![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Цель данного проекта – создание и исследование новых методов решения задачи реконструкции в компьютерной томографии при полихроматическом зондировании и низкой радиационной нагрузке для перехода от качественного уровня интерпретации получаемых результатов к количественному.
The solution of the tomographic reconstruction problem in polychromatic scanning conditions is an actual problem despite the large number of studies being conducted in different laboratories over the world. The problem takes place if we apply classical mathematical tools (created for the case of monochromatic probing) to the projections measured in the polychromatic mode, the result of the reconstruction will be the distribution of some averaged value. For some objects and conditions of probing, the reconstructed images will qualitatively describe the internal morphological structure of objects. For some applications, for example, to detect internal cracks in industrial diagnostics, this result is sufficient. For others, such as medical ones, it is necessary to have not only the boundaries of the regions on the reconstructed halftone images, but to separate the regions differing in composition. For an averaged value, this requirement is not always satisfied. Its performance depends on the optical properties of the object under probing and the spectrum used. Several approaches are used to solve this uncertainty. The hardware approach is the use of two different spectra for probing. Software approaches - pre-processing of measured projections before sending them to the reconstruction unit; post-processing of the reconstruction results or addition of the used spectrum description to the projection formation model for further inclusion of polychromaticity in the reconstruction core. In the first case, the radiation dose is increased. That is not welcome in medical applications, and we do not plan to move to this direction in the project. Based on the experience accumulated in the world, we will continue our research towards adding information about polychromaticity to the reconstruction core in order to create new algorithms for solving the reconstruction problem. In the algebraic reconstruction procedure, special attention will be paid to the application of variational methods for solving systems of linear equations of large dimensions, searching for and justifying optimal regularization procedures. The iterative algorithms ART, SIRT, SART will be investigated in terms of convergence rate and memory requirements. It is also planned to create and test the original post-processing methods, based on the methods of measuring computing systems theory, developed in the scientific school of Prof. Pytiev at the Physics Faculty of Moscow State University. The test measurements are planned to be done on tomographic complexes manufactured and are in operation in the Laboratory of Reflectometry and Small-Angle Scattering of the Russian Academy of Sciences "Crystallography and Photonics" of the Russian Academy of Sciences
В ходе реализации проекта будут получены следующие результаты: - построена модель формирования проекции, регистрируемой в полихроматической моде, Точность модели будет подтверждена сравнением с результатами измерений, проведенных в контролируемых условиях; - построено заключение о связи артефактов на восстанавливаемых классическими методами изображениях с наличием полихроматичности при зондировании. Полученные результаты будут сравниваться с опубликованными ранее заключениями медицинских применений КТ; - предложены методы проверки скалиброванности используемого томографического оборудования; - предложены методы коррекции нескалиброванности оборудования; -разработаны новые методы решения задачи томографическйй реконструкции, минимизирующие погрешность оценок, и методы анализа адекватности используемых математических моделей томографическго эксперимента решаемой задаче реконструкции; - предложены и реализованы итерационные алгоритмы реконструкции, включающие оптимальные процедуры регуляризации, созданы прототипы программных продуктов; - развита модель конфокального коллиматора из геометрической (не учитывающей процесса ослабления рентгеновского излучения в стенках коллиматора) в усовершенствованную (с учетом поглощения), -построена количественная оценка разрешающей силы и чувствительности прибора (системы коллиматор-детектор). Научную значимость результатов будут представлять новые подходы и методы решения задачи томографии в условиях полихроматического зондирования и низкой радиационной нагрузки. Прикладная значимость результатов будет состоять в том, что для медицинских томографов можно будет предложить алгоритмическую основу для создания программного обеспечения нового поколения, позволяющего повысить качество диагностики.
