Разработка и исследование математических методов количественной реконструкции для решения задачи рентгеновской томографии в условиях полихроматического зондирования и низкой радиационной нагрузкиНИР

Development and study of mathematical methods of quantitative reconstruction for X-ray tomography problem with polychromatic probing and low radiation dose

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# 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:

Прикрепленные к НИР результаты

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".