SonoOne: Intelligentes und flexibel einsetzbares Ultraschall-Sensorsystem nach dem Baukastenprinzip

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Im Rahmen des Fraunhofer-Zentrums für Sensor-Intelligenz ZSI wurde das
intelligente und flexibel einsetzbare Ultraschallsensorsystem »SonoOne«
nach dem Baukastenprinzip entwickelt. »SonoOne« kann perspektivisch den
sich rasant entwickelnden Ultraschallmarkt, insbesondere im Bereich der
portablen Systeme, mit innovativen Produkten hochflexibel bedienen.
»SonoOne« besteht hardwareseitig aus kostengünstigen,
streichholzschachtelgroßen Modulen, die für die unterschiedlichsten
Anwendungsbereiche einfach zu einem Gesamtsystem kombiniert, konfiguriert
und durch das modulare Konzept universell für die verschiedensten
akustischen Messaufgaben eingesetzt werden können.

Ultraschall ist eine flexibel einsetzbare, kostengünstige, echtzeitfähige
und nicht-invasive Technologie, die sich in einem breiten
Anwendungsspektrum von der Medizin bis zu industriellen Anwendungen
bewährt hat. Im Bereich der medizinischen Anwendungen wird Ultraschall in
unterschiedlichen Komplexitätsgraden eingesetzt. Allerdings liegen auch
die günstigsten Systeme noch im Bereich von mehreren Tausend Euro, was den
Einsatz im Endanwenderbereich (Wearables, mHealth, Smart Health) und die
Adressierung von Massenmärkten sowohl im medizinischen als auch im
technischen Kontext beschränkt. Während beispielsweise im Jahr 2021 das
Marktvolumen für medizinische Wearables 27,2 Milliarden USD betrug,
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 Bereich für
IoT-Anwendugen, wie beispielsweise der Wearables, besteht für die
Ultraschallsensorik noch ein großes Marktpotential in Kombination mit
automatisierten Signalanalysen und Klassifikation mittels künstlicher
Intelligenz.

Ultraschall ist auch in industriellen Anwendungen ein weit verbreitetes
Verfahren z. B. 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.

Mit dem Sensorsystem »SonoOne« ist es dem Fraunhofer-Institut für
Biomedizinische Technik IBMT gelungen, ein intelligentes und flexibel
einsetzbares Ultraschallsensorsystem nach dem Baukastenprinzip zu
entwickeln, um den sich rasant entwickelnden Ultraschallmarkt,
insbesondere im Bereich der portablen Systeme, perspektivisch mit
innovativen Produkten bedienen zu können. Es besteht hardwareseitig aus
kostengünstigen, streichholzschachtelgroßen Modulen, die für die
unterschiedlichsten Anwendungsbereiche durch angebrachte Steckkontakte
einfach zu einem Gesamtsystem kombiniert, konfiguriert und durch das
modulare Konzept universell für die verschiedensten akustischen
Messaufgaben eingesetzt werden können.

Die Intelligenz des Sensors besteht in der Analyse und Auswertung der
aufgezeichneten akustischen Zeitsignale. Dies kann durch eine externe über
WiFi angebundene Recheneinheit wie z. B. ein Tablet, Smartphone oder aber
durch adaptierte kompakte Recheneinheit erfolgen, so dass gemäß dem Edge-
KI-Ansatz die Intelligenz direkt in die Systeme selbst verlagert werden
kann und nur das Ergebnis als Messwert übertragen wird. Die Auswertung in
Cloud Netzwerken ist ebenso vorgesehen, so dass große Datenmengen über
zahlreiche Sensoren an unterschiedlichen Orten erfasst und zentral
gespeichert, analysiert und verarbeitet werden können.

Darüber hinaus können durch den modularen Ansatz zukünftige innovative
Technologien (effiziente Energiespeicher, neue Funkstandards, neue
Materialien für Ultraschallsensoren, Fertigungstechnologien in der
Elektronik und verbesserte Analyse-Algorithmen) einfach durch
Weiterentwicklung und Austausch einzelner Module direkt genutzt und so die
Grundlage für die Nutzung von Ultraschall in völlig neuen Anwendungen
geschaffen werden.

Die Minimalkonfiguration eines jeden »SonoOne«-Ultraschallsystems besteht
aus den folgenden drei Modulen:
1. Einem Ultraschallmodul inklusive Ultraschallwandler zum Erfassen von
Ultraschall-Zeitsignalen über einen weiten Frequenzbereich (kHz-MHz)
2. Einem Kommunikationsmodul zur Parametrisierung und Ansteuerung des
Ultraschall-Moduls sowie zum Transfer der Ultraschalldaten z. B. via WiFi
an ein Endgerät bzw. Server zur Signalanalyse
3. Einem Energieversorgungsmodul zur Bereitstellung der benötigten
Versorgungsspannungen

Darüber hinaus wird eine Firmware für die Steuerung des Ablaufs einer
Messung sowie für die Kommunikation und die Parametrisierung des Systems
verwendet. 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 kann das
Ultraschallsystem parametriert und das Ultraschall-Zeitsignal live
verfolgt, mit verschiedenen Filter- und Auswertealgorithmen analysiert und
gespeichert werden.

Der modulare Aufbau des Ultraschallsystems sowie das umfangreiche
Anwendungs-Knowhow ermöglichen es dem Fraunhofer ZSI, auf die vielfältigen
spezifischen Bedürfnisse verschiedener Unternehmen und Branchen einzugehen
und schnell ein marktfähiges kostengünstiges Produkt daraus abzuleiten
Sprechen Sie uns an!

Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI

Das Fraunhofer-Zentrum für Sensor-Intelligenz ZSI ist eine gemeinsame
strategische FuE-Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft für angewandte
Forschung e. V. und des Saarlands. Als eine zentrale Anlaufstelle dient es
der Stärkung von Forschung und Wissenschaft in der Großregion Saarland zum
Nutzen von Gesellschaft und Wirtschaft.
Das Fraunhofer ZSI entwickelt Sensorsysteme der nächsten Generation mit
KI-Komponenten für Anwendungen in den Bereichen Materialprüfung,
Produktions- und Bioprozesse sowie im Gesundheitswesen. Dabei steht der
gesamte Prozess von der Datenerfassung bis zur Analyse und Auswertung im
Fokus. Erstmals kommen Sensoren bzw. Sensorsysteme zum Einsatz, die in
Echtzeit und vor Ort autark Entscheidungen treffen und so in einem
definierten Rahmen Prozesse steuern. Der ganzheitliche, integrative Ansatz
trägt dazu bei, gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft
innovative Anwendungssysteme zu entwickeln. Diese sollen in einer späteren
Phase die Produkte der Partner ergänzen und erweitern.