С нового года в лаборатории зрительных систем Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН стартуют эксперименты на новом рентгеновском томографе. Аппарат куплен за счет субсидии на обновление приборной базы ведущих научных организаций, предоставленной Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках национального проекта «Наука и университеты». Это – томограф-«трансформер», конструкцию которого можно менять максимально легко. Запланированные в ИППИ РАН исследования позволят создать новые алгоритмы томографической реконструкции и спроектировать приборы нового поколения.
Преимущество томографии состоит в том, что мы можем видеть внутренние области объекта без его разрушения. Научная группа ИППИ РАН под руководством кандидата физико-математических наук Марины Чукалиной, совместно с российской научно-технической компанией Smart Engines и коллегами из Института системного анализа РАН (ФИЦ ИУ РАН) и Института кристаллографии РАН (ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН), разрабатывает и исследует алгоритмы компьютерной томографии, с помощью которых происходит трехмерная реконструкция объекта по набору его проекций, снятых в рентгеновском диапазоне. Проведение экспериментов и измерений на томографе-трансформере позволит выявить резервы, не задействованные текущим поколением алгоритмов томографической реконструкции, и существенно ускорить развитие этой технологии. В среднесрочных планах — разработка программно-аппаратного комплекса компьютерной томографии нового поколения.
Реконструкция изображений производится при помощи программного обеспечения Smart Tomo Engine, разработанного давним партнёром ИППИ РАН – компанией Smart Engines. Томографические исследования проводятся в ИППИ РАН совместно со Smart Engines и академическими партнёрами уже более четырех лет и направлены, в первую очередь, на совершенствование существующих и разработку новых математических алгоритмов, лежащих в основе этого ПО. Результаты этих исследований регулярно публикуются в высокоцитируемых международных журналах. Таким образом, наши ученые работают не изолированно, находясь в постоянном контакте и с передовой российской индустрией, и с мировым научно-технологическим сообществом.
В результате этого сотрудничества были предложены улучшения алгоритмов, относящихся ко всем трем известным подходам к томографической реконструкции: интегральному, итерационному и нейросетевому. Теперь создание новых алгоритмов должно ускориться.
Но зачем же нужны новые улучшенные алгоритмы?
Одна из актуальных задач томографии состоит в том, чтобы сократить длительность измерения и реконструкции изображений до значений, сопоставимых с временным масштабом наблюдаемых процессов: скажем, следить за ростом кристалла или внутренними движениями бьющегося человеческого сердца. В опытах по контролю роста кристаллической структуры это будут часы, в кардиологических исследованиях — доли секунды. Команда ИППИ РАН с коллегами разрабатывает быстрые, оптимизированные по числу выполняемых операций алгоритмы.
Другая проблема, очень важная для биологии и медицины – это лучевая нагрузка на объект исследования. Чем она меньше, тем лучше, но уменьшение дозы при измерениях ведет к зашумлению данных и появлению паразитных структур («артефактов») на реконструкциях, что затрудняет анализ томограмм. Новые алгоритмы имеют улучшенное соотношение сигнал/шум, что позволяет снизить дозу при сохранении качества изображений.
Современные методы решения указанной проблемы – почти без исключения нейросетевые, и это создает новую опасность. «Сотрудниками нашей коллаборации было показано, что нейросетевые модели реконструкции высокого качества куда более склонны к «выдумыванию» характерных деталей на реконструкции, чем классические методы», — рассказывает Марина Чукалина. — «А ведь артефакты, неотличимые от реальных элементов структуры объекта, абсолютно недопустимы. Особенно это касается медицины». В планах группы — разработка новых, более устойчивых методов реконструкции, как нейросетевых, так и классических.
Еще одним важным свойствам алгоритмов реконструкции является их универсальность. Эксперименты на новом томографе позволят тестировать различные различные условия сбора проекций, включая геометрию съемки, а также различные энергии рентгеновского излучения, что требуется из-за различий в оптической плотности объектов сканирования. Первые испытания аппарата проводились на довольно плотных образцах – горных породах, любезно предоставленных Минералогическим музеем имени А. Е. Ферсмана РАН. С помощью КТ-сканирования удалось реконструировать изображение внутренней полости застывшей вулканической лавы и кристалла. При этом метеорит большого размера пока не поддается рентгеновскому излучению: он слишком плотный, и здесь требуется модификация прибора. ИППИ РАН продолжит сотрудничество с минералогическим музеем: в планах эксперименты с другими породами, а также важный этап любого томографического исследования — совместная интерпретация полученного в результате реконструкции изображения.
Компьютерный томограф, установленный в ИППИ, разработан ЗАО «ЭЛТЕХ-Мед» (технопарк СПбГЭТУ ЛЭТИ). Принцип его работы основан на радиационно-безопасном ретгеновском излучении. Скорость получения изображений составляет до 15 кадров в секунду, при этом рентгеновские снимки моментально выводятся на экран монитора. В томографе можно сканировать предметы с параметрами до 115х115х75 мм.
Проект по развитию методов томографического исследования ИППИ РАН получил финансовую поддержку Российского научного фонда на 2023 и 2024 годы.
Сотрудники лаборатории зрительных систем Марина Чукалина и Марат Гильманов
Процесс 3D-реконструкции кристалла