in een latere fase de producten van de partners aanvullen en uitbreiden.