Участники группы решают задачи компьютерной томографии - аппаратные, программные – связанные с управлением экспериментом, а также задачи, связанные с реконструкцией изображений из наборов измеренных проекций. Совместно с биологами проводилась работа по изучению влияния условий обитания на структуру частей опорно-двигательного аппарата млекопитающих. В рамках этой работы были проведены томографические измерения на 2 энергиях, совместная обработка которых позволила биологам описать динамику развития частей опорно-двигательного аппарата. Позднее набор объектов был дополнен образцами конечностей человеческих эмбрионов. Совместный анализ томографических данных позволил выявить пространственное распределение очагов первичного отложения кальция и сопутствующих элементов в кисти человека, что необходимо для построения модели морфогенеза образования кисти руки человека. Был предложен метод автоматической коррекции томографических проекций на полихроматичность используемого излучения, базирующийся на концепции Радоновского инварианта. Использование такого подхода улучшило качество получаемых изображений, но никак не продвинуло нас в сторону количественной интерпретации восстановленных изображений, что является целью предлагаемых исследований.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Разработка и исследование математических методов количественной реконструкции для решения задачи рентгеновской томографии в условиях полихроматического зондирования и низкой радиационной нагрузки |
Результаты этапа: В ходе выполнения работ по первому этапу были получены следующие результаты: - впервые предложен критерий автоматической оценки выраженности артефакта типа “чаши”, обусловленный эффектом ужесточения пучка при полихроматическом рентгеновском зондировании. Его встраивание в итерационные алгоритмы реконструкции позволит проводить оценку выраженности на каждой из итераций, а использование в регуляризирующих членах уточнить решение оптимизационной задачи; - построена покомпонентная спектральная модель формирования проекции, учитывающая влияние каждого из узлов оптического тракта лабораторного томографа; - появление пакетов томографической реконструкции с открытым исходным кодом сделало возможным быструю реконструкцию объемов, помещающихся в видеопамять GPU [Van Aarle W., Palenstijn W. J., Cant J., Janssens E., Bleichrodt F., Dabravolski A., De Beenhouwer J., Batenburg K. J., Sijbers J. Fast and Flexible X-ray Tomography Using the ASTRA Toolbox. Optics Express, 2016. V. 24. № 22.P. 25129-25147]. Однако, если все томографические данные не помещаются в память GPU, то необходимо изменять реализацию алгоритмов реконструкции [Andersson F., Carlsson M., Nikitin V.V. Fast algorithms and efficient GPU implementations for the Radon transform and the back-projection operator represented as convolution operators. SIAM Journal on Imaging Sciences. 2016. V. 9. № 2. P. 637-664]. Для случая, когда все данные не помещаются в видеопамять, нами сформулирована оптимизационная задача с регуляризирующим оператором для реконструкции полного объема. Предложена схема разбиения полного объема на под- объемы; - в настоящее время в радионуклидной диагностике используются гамма-зонды различных производителей. Среди присутствующих на рынке моделей можно упомянуть следующие: C-Trak Gamma Probe от Care Wise [C-Trak Galaxy Gamma Probe System – Care Wise, https://carewise.com/c-trak-gamma-probe-intruments/c-trak-galaxy#probes, (accessed 27 November 2019)], гамма-зонд EuroProbe3 компании Capintec [EuroProbe3 | Capintec, Inc., https://capintec.com/product/europrobe3/, (accessed 27 November 2019)], гамма-зонды компании Crystal-Photonics [Crystal Photonics GmbH | Crystal Optical Systems, https://crystal-photonics.com/enu/products/probe-straight--enu.htm, (accessed 27 November 2019)], Neoprobe Gamma Detection System от Mammatome [Neoprobe - Gamma Detection System | Mammotome, Neoprobe, Sentimag, https://www.mammotome.com/neoprobe/, (accessed 27 November 2019)], продукт компании Dilon Navigator [Surgical Solutions | Dilon Diagnostics, http://dilon.com/surgical-solutions/, (accessed 27 November 2019)]. Гамма-зонд сканирует исследуемый объем, и роль коллиматора состоит в том, что на сцинтиллятор попадают только кванты, идущие из определенной небольшой части этого объема, а остальные кванты отсекаются. Это достигается тем, что апертура коллиматора беспрепятственно пропускает кванты из исследуемой области к поверхности сцинтиллятора, а