ИСТИНА

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.