Faseroptische Sensoren Selbstnavigierende Fasersonden in der Medizin und akustisches Monitoring -System

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ET System electronic GmbH

Eine Forschungsallianz entwickelt selbstnavigierende Fasersonden und akustische Monitoring-Systeme. Diese werden für die medizinische Bildgebung oder zur Überwachung von Bauwerken eingesetzt.

Unter Koordination des Fraunhofer IOF am Standort Jena hat das QUANTIFISENS-Konsortium aus elf Unternehmen und zwei Forschungseinrichtungen in dreijähriger Projektlaufzeit Sensoren basierend auf Spezialfasern entwickelt. Die Ergebnisse adressieren zwei verschiedene Anwendungsfelder.

„Der effektive Wissenstransfer zwischen Forschung und Industrie ist unser Wettbewerbsvorteil. Da ist die Fraunhofer-Gesellschaft weltweit führend“, fasst Dr. Stephanie Hesse-Ertelt zusammen. Sie ist leitende Forschungs- und Entwicklungskoordinatorin den QUANTIFISENS-Verbund.

Selbstlokalisierung durch laserbasierte Faserdeformation

Ein Highlight des Projekts ist die selbstnavigierende Fasersonde für die medizinische Bildgebung. Sie kombiniert drei Bildgebungsmodi mit Laserbeleuchtung zur gewebespezifischen Darstellung. Der technische Durchbruch liegt in der kontinuierlichen Positionsbestimmung durch Analyse minimaler Laserstrahl-Modulationen.

Kleine Änderungen im Laserstrahl werden zur Messung von Biegungsgrad und Krümmungsrichtung der Faser ausgewertet. Moderne Kalibrieralgorithmen in Verbindung mit KI-basierter Datenauswertung ermöglichen eine präzise 3D-Lokalisation in Echtzeit. Die Sonde kennt dadurch kontinuierlich ihre Position im Körper, wodurch röntgenbasierte Navigationshilfen überflüssig werden. Eine VR-Brille visualisiert die Bilder in Echtzeit und eröffnet neue Möglichkeiten für schonendere und präzisere Eingriffe. Das System wurde als Demonstrator aufgebaut und steht für weitere Tests zur Verfügung.

Faseroptische Akustik- und Temperatursensorik

Beim Distributed Acoustic Sensing (DAS) fungieren Glasfasern nicht nur als optische Übertragungsmedien, sondern auch als hochsensible Vibrationssensoren. Bereits geringste mechanische Schwingungen modulieren die übertragenen optischen Signale messbar.

Mit der Multi-Parameter-Detektion haben die Forscher des Fraunhofer IOF zusammen mit einem Telekommunikationsausrüster ein Spezialkabel mit unterschiedlichen Fasertypen zur simultanen Erfassung akustischer und thermischer Parameter entwickelt. Die Signaldifferenzierung erfolgt durch wellenlängenselektive Auswerteverfahren.

Infrastruktur-Monitoring: In Gebäuden verlegte Sensorkabel detektieren über die akustische Faser mechanische Spannungen im Beton oder strukturelle Veränderungen. Die Temperaturfaser erkennt gleichzeitig thermische Anomalien wie die Entstehung eines Brandes. Dank der Dual-Parameter-Überwachung sind präventive Wartungsstrategien und Frühwarnsysteme möglich.

Quantenkorrelierte Bildgebung

Bei der Quantenbildgebung werden zwei verschränkte Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen eingesetzt. Davon dient einer zur Objektbeleuchtung, der andere zur Detektion. Der Informationstransfer zwischen beiden Strahlen erfolgt über einen nichtlinearen Kristall als Quantenverschränkungsmedium. Diese Konfiguration ermöglicht hochauflösende Bildgebung bei minimaler Energiedosis am Objekt. Für medizinische Anwendungen bedeutet das weniger Gewebebelastung bei gleichzeitig verbesserter Bildqualität und somit ein kritischer Vorteil in der sensitiven Diagnostik.

KI-gestützte Signalverarbeitung

Algorithmic Processing: Die Komplexität der multi-modalen Sensorsignale erfordert leistungsfähige KI-Algorithmen zur Echtzeitauswertung. Machine-Learning-Modelle extrahieren relevante Merkmale aus den hochdimensionalen Datensätzen und ermöglichen eine automatisierte Interpretation der Messwerte. Für zeitkritische Anwendungen wie die intraoperative Navigation erfolgt die KI-Prozessierung lokal am Sensor-System. Dies reduziert Latenzzeiten und erhöht die Systemverfügbarkeit.

Die nun beginnende Exploitation-Phase fokussiert auf die Überführung der Demonstratoren in marktfähige Produkte. Hardware- und Software-Hersteller planen enge Kooperationen zur System-Integration. Das Konsortium hat nicht nur Technologien entwickelt, sondern auch ein regionales Netzwerk entlang der gesamten Wertschöpfungskette etabliert. Das schafft Voraussetzungen für eine schnelle Markteinführung.

Bereits in Vorbereitung befindliche Anschlussvorhaben sollen die Hardware-Software-Integration vertiefen. Dabei spielt KI eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung komplexer Sensordatenfusion.

Das Fraunhofer IOF bringt jahrzehntelange Expertise in der Entwicklung anwendungsspezifischer Spezialfasern ein. Das Technologie-Portfolio umfasst neben den medizinischen Fasersonden auch Quantenbildgebungsverfahren für die Materialwissenschaft. Mit diesem breit gefächerten Ansatz positioniert sich die Thüringer Photonik-Industrie als europäisches Zentrum für faseroptische Zukunftstechnologien und adressiert Märkte mit prognostiziert zweistelligen Wachstumsraten. (heh)

(ID:50645516)