Группа китайских учёных решила найти способ снизить количество получаемой при рентгеновских снимках радиации: исследователи предлагают использовать однопиксельную камеру, фильтры и технологию ghost imaging вместо обычной технологии проведения рентгеновских исследований.
Для фотосъёмки традиционно используют объектив, который направляет световой поток на матрицу светочувствительных элементов. Чем больше таких элементов — тем лучше изображение. Но существуют методы использования светочувствительной матрицы всего из одного пикселя, которая сама по себе, без специального программного обеспечения, годится только для получения данных об освещённости. Такой подход называют вычислительной фотографией. Одна из задач — избавиться от объектива, самой дорогой части.
Вверху: образец фото. Второй ряд: фото, сделанные однопиксельной камерой с 50 и 2500 шаблонами подсветки. Третий и четвёртый ряд: ускоренные камеры, представленные в марте 2017 года.
Вместе с тем линзы — также значимая и дорогостоящая часть рентгеновского аппарата. Учёные из Китая предлагают более дешёвую технологию получения снимков на основе сенсора в 1 пиксель. Корреляционный метод обработки изображений ghost imaging, созданный около двадцати лет назад, позволил совместить большое количество «слабых» фотографий в одну качественную — пока для обычного источника света, в будущем — для рентгеновских лучей. Одно из достоинств такой системы — возможность использовать дешёвые камеры без дорогой оптики. Но важнее — меньшее воздействие радиации на пациента.
«Наша система гораздо меньше и дешевле, к тому же её можно сделать портативной для использования в полевых условиях», — рассказывает Ву Линг-Ан (Wu Ling-An) из Китайской академии наук в Пекине, глава исследовательской группы.
Технология ghost imaging предполагает направления излучения на объект через фильтр с известными паттернами и многократную съёмку. Каждый новый кадр должен быть сделан через новый фильтр. Учёные из команды Ву меняли положение наждачной бумаги. Учёные экспериментировали на металлических пластинах в форме морской раковины и с вырезанными инициалами. Необходимы тысячи снимков, чтобы из чёрных, белых и серых квадратов собрать финальную картинку. Программное обеспечение, которое знает паттерны фильтра для каждого из снимков, вычисляет итоговый результат. В теории он должен быть не хуже, чем рентгеновские снимки сегодня, но при этом не нужно использовать интенсивное излучение и камеры высокого разрешения.
Технологию ghost imaging использовали для создания подобных систем для видимого и инфракрасного спектров, основанных на программируемых фильтров. С помощью ИК-системы группа учёных под руководством Майлса Пэджетта (Miles Padgett) из Университета Глазго, Великобритания, научилась отслеживать утечки метана. Сейчас команда работает над коммерциализацией изобретения и надеется продавать детекторы компаниям нефте- и газодобывающей отрасли как дешёвый способ находить утечки в трубах.
По мнению Ву, создание программируемого фильтра для рентгеновских лучей является более сложной задачей, так как они свободно проникают через большинство материалов. Пока же для эксперимента, в котором они применяли наждачную бумагу, им пришлось использовать камеру высокого разрешения для отслеживания паттернов. Но можно представить коммерческую систему, для которой производитель изначально записывает все паттерны, так что такая камера понадобится только ему — а потребитель, то есть врач, будет использовать однопиксельную камеру.
Чтобы новая система могла применяться в медицине, учёным предстоит доказать, что итоговая доза радиации ниже, чем в существующих системах. Проблема в количестве снимков, а также в том, что оно будет меняться в зависимости от необходимой для исследования области. Ву уверена, что небольшое излучение для всей тысячи снимков в итоге будет менее опасно для человека.
Научная работа опубликована в марте 2018 года в издании Science. DOI:10.1126/science.aat7285.
Комментарии (25)
boscholeg
04.04.2018 11:17Возможно я немного не по теме сообщу. Но все же. В Новосибирске в ИЯФе разработан сенсор для прямой регистрации рентгеновского излучения без использования люминофорных экранов. Это позволяет исключить шумы и искажения от оптики. Уровень облучения исследуемого при этом минимален. Можно хоть каждый день «просвечиваться».
Технология давно обкатана и внедрена в производство. Производятся флюорографы и досмотровые системы.Yadershik
04.04.2018 14:51+1Мне на таком делали флюорографию в клинике МИФИ лет 10 назад. В Новосибирском аэропорту тоже проходил через такой досмотровый сканер, удобство в том, что снимать с себя вообще ничего не нужно, а доза радиации, как написано на этой кабине, соответствует часу полета на высоте 10000 м (если конечно память меня не подводит, давно было).
vershinin
05.04.2018 19:32Так давно уже существуют эти сенсоры без люминефорных экранов. Или в ИЯФе создали что-то принципиально новое?
boscholeg
06.04.2018 08:15ИЯФ этот сенсор изобрел весьма давно. По моему лет 20 назад. Сенсор этот собрали в линейку как у обычного сканера. Прибор сканирует человека тонким плоским лучём как томограф и создает снимок построчно. Минимальное время сканирования которое я видел своими глазами составляло 2,5 секунды. Сейчас сенсор уже сильно доработан и многократно усовершенствован. Это позволяет уменьшать дозы облучения в десятки раз. Его можно было использовать даже для флюрографии беременных женщин.
