Die Zeitumkehr-Akustik in der biomedizinischen Bildgebung
Ein Geräusch kann für jeden räumlichen Punkt über skalare und vektorielle Quantitäten beschrieben werden. Die skalare Quantität, der Schalldruck, kann unter Verwendung von Transducern gemessen werden. Der Geschwindigkeitsvektor akustischer Teilchen ist jedoch erst seit Neuerem über die Entwicklung akustischer Vektorsensoren messbar geworden. Das Ziel des Projekts VECTRA (High-resolution and robust time reversal acoustics using vector sensor arrays) bestand darin, zu demonstrieren, dass die zusätzlichen Informationen, die von diesen neuen Akustiksystemen aufgezeichnet werden, genutzt werden können, um die Schallausbreitung über komplexe Medien zu steuern und um die Zielerkennung zu verbessern. Forscher entwickelten unter Verwendung von Anordnungen akustischer Vektorsensoren Algorithmen und Techniken zur Verbesserung der Zeitumkehr-Akustik. Die verfolgte Methodologie beinhaltet die Zeitumkehr aufgezeichneter Schallgeräusche und deren Rückübertragung in das Medium. Das Rückübertragungssignal breitet sich in Richtung der Quelle aus und wird auf die Quelle neu ausgerichtet. Drei wichtige Metriken wurden zur Messung von Leistungsverbesserungen hinsichtlich der Zeitumkehr-Akustik verwendet. Hierbei handelte es sich um die temporale und räumliche Auflösung des Zeitumkehr-Fokus, das Signal-Rausch-Verhältnis des Fokus und die Konvergenzrate, die zeigten, wie schnell der Fokus erreicht werden kann. Unter Verwendung der neuen Algorithmen und Techniken waren Forscher konkret in der Lage dazu, das Signal-Rausch-Verhältnis um das bis zu 15-fache und die Konvergenzrate um das bis zu 10-fache zu verbessern. Ferner wurde eine neue Signalverarbeitungsmethode für Anordnungen entwickelt, die ohne Leistungseinbußen um bis zu 75-80 % kleiner sind. Die Leistung der entwickelten und anhand nummerischer Simulationen geprüfter Algorithmen und Techniken wurde ebenfalls durch dedizierte Experimente validiert. Bedeutsamer Weise erwies sich die Ausgangshypothese, welche das VECTRA-Team verfolgte – dass die Zeitumkehr-Akustik durch akustische Vektorsensoren wesentlich verbessert werden kann – als korrekt. Es wird damit gerechnet, dass die biomedizinische Bildgebung von den VECTRA-Ergebnissen profitiert. Neues Wissen, das im Zuge der Projektforschung erlangt wird, wird im Zusammenhang mit einem Folgeprojekt angewandt werden, um bestehende Techniken zu verbessern, die für Brustkrebsuntersuchungen und für eine Verbesserung der räumlichen und zeitlichen Auflösung Anwendung finden. Weitere Anwendungen sind für Home-Entertainment-Systeme vorgesehen, in denen die Zeitumkehr-Akustik zur Charakterisierung der Innenumgebung und zur Lokalisierung von Personen genutzt werden kann.
Schlüsselbegriffe
Zeitumkehr-Akustik, biomedizinische Bildgebung, akustische Vektorsensoren, Schall, VECTRA