L’acustica a tempo-invertito nell’imaging biomedico
Un suono può essere descritto in qualsiasi punto nello spazio con una quantità scalare e una quantità vettoriale. La quantità scalare, la pressione sonora, può essere misurata con appositi trasduttori. La quantità vettoriale di velocità delle particelle acustiche è divenuta misurabile solo di recente, grazie allo sviluppo di sensori acustici vettoriali. Lo scopo del progetto VECTRA (High-resolution and robust time reversal acoustics using vector sensor arrays) era quello di dimostrare che le ulteriori informazioni registrate da questi nuovi sistemi acustici possono essere sfruttate per controllare la propagazione del suono attraverso mezzi complessi e migliorare la individuazione del bersaglio. I ricercatori hanno sviluppato algoritmi e tecniche per migliorare l’acustica a tempo invertito usando matrici di sensori acustici vettoriali. La metodologia seguita comporta l’inversione nel tempo del suono registrato e la ritrasmissione di questo all’indietro nel mezzo. Il segnale ritrasmesso si propaga verso la sorgente e si rifocalizza sulla stessa. Per misurare i miglioramenti nelle prestazioni dell’acustica a tempo invertito, sono state utilizzate tre metriche fondamentali. Si trattava di risoluzione temporale e spaziale della messa a fuoco dell’inversione temporale, rapporto segnale-rumore della messa a fuoco e velocità di convergenza, che hanno mostrato quanto rapidamente possa essere ottenuta la messa a fuoco. In particolare i nuovi algoritmi e tecniche hanno consentito ai ricercatori di migliorare il rapporto segnale-rumore fino a 15 volte e la velocità di convergenza fino a 10 volte. Inoltre è stato sviluppato un nuovo metodo di elaborazione del segnale per matrici fino al 75-80 % più piccole senza sacrificare le prestazioni. Le prestazioni degli algoritmi e delle tecniche sviluppate e testate attraverso simulazioni numeriche è stata convalidata anche da esperimenti dedicati. Importante è il fatto che l’ipotesi iniziale avanzata dal team VECTRA, che l’acustica a tempo invertito possa essere notevolmente migliorata con i sensori acustici vettoriali, si sia rivelata corretta. Ci si attende che l’imaging biomedico tragga grandi benefici dai risultati del progetto VECTRA. Le nuove conoscenze acquisite attraverso il progetto di ricerca verranno applicate nel contesto di un progetto di follow-up per migliorare le esistenti tecniche di screening del cancro al seno e aumentarne la risoluzione spaziale e temporale. Ulteriori applicazioni sono previste nei sistemi di home entertainment dove l’acustica a tempo-invertito può essere utilizzata per tipizzare l’ambiente interno e localizzare le persone.
Parole chiave
Acustica a tempo-invertito acustica, imaging biomedico, sensori acustici vettoriali, suono, VECTRA