Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Akustische Bildgebung mit Umrisserkennung

22.09.2015

Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine neue Methode entwickelt, um sehr schwache und kurze Schallwellen von längeren zu unterscheiden. Der Einsatz ihrer Technik in der akustische Bildgebung ermöglicht es, bei Objekten spezifisch nur Umrisse zu erkennen.

Mit zurückgeworfenem Schall kann man Objekte sichtbar machen: In der Schifffahrt liefert das Echolot Informationen zum Meeresboden oder zu Fischschwärmen, und Gynäkologinnen nutzen Ultraschallbilder, um Ungeborene im Mutterleib zu untersuchen. Ebenfalls auf Ultraschall basieren Materialprüfungsverfahren, mit denen Eisenbahnschienen oder die Tragelemente von Flugzeugen regelmässig auf Risse untersucht werden.


Kantenbild des ETH-Schriftzugs. (Bild: Molerón M et al. Nature Communications 2015)

Forschende der ETH Zürich entwickelten nun eine neue Art von akustischer Bildgebung – eine, die nicht ein ganzes Objekt fotorealistisch wiedergibt, sondern nur dessen Konturen und Kanten. «Das Resultat dieser Art von Messung ist vergleichbar mit dem Effekt, den man mit dem Kantenerkennungsfilter von Bildbearbeitungssoftware erzielt:

Per Mausklick können dort die Umrisse von markanten Objekten auf Fotos erkannt werden», erklärt Chiara Daraio, Professorin für Mechanik und Materialien. Bloss basiert ihre Methode nicht auf Software, sondern sie filtert die Information zu den Konturen bereits während der akustischen Messung heraus.

Um das Funktionsprinzip des akustischen Kantenerkennungsfilters zu verstehen, muss man wissen, dass Schallwellen an Kanten auf bemerkenswerte Weise reflektiert werden: Es entstehen dort sogenannte evaneszente Wellen. Diese haben eine deutlich kürzere Wellenlänge als die einfallenden Schallwellen, die sie erzeugten.

Ausserdem zerfallen evaneszente Wellen während ihrer Ausbreitung rasch. Sie sind daher nur im Nahbereich dieser Kanten messbar. Zwar gab es schon bisher Methoden, diese Wellen zu messen. Den ETH-Forschenden ist es nun aber gelungen, die evaneszenten Wellen mit einer neuen Methode zu verstärken und vom «normal» reflektierten, längerwelligen Schall zu unterscheiden.

Resonanz-Struktur aus dem 3D-Drucker

Kernstück der Methode ist eine neue Polymer-Struktur, die Miguel Molerón, Postdoc in Daraios Gruppe, entwickelte und auf einem 3D-Drucker herstellte. Es handelt sich dabei um ein Rohr mit quadratischem Querschnitt. Im Innern ist es in fünf nebeneinanderliegende Resonanzkammern unterteilt. Kleine Fenster verbinden die Kammern miteinander. «Diese Struktur verstärkt über die Resonanz die evaneszenten Wellen. Durch den regelmässigen gekammerten Aufbau werden die längeren Wellen herausgefiltert», erklärt Molerón. Am Kopfende der Struktur messen vier Mikrofone den übertragenen Schall.

Um ein Umrissbild von einem Objekt zu erstellen, beschallten die Wissenschaftler das Objekt über einen Lautsprecher mit einem Ton einer bestimmten Frequenz. Auf einem Roboter befestigten sie die Polymer-Struktur mit den Mikrofonen sehr nahe an der Objektoberfläche. So scannten sie systematisch die ganze Oberfläche. Aus der gemessenen Schall-Information konnten sie das Umrissbild erzeugen.

Schnell das Relevante erkennen

Nach Auskunft der Wissenschaftler bringt die neue Messmethode überall dort Vorteile, wo es nicht darum geht, von einem Objekt ein perfektes Bild zu erhalten, sondern wo man möglichst schnell relevante Objektinformationen erfassen muss. «Wir haben eine Methode der akustischen Bildgebung geschaffen, bei der nicht benötigte Information gar nicht erst erfasst wird», sagt ETH-Professorin Daraio. «Um beispielsweise Objekte anhand ihrer Form und Grösse zu klassifizieren, reichen Umrisse und Kanten aus. Ebenso, um Risse oder oberflächliche Materialfehler erkennen zu können», ergänzt Postdoc Molerón.

Bei der Arbeit der ETH-Forschenden handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie. Um sie anwendungsreif zu machen, bedarf es noch weiterer Entwicklung. Für die Studie benutzten die Wissenschaftler Schall im hörbaren Bereich. Interessant wäre jedoch auch, die Methode für den kürzerwelligen Ultraschall-Bereich anzupassen. «Da die Ausmasse der Polymer-Struktur auf die Wellenlänge abgestimmt sein muss, müssen wir dazu die Struktur miniaturisieren. Wir wollen nun herausfinden, wie weit wir dabei gehen können», sagt Molerón. Sein Ziel ist, die akustische Bildgebung zu verbessern – für mögliche Anwendungsgebiete in der biologischen Forschung oder der Medizin.

Literaturhinweis

Molerón M, Daraio C: Acoustic metamaterial for subwavelength edge detection. Nature Communications, 25. August 2015, doi: 10.1038/ncomms9037 [http://dx.doi.org/10.1038/ncomms9037]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2015/09/akustische...

Fabio Bergamin | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Berichte zu: 3D-Drucker ETH Kanten Roboter Schallwellen Ultraschallbilder Umrisse Wellenlänge

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise