Ultraschall ist eine flexibel einsetzbare, kostengünstige, echtzeitfähige und nicht-invasive Technologie. Sie hat sich in einem breiten Anwendungsspektrum von der Medizin bis zu industriellen Anwendungen bewährt. Im Bereich der medizinischen Anwendungen wird Ultraschall in unterschiedlichen Komplexitätsgraden eingesetzt. Allerdings liegen auch die günstigsten Systeme noch im Bereich von mehreren Tausend Euro. Das beschränkt bisher den Einsatz für potenzielle Endanwender (Wearables, m-Health, Smart Health) und in Produkten für den Massenmarkt, sowohl im medizinischen als auch im technischen Bereich. So betrug beispielsweise im Jahr 2021 das Marktvolumen für medizinische Wearables 27,2 MRD. USD. Hingegen erreichte der Markt für Blutflussmessgeräte, die größtenteils auf der Ultraschall-Doppler-Technologie basieren, im selben Jahr lediglich ein Volumen von 0,533 Milliarden USD. Gerade im kostengünstigen Segment für Anwendungen aus dem Bereich des Internet der Dinge (IoT) besteht für die Ultraschallsensorik noch ein großes Marktpotenzial – in Kombination mit automatisierten Signalanalysen und Klassifikation mittels künstlicher Intelligenz (KI).
Ultraschall in Medizin und Industrie gefragt
Ultraschall ist auch in industriellen Anwendungen ein weit verbreitetes Verfahren, beispielsweise zum Messen von Flussgeschwindigkeiten, Abständen oder Füllständen. Anders als in medizinischen Anwendungen sind die technischen Untersuchungsobjekte wesentlich stärker in Größe, Form und Material differenziert.
Daher sind jeweils dedizierte anwendungsspezifische Systeme mit unterschiedlichem Integrationsgrad kommerziell verfügbar. Diese Systeme sind entweder flexibel ausgelegt und infolgedessen komplex und teuer. Oder sie sind speziell für eine einzige Anwendung entwickelt und daher potenziell günstig in der Herstellung.
Ultraschallsensoren im Baukastensystem
Mit dem Sensorsystem „Sono One“ ist es dem Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT gelungen, ein intelligentes und flexibel einsetzbares Ultraschallsensorsystem nach dem Baukastenprinzip zu entwickeln. Damit bedient es den sich rasant entwickelnden Ultraschallmarkt, insbesondere im Bereich der portablen Systeme.
Es besteht hardwareseitig aus kostengünstigen, streichholzschachtelgroßen Modulen. Diese lassen sich für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche durch angebrachte Steckkontakte einfach zu einem Gesamtsystem kombinieren, konfigurieren und durch das modulare Konzept für die verschiedensten akustischen Messaufgaben einsetzen.
Die Intelligenz des Sensors besteht in der Analyse und Auswertung der aufgezeichneten akustischen Zeitsignale. Dies kann durch eine externe, über WiFi angebundene Recheneinheit erfolgen. Denkbar hierfür sind zum Beispiel ein Tablet, Smartphone oder aber eine adaptierte kompakte Recheneinheit. Dadurch kann gemäß dem Edge-KI-Ansatz die Intelligenz direkt in die Systeme selbst verlagert und nur das Ergebnis als Messwert übertragen werden. Die Auswertung in Cloud Netzwerken ist ebenso vorgesehen. Damit lassen sich große Datenmengen über zahlreiche Sensoren an unterschiedlichen Orten erfassen und zentral speichern, analysieren und verarbeiten.
Auch für zukünftige Technologien ausgelegt
Darüber hinaus können durch den modularen Ansatz zukünftige innovative Technologien direkt genutzt werden. Dafür lassen sich einzelne Module einfach durch weiterentwickelte neue Module ersetzen. Das schafft wiederum die Grundlage dafür, Ultraschall in völlig neuen Anwendungen zu einzusetzen.
Gründe für weiterentwickelte Module könnten sein:
- effiziente Energiespeicher,
- neue Funkstandards,
- neue Materialien für Ultraschallsensoren,
- Fertigungstechnologien in der Elektronik und
- verbesserte Analyse-Algorithmen.
Die Minimalkonfiguration eines jeden „Sono One“-Ultraschallsystems besteht aus drei Modulen:
- einem Ultraschallmodul inklusive Ultraschallwandler, die Ultraschall-Zeitsignale über einen weiten Frequenzbereich (kHz-MHz) erfassen,
- einem Kommunikationsmodul, mit dem sich das Ultraschall-Moduls parametrisieren und ansteuern lässt, und das o Ultraschalldaten transferiert, beispielsweise via WiFi an ein Endgerät beziehungsweise Server zur Signalanalyse, sowie
- einem Energieversorgungsmodul, das die benötigten Versorgungsspannungen bereitstellt.
Übertragung von Ultraschalldaten in Echtzeit möglich
Darüber hinaus kommt eine Firmware für die Steuerung des Ablaufs einer Messung sowie für die Kommunikation und die Parametrisierung des Systems zum Einsatz. Die Hardware-Schnittstelle zum PC bildet ein kommerziell erhältliches Microcontrollerboard, welches neben einer USB-Schnittstelle auch ein WLAN-Interface implementiert. Es ermöglicht den bidirektionalen Austausch von Steuer- und Statusinformationen sowie die Übertragung der Ultraschalldaten in Echtzeit.
Mit einem User-Interface lässt sich das Ultraschallsystem parametrieren und das Ultraschall-Zeitsignal live verfolgen. Verschiedene Filter- und Auswertealgorithmen zum Analysieren und Speichern stehen zur Verfügung.
Der modulare Aufbau des Ultraschallsystems sowie das umfangreiche Anwendungs-Know-how ermöglichen es dem Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI, auf die vielfältigen spezifischen Bedürfnisse verschiedener Unternehmen und Branchen einzugehen und schnell ein marktfähiges kostengünstiges Produkt daraus abzuleiten.
Das Fraunhofer ZSI ist eine gemeinsame strategische FuE-Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft für angewandte Forschung e. V. und des Saarlands. Die Mitarbeiter entwickeln Sensorsysteme der nächsten Generation mit KI-Komponenten für Anwendungen in den Bereichen Materialprüfung, Produktions- und Bioprozesse sowie im Gesundheitswesen.
Kontakt:
Fraunhofer IBMT
Dr. Wolfgang Bost
E-Mail: wolfgang.bost@ibmt.fraunhofer.de
www.ibmt.fraunhofer.de
www.zsi.fraunhofer.de
