Сумма технологий: что придет после томографии и рентгена?

8 954 просмотра
Об авторе

КТ

Компьютерная томография, МРТ, УЗИ. Мы все привыкли к тому, что эти машины — и доктора — вглядываются в наши тела по целому ряду причин. Это оборудование помогает диагностировать заболевания, определять травмы или дает будущим родителям возможность взглянуть на своего ребенка. За последние полвека сила вычислений буквально перевернула мир и позволила параллельно развивать способности таких систем компьютерной визуализации. То, что раньше показывалось как двумерные «срезы», стало собираться в трехмерные конструкции в высоком разрешении. Неподвижные картинки прошлого сегодня показывают бьющееся сердце в режиме реального времени. Прогресс был поистине революционным.

Отличаясь в деталях, рентгеновская компьютерная томография, УЗИ и даже МРТ имеют много общего. Изображения, полученные с помощью каждой из этих систем, производятся в процессе элегантного взаимодействия датчиков, физики и вычислений. Они работают не как цифровой фотоаппарат, в котором данные захватываются с помощью датчика и практически идентичны производному изображению. Совсем нет: сырые данные, собранные томографом, МРТ-машиной или ультразвуковой системой, проходят серьезную обработку, прежде чем станут похожи на изображения, по которым врач сможет что-то определить. Сложные алгоритмы помогают собрать Шалтая-Болтая по частям.

Первые методы сканирования

Рентген

Хотя мы используем рентгеновские лучи в некоторых передовых методах визуализации, на самом деле рентгеновское сканирование восходит к концу 1800-х годов. Тенеподобный контраст на рентгеновских изображениях, или проекциям, показывает плотность материала между источником рентгеновских лучей и датчиком данных. (В прошлом использовали кусок рентгеновской пленки, но сегодня обычно используют цифровой детектор). Плотные объекты, например, кости, поглощают и рассеивают намного больше рентгеновских фотонов, чем кожа, мышцы или другие мягкие ткани, которые проявляются более темными на снимках.

В начале 1970-х была разработана технология компьютерной томографии (CAT, Computerized Axial Tomography). Вместо того чтобы делать только один рентгеновский снимок под одним углом, система CAT поворачивает рентгеновские источники и детекторы, собирая много изображений под разными углами — этот процесс известен как томография.

Рентген

Сложность метода заключается том, чтобы собрать все эти данные, со всех рентгеновских лучей и всевозможных углов, и заставить компьютер правильно собрать их в трехмерные снимки, скажем, руки человека. Проблема была в математическом решении, над которым работал австрийский математик Иоганн Радон в 1917 году, и которое позже заново открыл американский физик Аллан Кормак в 1960-х. Используя работу Кормака, Годфри Хаунсфилд, английский инженер-электрик первым продемонстрировал рабочий томограф в 1971 году. За свою работу над CAT Кормак и Хаунсфил были удостоены Нобелевской премии в области медицины в 1979 году.

Растущая роль компьютеров

До недавних пор эти методы обработки были более или менее устоявшимися с 70-х и 80-х годов. Но теперь дополнительные медицинские нужды — и более мощные компьютеры — приводят к серьезным переменам. Наблюдается рост интереса к КТ-системам, которые минимизируют рентгеновское облучение, выдавая качественную картинку с меньшим количеством снимков. В дополнение к этому, некоторые применения вроде сканирования груди накладывают физические ограничения на то, сколько доступа может получить к телу тепловизор. Такое сканирование можно провести с ограниченных точек вокруг субъекта. Что приводит к развитию систем «томосинтеза», в которых ограниченные данные интерпретируются компьютерами с образованием более полных снимков.

Подобные проблемы возникают в контексте сканирования земли на предмет обнаружения объектов — вроде загрязняющих веществ, мин или месторождений нефти — скрывающихся у нас под ногами. Во многих случаях все, что мы можем, это посылать сигналы с поверхности или просверлить несколько отверстий для забора проб. Системы сканирования в аэропортах ограничены по времени и средствам, так что такие рентгеновские системы могут делать лишь несколько снимков.

В этих и многих других областях мы сталкиваемся с меньшим количеством общих данных, что означает, что математический подход Кормака-Хаунсфилда не будет работать должным образом для формирования изображений. Усилия, направленные на решение этих проблем, привели к возникновению новой области исследований, «вычислительного зондирования», в котором датчики, физика и компьютеры собираются вместе и «воспитываются» совершенно по-новому.

Иногда это включает применение компьютерных вычислений большей мощности к тем же данным. В других случаях аппаратные инженеры проектируют оборудование в тесном сотрудничестве с математиками, выясняя, как лучше анализировать имеющиеся данные. Вместе эти системы могут обеспечить новые возможности, которые обещают привести к серьезным изменениям во многих областях исследований.

Новые возможности сканирования

Одним из примеров такого потенциала является биооптика — использование света для глубокого проникновения в тайны человеческого тела. В то время как видимый свет не проникает глубоко в ткани, любой, кто закрывал лазерную указку пальцем, знает, что красный свет проникает минимум на пару сантиметров. Инфракрасный свет может пробиться еще глубже в ткани человека. Это открывает совершенно новые способы сканирования тела, отличные от рентгена, МРТ или УЗИ.

Но опять же, необходима вычислительная мощность, чтобы перейти от снимков к единому трехмерному изображению отсканированных частей тела. Правда, расчеты взаимодействия инфракрасного света с тканями в таком случае будут куда сложнее, чем для рентгеновских лучей.

И это значит, что нам нужен совершенно другой метод, отличный от созданного Кормаком, в котором рентгеновские данные, можно сказать, прямо превращались в снимки плотности тела. Теперь ученые работают на алгоритмом, который запускает процесс снова и снова, скармливая результаты одной итерации в качестве вводных данных для следующей.

Процесс начинается с предоставления компьютеру возможности угадать изображение оптических свойств исследуемой области тела. Затем он использует компьютерную модель, чтобы рассчитать, какие данные сканера выдали бы такое изображение. Вряд ли вас удивит, что первая догадка компьютера вряд ли будет хорошей: вычисленные данные не соответствуют фактическому сканированию.

Когда такое происходит, компьютер возвращается назад и уточняет свою догадку на тему изображения, пересчитывает данные и снова сравнивает их с результатами фактического сканирования. Хотя этот алгоритм гарантирует, что совпадение будет более высоким, он не гарантирует идеальный результат. Поэтому процесс продолжается и компьютер генерирует все более хорошие варианты. Со временем они становятся только лучше: компьютер выдает данные, которые все больше соответствуют данным, собранным настоящим сканером. Когда совпадение становится достаточно высоким, алгоритм выдает финальное изображение как результат, достойный изучения врача или другого профессионала.

Новые пределы этого типа исследований только начинают открывать. За последние 15 лет ученые изучили много возможных применений инфракрасного света, например, для обнаружения рака молочной железы, функциональной визуализации мозга и поиска новых лекарств. Сочетание «больших данных» и «большой физики» требуют тесного взаимодействия биомедиков, математиков и врачей.

Сумма технологий: что придет после томографии и рентгена?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

8 комментариев

  1. kirfoton

    Хочу сказать несколько слов о МРТ. Мне делали МРТ брюшной полости и записали на компакт диск (это делают по желанию клиента). На фотографиях я увидел органы в разрешении около 1 пикселя на миллиметр. Я пошёл опять туда в клинику и поинтересовался, какой предел разрешения аппарата ? Мне ответили : до 5 точек на миллиметр. Вот так некрасиво получается. А всё из - за того, я думаю, чтобы обслужить побольше клиентов , сканирование проводят раза в два быстрее и соответственно картинка получается с плохой детализацией. Это всё перегибы капитализма - хотят извлечь максимум денег при минимуме затрат и времени.

    • trollhunter7

      Во-первых, насколько я знаю, брюхо - самое сложное для мрт исследования, ибо оператору нужно подстраивать компьютер под акт дыхания и соответственно под движение всех внутренних органов, поэтому добиться максимальной разрешающей способности в этой области сложно.. пусть меня поправят, если я не прав, спорить не буду)
      во-вторых, возможно для брюшной полости и не нужна такая точность? может это для ткани мозга только необходимо.. возможно скажете -можно пропустить опухоль на раннем этапе, но когда она размером с 1 мм ее увидеть не получится, она может не отличаться от здоровой ткани, и даже при наличии специальной программы которая сканирует ткани по накоплению в них глюкозы - все-равно можно не увидеть.
      в третьих, все же я считаю что врачу виднее ;) НО, если это хороший добросовестный врач, и да, такие редкость, но есть.

      • kirfoton

        ну, врач несколько раз давала команду "не дышать". Несколько раз задерживал дыхание примерно на 15 секунд. так что эту причину можно исключить

  2. miromakh

    "что придет", "что придет".... Будет либо "томоген", либо что "ренография" :-)

  3. storm X

    помню, в Изгоняющем Дьявола, в 1973 Риган кк раз положили в один из первых МРТ на обследования, оказывается, они выглядели так старомодно (по нынешним меркам)

  4. Superhuman

    Вообще-то уже "Разрешение магнитно-резонансной томографии увеличили в миллион раз", с возможностью определения пространственной структуры молекул.
    А еще знаю что: "Разрешение МРТ увеличили в 100 миллионов раз", то есть можно разглядывать все, в плоть до атомов.
    Важно, чтобы эти технологии теперь вышли из лабораторий в практику.
    Да еще бы связать с суперкомпьютером для получения 3D и с ИИ для качественной интерпритации.
    Куда еще круче, может это и есть будущее диагностики?

  5. Elitnyy

    Супер

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.