Примерно 6 лет назад основная масса производителей по прежнему использовали люминофорные экраны, но всячески это скрывали. Прибор заявлялся как прорывной и цифровой, но по факту работал на старом принципе. Тот же принцип двойного преобразования сначала в видимый свет потом оцифровка. Как дела обстоят сейчас я увы не в курсе так как сменил работу. Но думаю, что в мире не так уж много аналогичных разработок (если вообще есть). Если ошибаюсь поправте меня.
Самое смешное, что большинство наших «непогрешимых» медиков при закупке оборудования стремились купить импортный флюорограф в 10 раз дороже да ещё и устаревший, но напрочь отказывались работать с нашим прибором. По слухам торговые представители HP и прочих производителей очень неплохо заносили на лапу главврачам.
Наших производителей как обычно подводит неумение рекламировать свой товар и надежда на честность конкурентов.
hhba
06.04.2018 08:35Не хочу безапелляционно противоречить boscholeg, но поскольку сам занимаюсь медицинскими детекторами и, мягко говоря, кое-что слышал и видел, то скажу следующее — такие сенсоры и детекторы на их базе существуют сто лет в обед, минимум на трех массовых технологиях, и успешность их в зависимости от области применения варьируется от «все ими завалено» до «ходим-ходим на выставки, пишем-пишем статьи, а никто не покупает». То есть не везде и не всегда сенсоры прямого преобразования подходят, так что детекторы со сцинтилляторами еще долго будут жить, и ничего в них постыдного нет (тут мне, кстати, не до конца ясен комментарий ниже про «всячески скрывали», чего тут стесняться производителю?). Что касается утверждения о существенном снижении дозы для всего класса детекторов прямого преобразования, то оно также далеко от истины, за примерами далеко ходить не надо. Частные случаи существуют и boscholeg как раз о таком видимо и пишет. Но тут, знаете ли, широкое поле для спекуляций, например легко можно подобрать два разных аппарата одного поколения и одной технологии с отличающейся в два дозой на обследование и одинаковым диагностическим качеством (я не про рекламу, как вы понимаете, а про то, что потом реально на объекте происходит).
И, кстати, могу наверное кого-то удивить, но вообще-то просто «взять и снизить дозу» — ни разу не ключевой таргет ни для медсообщества, ни для отдельных врачей, ни для регуляторов, ни для производителей, а уж пациентам оно вовек не сдалось — они от естественного фона на порядки больше набирают. Ну и потом, не надо ведь ничего нового придумывать — если так бояться дозы, то можно тупо к РЭОПам вернуться…
chieftain_yu
04.04.2018 13:32Вопрос тут не только в дозе, но и в скорости.
Если (условно) на одного пациента на обычном аппарате тратится 5 минут, а на новом, с уменьшенной дозой, тратится 60 — то травмпункту (скажем) для обслуживания того же потока пациентов придется делать новые площади, закупать не один аппарат, а 10-12, нанимать больше персонала и так далее…
AndrewRo
04.04.2018 14:25Не очень понятно, каким образом снижается доза облучения, если вместо одной фотографии нужны тысячи.
Tachyon
05.04.2018 13:17Учёные ищут способ снизить количество радиации при рентгеновских снимках
На КДПВ как раз групповое «фото» этих учёных?
КДПВ, для тех кому лень листать наверх
BJM
05.04.2018 17:49То есть речь идет об очень ранней стадии экспериментов и нет никакой уверенности, что суммарная экспозиция будет меньше чем у существующей техники при сравнимом качестве?
Кроме того пассаж про линзы «также значимая и дорогостоящая часть рентгеновского аппарата» нуждаются в уточнении, для понимании порядка цифр. :-) И не окажется ли этот рентгеновский излучатель, способный светить паттернами дороже существующих «линз».
Кстати линзы для рентгенаппарата — это что?hhba
06.04.2018 08:51Это ничто, это снова ученый домогался к журналисту )))
Никаких линз в обычной современной медицинской рентгеновской технике с плоскопанельными детекторами, по крайней мере в основном тракте преобразования сигнала, попросту нет (правда могут быть волоконно-оптические плиты, но это не линзы и стоимость их отнюдь не безумная, на них особо не сэкономишь). Другое дело, что весьма точные и дорогие элементы оптики есть во все еще производимых РЭОПах и детекторах с оптикой (многокамерных например). Правда и здесь слово «дорого» следует понимать условно — де факто РЭОПы и многокамерные детекторы до недавнего времени стоили существенно дешевле современных плоскопанельных детекторов, фактически только в 2016 году начался сильный тренд на снижение цены последних.
Короче по поводу линз и экономии на них в статье написано что-то несуразное. Видимо авторы статьи кроме РЭОПов ничего не видели и впечатлены их конструкцией.
