Uudet kuvantamisteknologiat avaavat uusia näkymiä maailmaan

Blogit
Pekka Rantakari,
Heikki Saari

VTT kehittää hyperspektrikameroita ja tutkateknologiaa, joilla voi nähdä paljon sellaista, mitä emme ole ennen nähneet. Kuvantamisteknologioiden avulla voidaan mitata sadon kypsyys, diagnosoida sairauksia ja tunnistaa turvallisuusuhkia.

Älykäs kuvantaminen mullistaa kaikkea arkeamme: niin maataloutta, turvallisuus- ja pelastusalaa kuin terveydenhuoltoa.

VTT:llä kehitämme esimerkiksi hyperspektrikuvantamista ja tutkateknologiaa. Uudet teknologiat hyödyntävät koneoppimista ja isoa dataa. Niiden avulla nähdään uusin silmin sekä hyvin lähelle, iholle ja keholle, että hyvin kauas, ilmakehään ja avaruuteen.

Tutkateknologia tulee aivan uusille elämänalueille, kuten elintoimintojen seuraamiseen. Hyperspektrikameroiden avulla taas voidaan esimerkiksi tunnistaa materiaaleja ja kemiallisten aineiden pitoisuuksia etäältä.

VTT:n erityisosaamista ovat minikokoiset hyperspektrikamerat, jotka tuovat älykkään aistimisen jopa kuluttajien kännykkäsovelluksiin.

Satoennusteista avaruusteknologiaan

Hyperspektrikuvauksessa mitataan kuvan jokaista pikseliä vastaava sähkömagneettisen säteilyn spektri. Teknologia ulottuu RGB-väriavaruuden ja näkyvän valon aallonpituusalueen ulkopuolelle, joten se auttaa näkemään asioita, joita emme muuten näe.

Hyperspektriteknologia tuottaa etäältä tietoa esimerkiksi kasvuston terveyden tilasta ja kosteudesta tai kemiallisten aineiden pitoisuuksista, mikä tehostaa esimerkiksi maanviljelyä.

Satelliitti- tai droonikuvista voi nähdä, kuinka vahvaa kasvusto on missäkin osassa peltoa ja miten kosteaa on maaperä. Peltoa voidaan lannoittaa täsmänä tehokkaasti, ilman että rehevöitetään vesistöjä turhaan. Hyperspektrikamera tunnistaa sadon kypsyyden, ja sillä voidaan tutkia kasvitautien ja hyönteisten esiintymistä.

Teknologiaa hyödynnetään myös jätteiden lajittelussa, kuten muovilaatujen tunnistamisessa. VTT-lähtöinen yritys Specim on tehnyt muun muassa Fortumin jätteenlajittelulinjalle hyperspektrikameran, joka tehostaa lajittelua.

Hyperspektrikuvantamisen avulla tunnistetaan materiaaleja ja pitoisuuksia vieläkin kauempaa.  VTT kehittää Euroopan avaruusjärjestön kanssa uuden sukupolven satelliittia, jolla mitataan ilmastomuutoksen seurannassa tärkeiden ilmakehän kaasujen pitoisuuksia. Olemme myös mukana kehittämässä pienikokoista kameraa, joka lentäisi emäsatelliitista asteroidille kuvaamaan sen mineraaleja.

Uusi näkymä sairauksiin

Myös terveydenhuolto hyötyy ”kuudennesta aistista”, jonka hyperspektrikuvantaminen tuo. Jos luomesta tai ihomuutoksesta voi saman tien nähdä, mistä on kyse, vältytään turhilta toimenpiteiltä ja voidaan kohdistaa tarpeellinen hoito oikein.

Terveysteknologiayhtiö Revenio on lisensoinut VTT:llä kehitetyn teknologian, jonka pohjalta ihotautilääkärit voivat tunnistaa ihosyövät ja niiden esiasteet. Päijät-Hämeen keskussairaalassa on tehty melkein 10 vuotta melanoomadiagnostiikkaa teknologian avulla. Tehokkaan diagnosoinnin ansiosta voidaan rajata luomi tarkasti niin, että saadaan poistettua myös ihon alaiset melanoomasolut ja näin vältetään potilaalle ikävät uusintaleikkaukset.

Terveydenhuollon sovelluksilla on valtava potentiaali ihmisten hyvinvoinnille. Kehitystyö vaatii aikaa, sillä sovellusten täytyy olla erittäin varmoja.

Terveyttä hyödyttäviä sovelluksia voi tulla myös kännyköihin. Kuvittele vaikkapa sovellus, joka mittaa aurinkovoiteen suojan iholla tai havaitsee suusta ientulehduksen ja karieksen.

