Akustyka odwrócona w czasie w obrazowaniu biomedycznym
Dźwięk można opisać w dowolnym punkcie w przestrzeni za pomocą wielkości skalarnej i wektorowej. Wielkość skalarną, czyli ciśnienie akustyczne, można zmierzyć przy użyciu przetworników. Jednak wektor prędkości cząsteczki akustycznej można zmierzyć dopiero od niedawna dzięki opracowaniu wektorowych czujników akustycznych. Celem projektu VECTRA (High-resolution and robust time reversal acoustics using vector sensor arrays) było wykazanie, że dodatkowe informacje rejestrowane przez te nowe systemy akustyczne mogą być wykorzystywane do kontrolowania propagacji dźwięku przez złożone środowiska oraz do usprawniania wykrywania celu. Naukowcy opracowali algorytmy i techniki w celu poprawy akustyki odwróconej w czasie za pomocą matryc wektorowych czujników akustycznych. Zastosowana metodologia obejmuje odwróconą w czasie rejestrację dźwięku i jego retransmisję do środowiska. Retransmitowany dźwięk jest propagowany i ponownie skupiany na źródle. Zastosowano trzy kluczowe wartości metryczne do pomiaru zwiększenia wydajności akustyki odwróconej w czasie. Obejmowały one czasową i przestrzenną rozdzielczość ostrości przy odwróceniu w czasie, stosunek sygnału do szumu ostrości i tempo konwergencji pokazujące, jak szybko można ustawić ostrość. W szczególności dzięki wykorzystaniu nowych algorytmów i technik naukowcy byli w stanie poprawić stosunek sygnału do szumu nawet do 15 razy, a tempo konwergencji do 10 razy. Ponadto opracowano nową metodę przetwarzania sygnału dla matryc mniejszych o 75–80% bez niekorzystnego wpływu na wydajność. Wydajność algorytmów i technik opracowanych i przetestowanych w ramach symulacji numerycznych potwierdzono również za pomocą specjalnie opracowanych doświadczeń. Co ważne, wstępna hipoteza wysunięta przez zespół projektu VECTRA zakładająca, że akustyka odwrócona w czasie może zostać znacznie poprawiona dzięki wektorowym czujnikom akustycznym, okazała się słuszna. Oczekuje się, że wyniki projektu VECTRA usprawnią obrazowanie biomedyczne. Nowa wiedza zdobyta dzięki badaniom prowadzonym w ramach projektu zostanie wykorzystana w kontekście kolejnego projektu mającego na celu poprawę istniejących technik wykorzystywanych do badań przesiewowych raka piersi oraz zwiększenie rozdzielczości przestrzennej i czasowej. Przewiduje się dodatkowe zastosowania w systemach kina domowego, gdzie akustyka odwrócona w czasie może być używana do charakteryzowania środowiska wewnątrz pomieszczeń i lokalizacji osób.
Słowa kluczowe
Akustyka odwrócona w czasie, obrazowanie biomedyczne, wektorowe czujniki akustyczne, dźwięk, VECTRA