излучение из соседних областей попадает на материал коллиматора и в нем поглощается. Основная проблема всех современных гамма-зондов состоит в том, что их чувствительность и разрешение связаны обратной зависимостью. Если увеличить диаметр коллиматора, то за счет увеличения телесного угла, высекаемого апертурой, повысится чувствительность. Но автоматически ухудшится разрешение, так как сцинтиллятор будет “видеть” бо́льший объем. Путем применения конфокальных коллиматоров с большим числом каналов можно многократно улучшить оба эти параметра одновременно, так как добиться более высокого разрешения можно уменьшением диаметра канала, а чувствительность повысить за счет увеличения их числа. Нами методом трехмерной печати был создан и протестирован прототип конфокального коллиматора. Построена математическая модель формирования сигнала при использовании конфокального коллиматора перед окном детектора. Результаты, полученные методом математического моделирования, хорошо согласуются с результатами первых тестовых измерений; - предложен метод и алгоритм реконструкции кусочно-постоянных изображений по проекциям. Широко распространенные методы восстановления профилей концентраций примесей в атмосфере состоит в использовании методов регуляризации некорректно поставленных задач. Формально задача в этом случае ставится как задача минимизации суммы квадрата нормы невязки и сглаживающего функционала той или иной формы. В отличие от них, предложенный метод направлен на минимизацию погрешности оценки параметров, интересующих исследователя; - разработаны методы томографии атмосферы на основе теории измерительно-вычислительных систем и с использованием технологий искусственных нейронных сетей. Эти методы применялись в двух вариантах – на основе заданной математической модели регистрации рассеянного излучения, и на основе модели, построенной с помощью искусственной нейронной сети. Как в первом, так и во втором случае использовались данные, полученные методом Монте Карло моделирования рассеяния радиации в атмосфере. В первом случае использовались методы редукции измерений, минимизирующие погрешность восстановления вертикального атмосферного профиля NO2 в равномерной метрике с учетом априорной информации о профиле. Во втором в различных вариантах использовалась нейросеть для определения возможности оценивания парамеров облачности, аэрозоля и других параметров атмосферы. Показана возможность использования данных технологий для решения задач томографии атмосферы. Новизна состоит в использовании модифицированных методов теории измерительно-вычислительных систем к задачам томографии атмосферы. Все полученные результаты являются результатами мирового уровня. Участники проекта выступали с докладами на ведущих мировых конференциях. | ||
2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Разработка и исследование математических методов количественной реконструкции для решения задачи рентгеновской томографии в условиях полихроматического зондирования и низкой радиационной нагрузки |
Результаты этапа: На втором этапе работы проводились по следующим направлениям: подготовлены наборы данных, которые были использованы для исследования пределов применимости интегральных алгоритмов реконструкции и построения формального описания пределов; в алгебраические алгоритмы реконструкции инкорпорирована информация в виде набора ограниченного числа областей с одинаковым значением линейного коэффициента поглощения и об ограничениях на значения коэффициента поглощения; построен алгоритм реконструкции с использованием легковесной нейронной сети, реализующей этап фильтрации; на основе анализа результатов реконструкции 3D изображений пористых структур (проекции отсняты в полихроматической моде в нескольких режимах томографа (ФНИЦ Кристаллография и фотоника РАН)) предложен оригинальный алгоритм обработки результатов реконструкции для оптимального вычисления характеристик пористых структур и создания модели объекта, используемой при проведении динамических расчетов; разработан протокол проведения измерений разрешения и чувствительности метода томографии с использованием созданных методом 3D печати физических фантомов. | ||
3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Разработка и исследование математических методов количественной реконструкции для решения задачи рентгеновской томографии в условиях полихроматического зондирования и низкой радиационной нагрузки |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".