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 MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise