В первой части мы рассказали, почему ручной рентген в принципе можно превратить в томограф и какая математика мешала это сделать раньше. Судя по вопросам после докладов, самой убедительной части в той истории как раз и не хватало: а как это выглядит вживую? Поэтому сегодня никаких аксиальных коллинеаций.
Мы включили запись на телефоне и сняли одно исследование целиком, от первого кадра до 3D-картинки. Ролик склеен из двух записей, с телефона и с экрана ноутбука, но идёт в реальном времени; ускорены только гифки ниже, и это подписано.
Что вообще лежит на столе?
Немного. Плоский детектор, на нем свиная нога в полиэтиленовом пакете, та самая, из первой статьи, которая всё так же кочует между морозильником и экспериментальным столом. В ногу помещены куски металла разной рентгенооптической плотности: главная задача обнаружить их и понять, как они расположены относительно кости. Тут же, на детекторе, стоит якорь – прямоугольный тетраэдр с металлическими шариками в вершинах, о котором мы подробно писали в первой части. Он никак не привязан к детектору, просто стоит там, куда его поставили. На этом оборудование заканчивается: ни кольца гентри, ни станины, ни рельса, ни единого мотора.
В руке у оператора портативный острофокусный рентгеновский аппарат для выполнения рентгеновских исследований “ПАРДУС-Р”, серийный и сертифицированный, на той же аппаратной базе ЭЛТЕХ-МЕД, что и стоматологические «ручные рентгены». Об этом нас спрашивают чаще всего, поэтому повторим: новое железо мы пока не разрабатывали. Детектор и источник собираются из того, что уже есть на рынке, укладываются в чемодан и весят меньше пяти килограммов. Всё новое живёт в ноутбуке, в программе Smart Tomo Engine, в окошке с будничным названием HCT Scanner Controller.
Зеленый фартук на операторе, если что, настоящий. Съемка с рук означает, что человек стоит рядом с источником, и, хотя доза, как мы разбирали в прошлый раз, получается очень скромной, правила радиационной безопасности на прототип распространяются точно так же, как на серийный аппарат.
А как это снимается?
Оператор обходит объект и делает снимки, как фотограф, которому нужно снять вазу со всех сторон. Меток на полу нет, разметки углов тоже: чуть выше, чуть левее, с другого края стола, лишь бы нога вместе с якорем попадала в кадр. Если якорь не попал, то для программы это тоже не трагедия, даже трех из четырех шариков достаточно для корректной работы, но вероятно кадр будет потрачен впустую. После каждого нажатия на спуск проекция через пару секунд появляется на экране, и можно заметить тень от тетраэдра в виде четырех точек и рёбер между ними. По этим четырём точкам программа потом восстановит, откуда был сделан каждый кадр. Если коротко, в этом и состоит X-SLAM: траекторию источника относительно детектора мы вычисляем по теням произвольно расположенного якоря, а не по жестким датчикам положения, подробности в первой части.
В журнале программы всё выглядит буднично: «Started acquisition of data 15:23:29», «Projection 1 captured 15:23:43», и так до «Projection 17 captured 15:26:33». Первый кадр в 15:23:43, семнадцатый в 15:26:33: по десять-одиннадцать секунд на кадр, вся серия с запуском чуть больше трёх минут. Темп задает аппарат, а не алгоритм: экспозиция плюс пауза до следующего снимка. Дело в том, что аппаратная часть применяется далеко не так, как предполагали производители, источник выключается после каждого снимка и должен снова выходить на режим, детектор не оптимизирован для скоростной съемки и спокойно тратит по пять секунд на проекцию даже без учета экспозиции. Производители обещают, что такое оборудование появится, просто раньше на него не было особого спроса.
В схеме съемки было заложено 30 проекций, но оператор остановился на семнадцати: чтобы найти куски металла хватает и десяти-пятнадцати. Стационарный томограф за одно исследование снимает тысячи проекций, отсюда же и часть разницы в дозе, хотя главную роль в ней играет маломощный микрофокусный источник.
Кнопка «Reconstruct»
Дальше аппарат кладут на стол и жмут Reconstruct. В очереди появляются три задачи: предобработка проекций, оценка положений источника и собственно реконструкция. Средняя из них и есть X-SLAM в чистом виде: по проекциям шариков программа вычисляет, где находился источник в каждый из семнадцати мгновений съёмки. Реконструкция проприетарная и итерационная, про которую по-хорошему нужно писать отдельный хабр. Реконструкция на ноутбуке в даже без использования GPU укладывается в секунды. В ролике между нажатием кнопки и появлением первых срезов проходит около десяти секунд.
И что в итоге видно?
На экране появляются три ортогональных среза и 3D-вид. Кость видна целиком, с суставными поверхностями; ярко-белые точки на срезах — металл, размер вокселя в пониженном разрешении 1.12 мм. Если в 3D-виде поднять порог прозрачности, мягкие ткани и кость гаснут, и остается только металл, висящий в пространстве так, как его расположили. Можно покрутить и посмотреть, какой лежит глубже, какой упирается в кость, а какой остался в стороне. Травматологу, собственно, это и нужно: где именно инородный объект и что вокруг него.
Рис. 5. Реконструкция по 17 проекциям: три среза и 3D-вид. Белые точки на срезах — металлические фрагменты с рис. 1.
Честности ради: по разрешению и по контрасту мягких тканей это не стационарный КТ и им не станет (а если станет, то скорее всего перестанет использовать человека оператора). В первую очередь это прибор для ситуации, когда томографа нет и в ближайшие часы не будет: машина скорой помощи, фельдшерский пункт, полевой госпиталь, ветеринарная клиника в райцентре. Там выбирают не между хорошим и отличным 3D, а между 3D и плоским снимком. Во вторую очередь, это экстремально малодозовый КТ. Иногда КТ делают, чтобы ответить на вопросы, на которые можно было бы ответить с использованием ручного томографа: измеряют размеры и форму дефектов кости, визуализируют осколки, следят за динамикой лечения, при этом пациент получает огромную дозу, и делать такую процедуру регулярно никому не рекомендуется.
Где это уже пробуют?
Прибор сейчас крутят в руках врачи, судмедэксперты, ветеринары и культуроведы. Главное, что от них слышно: крупные осколки видно, и понятно, как они лежат относительно кости.
Интересное применение для прибора находится при исследовании картин, 3D реконструкция может помочь обнаружить и исследовать второй слой краски, помочь при реставрации картин и других предметов искусства.
Парочку картин для тестовых экспериментов удалось отснять в научно-исследовательской лаборатории Московского музея современного искусства (за что им отдельное большое спасибо). Например на портрете Льва Толстого хорошо видны дефекты отколовшегося грунтового слоя, которые можно лучше позиционировать и точнее измерить чем при обычных рентгеновских исследованиях.
Путь от идеи до этого ролика занял у нас 8 лет и целиком пройден на собственные средства компании. Что дальше? Сокращаем интервал между кадрами, улучшаем реконструкцию, ищем новые области применения и задачи, в которых можно полноценно заменить КТ, идем по длинному пути медицинской регистрации и клинической апробации. Несмотря на готовность самого продукта, это только первый шаг для того, чтобы трикодер из Star Trek перестал быть фантастикой.
Немного о нас
Мы – научно производственная компания Smart Engines, которая занимается распознаванием документов и компьютерной томографией. Научная составляющая всегда была и остается для нас первым приоритетом – передовые разработки не остаются секретными ноу‑хау, а становятся достоянием широкой общественности. Мы верим, что такой подход способствует развитию общего уровня науки и технологии, и мотивирует нас самих развиваться интенсивнее.
Отдельное спасибо партнёрам из ЭЛТЕХ-МЕД за аппаратную базу и коллегам участвующим в апробации прибора для самых неожиданных исследований.
Следите за нашими новостями в нашем канале!
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1086680/