Delfinalgoritme kan føre til bedre medicinske ultralyd

Millioner af år med evolutionær finjustering har gjort delfiner fænomenalt gode til at bruge ekkolokalisering til at orientere sig, finde mad og kommunikere med hinanden. Men hvordan gør de det egentlig? Ny forskning fra Lunds universitet i Sverige viser, at de udsender to sammenflettede ultralydsstrålekomponenter ved forskellige frekvenser - og med lidt forskellig timing.

Denne nye viden bringer os et skridt tættere på at løse gåden. Et par år siden, Josefin Starkhammar, en forsker i biomedicinsk teknik ved Lunds universitet, opdagede, at de ultralyd, som delfiner udsender til ekkolokalisering, ikke består af et signal, men snarere af to sammenflettede strålekomponenter.

Hendes seneste beregninger viser nu, at de to signaler ikke udsendes på nøjagtig samme tid, selvom de følger hinanden meget tæt. Ligeledes, hun har opdaget, at lydfrekvensen er højere længere oppe i strålen, producerer et lettere ekko inden for dette område.

"Høje og lave frekvenser er nyttige til forskellige ting. Lyde med lave frekvenser spredes yderligere under vand, der henviser til, at lyde med høje frekvenser kan give mere detaljerede oplysninger om objektets form, ”forklarer Starkhammar.

Starkhammar foreslår, at der kan være flere fordele for delfinen:De tidsadskilte signalkomponenter kan muligvis dyret hurtigt måle hastigheden på at nærme sig eller flygte bytte, da variationerne i frekvens giver mere præcise oplysninger om objektets position. Imidlertid, forskerne ved endnu ikke, om dette er, faktisk, sagen.

Josefin Starkhammar arbejdede sammen med Maria Sandsten og Isabella Reinhold, henholdsvis professor og doktorand i matematisk statistik. Sammen, de udviklede en matematisk algoritme, som blev brugt til at afmontere og aflæse de overlappende signaler.

"Det fungerer næsten som en magisk formel! Pludselig kan vi se ting, der forblev skjult med traditionelle metoder, ”siger Josefin Starkhammar.

Ikke alene øger algoritmen vores forståelse af delfinkommunikation, det kan også bane vejen for skarpere billedkvalitet på ultralydsteknologi bygget af mennesker, såsom medicinsk ultralyd. Det kan potentielt bruges til at måle tykkelsen af ​​organmembraner dybere inde i kroppen, for hvilke nuværende metoder er utilstrækkelige.

Et andet muligt forbedringsområde er ekkolod og ekkolod, dvs. det udstyr, der bruges til orientering til søs til at aflæse undervandsmiljøet og spore stimer af fisk.

"Her kunne vi kopiere princippet om at bruge lydstråler, hvis frekvensindhold ændres over tværsnittet. Som et første trin, vi vil genopbygge vores eget udstyr, der er baseret på puls-ekko-princippet, ”siger Josefin Starkhammar.

Sammen med forskere inden for ingeniørgeologi, Josefin Starkhammar har også planer om at prøve teknologien som en erstatning for destruktiv testning af veje, for eksempel ved hurtigt at få et billede af, hvordan en nybygget vej ser ud under overfladen uden at skulle bore efter prøver.

Selv delfinerne selv bliver hjulpet af mennesker, der bedre forstår deres ekkolokaliseringsevner.

"Med større forståelse, vi kan beskytte dem mod menneskelig aktivitet, som kan skade, forstyrre eller deaktivere denne evne, såsom støj fra forsendelse, bunke kører i vandet, undervandsblæsning, kraftfulde bådsonarer og søgning efter olie under havbunden ved hjælp af akustiske metoder, ”siger Josefin Starkhammar.

Forskerne ved endnu ikke, hvordan delfinen rent faktisk sender sine to næsten samtidige strålekomponenter ud.

"Faktisk, det er ganske mærkeligt, at delfinen udsender to forskellige strålekomponenter, da de kommer fra det samme organ. Vi vil meget gerne finde ud af, hvordan netop denne begivenhed opstår, "slutter hun.

For at indsamle data, Josefin Starkhammar byggede et måleinstrument med 47 hydrofoner (mikrofoner til undervandsbrug), der fanger lyde i vand i mange forskellige frekvenser over en hel overflade, for eksempel over hele tværsnittet af delfinsonarbjælker. Delfinlyde blev optaget i Kolmården Wildlife Park i Sverige og i naturparker på Bahamas, Honduras og Californien.