В сегодняшней статье речь пойдет о Smart Tomo Engine 2.0 — новой версии нашего продукта реконструкции трехмерных объектов из набора их томографических проекций (рентгенограмм). По сравнению с предыдущей версией у новой выше качество получаемых изображений, существенно повышено быстродействие, улучшена технологическая совместимость с программами анализа трехмерных данных и с различными видами томографов. Заходите под кат, чтобы увидеть работу новой версии STE на примере реконструкции цветов (в честь Международного женского дня).

О том, как устроен метод компьютерной томографии (КТ), мы писали ранее. Здесь только кратко повторим. Рентгеновское излучение проходит сквозь объект под разными углами и регистрируется детектором. Полученный набор рентгенограмм обрабатывается с помощью программы, результатом работы которой является 3D‑изображение внутренней структуры объекта. Smart Tomo Engine как раз и является такой программой.

С чего все начиналось или Smart Tomo Engine 1.0

Первая версия Smart Tomo Engine 1.0, которая вышла 2020 году и про которую мы, конечно же, писали в блоге на Хабр, предоставляла посредством API следующие функции: чтение томографических изображений (проекций) в DICOM формате, собственно томографическую реконструкцию и сохранение результатов реконструкции в DICOM или PNG. Для выполнения реконструкции на выбор предлагалось три алгоритма: FBP, DFR и наш уникальный ускоренный алгоритм реконструкции — HFBP [1]. STE 1.0 включал в себя графический интерфейс пользователя, обеспечивающий двухмерную визуализацию томографических изображений и результатов реконструкции.

STE 1.0 могла реконструировать данные с медицинских томографов первого поколения, синхротронных центров и некоторых лабораторных микротомографов. Как можно заметить не очень широкий круг применений для первой версии продукта. Кроме этого, реальные данные зачастую подвержены искажениям, которые необходимо учитывать при выполнении реконструкции. Из всего этого следует, что продукт нуждался в улучшениях как в ширину, так и в глубину.

Что нового в Smart Tomo Engine 2.0

Расширенная линейка поддерживаемых устройств

В STE 2.0 поддерживается реконструкция данных с индустриальных томографов, портальных инспекционно‑досмотровых комплексов, новейших медицинских приборов, лабораторных микротомографов. Есть возможность работы с данными синхротронов, которая уже была в первой версии STE. Как этого добились и какие фичи у нас появились, покажем на примере сравнения с мировыми аналогами.

Функциональное сравнение STE 2.0 c мировыми аналогами

Мы решили сравнить STE 2.0 с мировыми и российскими программами для томографической реконструкции. В таблице приведена усредненная информация по следующим мировым программам: VGMax (Volume Graphics, США), CERA (Siemens Healthineers Global, Германия), efX‑CT (North Star Imaging»s Inspection Services Group, США). Для сравнения с образцами из РФ выбраны следующие программы: TomoRec (ЗАО «ЭЛТЕХ‑Мед», г. Санкт‑Петербург) и МикроКТ (ООО «ПРОДИС.НДТ», г. Москва). Вся информация взята с сайтов производителей и из брошюр.

Реконструкция и коррекция томографических данных

В следующей таблице приведены сравнительные характеристики по реконструкции, коррекции томографических данных, подавлению артефактов, возникающих на реконструкциях.

Загрузка, выгрузка и визуализация

В таблице ниже приведены сравнительные характеристики по возможностям загрузки томографических данных, выгрузке результатов реконструкции, также приведен список поддерживаемых платформ, вычислителей и ОС.

По сравнительным таблицам видно, что STE 2.0 стал хорошей альтернативой зарубежным аналогам, наголову превосходя российские программы для реконструкции.

А теперь мы расскажем о специализированных функциях STE 2.0, которые подчеркивают наше преимущество. Почти все уникальные возможности программы содержат запатентованные разработки нашей команды.

Уникальные фичи STE 2.0

Технология "под контролем реконструкции"

Если методы кругового и спирального сканирования с последовательным сбором рентгенограмм стали практически традиционными, то технология под контролем реконструкции действительно уникальная и является нашей новой разработкой. Она позволяет снизить дозовую нагрузку (что важно для медицинских применений) и время проведения измерения. Последнее актуально для измерений в нанометровом диапазоне.