Nämä ovat vasta alustavia ideoita. Tuskin osaamme vielä kuvitella kaikkea käyttöä. Pystymme jo valmistamaan hyperspektriteknologiaa mobiililaitteeseen sopiviksi komponenteiksi – seuraavaksi tarvitaan teollisen prosessin kehittäjää ja ratkaisujen kaupallistajaa.

Tutka mittaa myös mikroliikettä

Tutkasta tulee monelle mieleen laivan tai lennonjohtotornin katolla hitaasti pyörivä laite. Tämän päivän tutkat ovat kuitenkin paljon muuta. Niitä voi toteuttaa pienessä koossa ja upottaa monenlaisiin laitteisiin ja järjestelmiin. 

VTT:llä kehitämme uudenlaista MIMO-tutkateknologiaa, joka mahdollistaa erittäin nopean sähköisen skannauksen ja kuvanmuodostuksen. Millimetriaalloilla toimivat tutkat tuottavat 3D-kuvan kaltaista tietoa ympäristöstä. Tutkilla voi mitata hyvin nopeasti muuttuvia asioita ja pientä liikettä rakenteiden värähtelystä ihmisen hengitykseen ja sydämen sykkeeseen.

Kehitämme tutkia alusta lähtien itse, mikropiireistä algoritmeihin. Uuden teknologian ytimessä ovat koneoppiminen ja tekoäly. Ensimmäinen sovellus oli sokeiden opastutka. Toinen oli droonien törmäyksenestojärjestelmä. Parhaillaan kehitämme ja sovellamme tutkajärjestelmiä mm. unitutkimukseen, raideliikenteen paikannustarpeisiin ja pienten miehittämättömien ilma-alusten havaitsemiseen.

VTT:n teknologian etuina on sen kuvantamisnopeus ja helppo skaalautuvuus isommaksi apertuuriksi, mikä mahdollistaa yhä tarkemman ja yksityiskohtaisemman tutkakuvan. Tutka havainnoi ympäristöä tarkkaan ja sitä voidaan käyttää myös pimeässä, sateessa, savussa tai sumussa.

Käyttökohteita on paljon. Tutkan avulla voidaan havaita drooneja etäältä ja tunnistaa niiden aiheuttamia mahdollisia uhkia. Tutkaa voidaan käyttää paikantamiseen tilanteissa, joissa satelliittinavigointi ei ole mahdollista ja sillä voidaan kartoittaa ympäristöä, auttaa pelastajia maastopaloissa tai löytämään ihmiset tulipalon keskeltä. Värinän mittaamisella on sovelluskohteita rakenteiden värähtelymittauksissa ja teollisuudessa koneiden kunnonvalvonnassa.

Elintoimintoja seurataan etäältä

Tutkateknologia tulee myös sellaisille elämänalueille, joihin tutkia ei ensimmäisenä osaisi yhdistää.

Koska tutkasignaali läpäisee ohuita esteitä kuten vaatekerroksia ja muita tekstiilejä, ja tutkat havainnoivat myös hyvin pientä liikettä, ihmisen elintoimintoja voi seurata tutkan avulla etäältä. 

Tutka näyttää millimetrin sadasosien mittaisia liikkeitä, jolloin voidaan mitata myös sydämen sykettä ja sykevälivaihtelua. Olemme ensimmäisinä maailmassa onnistuneet mittaamaan usean ihmisen elintoimintoja samaan aikaan etäältä käyttäen tutkamittausta.

Etämittaamiselle on tarvetta terveydenhuollossa ja tutkimuksessa. Ajatellaan vaikka unitutkimusta, jossa anturit ja piuhat itsessään saattavat häiritä unta. Etämittaus antaa unirauhan ja tuottaa parempaa tietoa.

Uudet kuvantamisteknologiat muuttavat tapojamme nähdä maailmaa. Tutkimustyömme pohjalta asiakasyritykset voivat luoda kaupallistettavia tuotteita ja sovelluksia niin yrityksille kuin kuluttajille.

Pekka Rantakari on VTT:n tutkimustiimin johtaja RF- ja antenniteknologian alalla ja Heikki Saari johtava tutkija hyperspektrikuvantamisen alalla. Jos haluat kehittää kuvantamisteknologioita kanssamme, ota yhteyttä.

Katso video: Seeing beyond the obvious with high performance imaging technologies

Jaa
Pekka Rantakari

Pekka Rantakari

Research Team Leader
Heikki Saari

Heikki Saari

Principal Scientist