BJM
06.04.2018 10:47Я не шибко разбираюсь в этой области, но прмерно представлял технологию рентгенографии как рентгеновскую трубку, в непрозрачном корпусе со шторками, формирующую поток излучения от точечного практически источника, с одной стороны. И регистрирующую часть с другой. Раньше регистрация была только на пленку, которую потом надо было проявлять/закреплять и т.п., в более современных заменена регистрирующяая часть на разновидности матриц, которые дают цифровое изображение. При этом излучающая часть если и менялась, то только в части интенсивности излучения, если матрица более чувствительна, то и экспозиция может быть меньше. Но вот про «линзы» применительно не к рентгеновским микроскопам, а к обычной рентгенографии услышал впервые, поэтому вопрос и задал.
Спасибо большое за расширение кругозора.hhba
06.04.2018 11:45В общем примерно так все и обстоит, в классической пленочной рентгенографии (про скопию разговор отдельный) оптических элементов особо никаких нет. В случае с теми или иными электронными преобразователями оптика может быть или не быть, но в современной актуальной технике ее нет. Так что либо ученые из статьи не знают, с чем борются, либо они изнасиловали журналиста.
К слову — я готов поверить в первый вариант. У нас были как-то попытки работать с физтеховскими учеными по одной теме, и они заодно сходу нагенерили нам идей по флюорографии (о чем мы их не просили), соответствующих уровню техники двадцатилетней давности. Нечасто большие ученые в курсе state of the art.
DrZlodberg
А существует такой фильтр, который может динамически менять паттерн и непроницаем для рентгена? Тут ЖК матрицей уже не обойтись. И не будет ли такой фильтр сам частично проницаем и создавать дополнительный шум в изображении?
И на сколько можно уменьшить мощность? Не будет ли уменьшение скомпенсировано количеством снимков?
hhba
Проблем с фильтром будет более чем достаточно. Тема сложная и для массовых обследований не особо изученная.
Насчет уменьшения дозы — вопрос еще сложнее, бытовая математика и наивные расчеты мало помогают. Вместо этого можно для сравнения взять что-то уже существующее и сравнимое по смыслу, например томосинтетические исследования в маммографии. Вопрос их эффективности при скрининге в сравнении с обычным 2D-исследованием в двух плоскостях ни разу не решен. Дискуссия идет и нет ей конца, и, как следствие, для всех маммографов с томосинтезом считается хорошим тоном иметь syntetic 2D (и скоро это станет обязательно). Между тем на большинстве маммографов с томосинтезом доза, получаемая при томосинтетическом обследовании, де-факто прилично выше обычной скриниговой (с этим мирятся, так как «это же томо», и в ряде случае за эту плату мы получаем большие возможности в диагностике установленных заболеваний). Само собой это не от блажи делается, а ввиду физики процесса. И получается, что если, к примеру, technician решил в угоду новой моде и ввиду наличия современного аппарата сделать не обычное исследование, а сразу шарахнуть томо с последующим синтетическим выводом 2D (это типа считается нормой), то тетенька получит избыточную дозу за просто так. И вот как бы с описанной в статье технологией не получилось то же самое.
DrZlodberg
Это было бы странно. Томография всё-таки вроде даёт больше информации, так что там есть хоть какой-то смысл. А тут основная идея как раз в уменьшении дозы. И если этого нет…
hhba
Ненене, тут наверное ученый изнасиловал журналиста. Насколько мне известно, смысл в большей степени не в уменьшении дозы, а в упрощении детекторов и потенциальных возможностях получения дополнительной информации (как раз таки предвещается нечто вроде малоугловой томографии). Про уменьшение дозы говорят ради красного словца.
К слову, описанная в статье технология много лет применяется в получении изображений высокорадиоактивных объектов, там она применяется как раз для уменьшения дозы… получаемой детектором. :)
DrZlodberg
А можно чуть подробнее? Какую доп информацию можно так получить?
Про второе тоже не очень понятно. Ведь суммарная экспозиция для получения такого-же снимка, вроде бы, должна быть та же. Или нет?
hhba
Маска имеет конкретные геометрические размеры, так что в некотором роде получается набор различный направлений экспонирования.
Во втором случае — нет, как раз таки дозу уменьшают, получая при этом достаточное разрешение изображения формы и пространственной активности объекта. Детали рассказывать не буду, дабы не напутать, к тому же сам я их знаю со слов людей, которые вряд ли имели право ими делиться.
DrZlodberg
В смысле? Этот метод же как раз с «пространственной активностью» (если я правильно понял смысл) очень не дружит. Тут, как и в томографии, необходима полная статика.
hhba
И тем не менее.
Нет, речь про пространственную радиоактивность. :)
Я просто ранее упоминал полный термин и счел возможным, как это принято в тематических текстах, сократить до «активность».
DrZlodberg
А… Не стоит сокращать в случае, если слово в пределах темы может иметь более одного смысла (как тут получилось).
Как я понимаю, оба пункта работают на одном непонятном принципе :(
hhba
Во втором пункте имеет место, в некотором роде, применение кодирующих апертур.