При обычной схеме сканирования сначала регистрируются все данные, а потом уже происходит реконструкция. В схеме «any‑time» результаты томографической реконструкции анализируются сразу после получения каждой новой серии проекций и, если точность реконструкции достигнута или не может быть достигнута, то принимается решение об остановке процесса сканирования [2].

Мы попытались показать на рис. 2 как это работает. Применение подхода в нанотомографии описано в работе [3]. Результат впечатляет: время измерений удалось сократить на 20% в сравнении с классическим протоколом.

Алгоритм FOVEA

FOVEA — итерационный алгоритм, предназначенный для расширения области видимости реконструкции, позволяющий устранить характерные артефакты реконструкции, возникающие при выходе объекта из поля зрения томографа. Алгоритм — наша собственная запатентованная разработка, о которой мы писали здесь. Пример реконструкции без использования FOVEA, и демонстрация эффективной работы алгоритма приведены на рисунке 3.

Как видно по рис.4, результат налицо. Вопрос о реконструкции объектов, которые чуть больше детектора, теперь решен! 

Алгоритмы коррекции томографических данных

Все алгоритмы коррекции томографических данных, которые реализованы в Smart Tomo Engine, являются нашей собственной разработкой и каждый заслуживает отдельной статьи на Хабр. Кстати, про некоторые мы уже писали: тут и тут.

В этой статье мы приведем наглядные иллюстрации работы алгоритмов на проблемных данных. На них мы покажем, что делать коррекции необходимо, иначе картинка получается далека от истинного изображения объекта.

Первый вид коррекции — автоматическое определение и коррекция геометрии измерения. Коррекция положения оси вращения с параметрами, автоматически определенными нашим уникальным алгоритмом, предотвращает появление серповидных искажений (1) и двоение краев (2) на восстановленном цифровом изображении объекта (рис.4).

STE 2.0 производит коррекцию кольцевых артефактов, вызванных нелинейным откликом ячеек детектора. Результат работы алгоритма и разностное изображение показаны на рис. 5.

В STE 2.0 реализован алгоритм автоматической коррекции артефактов, вызванных полихроматичностью рентгеновского излучения, отсутствие учета которой приводит к появлению на изображении чашевидных искажений. Реконструкция однокомпонентной пористой керамической мембраны с «эффектом чаши», скорректированное изображение и их разность представлены на рис.6.

Наличие сильно поглощающих включений очень мешает получению хорошей картинки. Уменьшить выраженность возникающих артефактов крайне непростая задача, но мы справились. В STE 2.0 внедрен авторский алгоритм подавления «металлических» артефактов, работа которого показана на примере реконструкции Ethernet‑коннектора RJ-45 (рис.7).

С шумами мы тоже умеем работать. Их подавление реализовано в виде специальных шумоподавляющих алгоритмов реконструкции, в основе которых лежат методы ИИ. Результаты реконструкции стандартным алгоритмом и нейросетевым методом, использованным для шумоподавления, приведены на рис. 8.

Графический интерфейс пользователя и 3D-визуализации

С прошлой версии Smart Tomo Engine сильно поменял свой облик. Мы повысили удобство взаимодействия с пользователем. В частности были добавлены окна для новой функциональности (предпросмотра реконструкции, подбора оптимальных параметров коррекции, просмотра информации о загруженных данных и др.).

В STE 2.0 также появились новые инструменты для измерений: линейки и гистограммы. Их можно использовать в окнах визуализации проекций и реконструкций. Возможности GUI продемонстрированы на видео ниже.

Мы добавили трехмерную визуализацию данных. Этот прием позволяет оценить в перспективном виде получившуюся реконструкцию или ее часть с помощью одного из четырех типов визуализации: полупрозрачной, цветной или режимы визуализации изоповерхностей. Реализация всех типов визуализации сделана с помощью OpenGL и фрагментных шейдеров. Визуализацию объема 2500 на 2500 на 2500 вокселей на видеокарте NVIDIA RTX 3080Ti можно выполнять в режиме реального времени.

Ниже продемонстрированы возможности 3D‑визуализации на цветах, которые мы так любим дарить на 8-е марта.

Заключение

Выпуск второй версии Smart Tomo Engine открыл новые возможности и новые горизонты. Уже сейчас STE 2.0 вырвалась вперед среди российских программ. STE 2.0 обладает целой серией уникальных запатентованных алгоритмов, которые позволяют ей на равных соперничать с лучшими мировыми решениями.

P. S.: Один из цветков, который мы томографировали, был розой. А как называется второй цветок?