Томографический калейдоскоп, или подведение итогов уходящего 2023 года вместе с STE
Привет, Хабр. На пороге Новый год. Как всегда в конце года хочется понять, а чем же был для нас, компании Smart Engines, год уходящий? Продуктивным — да, и бизнес-результаты, и научные достижения, и технологии — как игрушки на елке — радуют. А где же игрушки — спросите вы и будете правы. Ведь один их сверкающий вид открывает двери празднику. А ниже они обязательно будут. Сегодня мы поделимся с вами нашим взглядом на 12 месяцев, а поможет в этом наш STE. Тот самый продукт для томографической реконструкции, над которым мы не устаем трудиться, дополняя, стабилизируя и запуская, как проходческий щит, в неосвоенные туннели условий томографической съемки. Результат наших трудов покажем на томографии 12 объектов, каждый из которых символизирует один из 12 месяцев года. Да-да, интересная задача перед нами стояла в декабре — собрать 12 объектов, сфотографировать, сделать томографию и соорудить календарь из них. Кстати, и ты, дорогой читатель, можешь стать обладателем календаря от Smart Engines, но обо всем по порядку!
Новый год в стиле Smart Engines
«Ананасы в шампанском! Ананасы в шампанском!». И это не только строка из стихотворения русского поэта Серебряного века Игоря Северянина, но и реконструкция, полученная с помощью нашей программы STE. На ней легко теперь разглядеть выделяющуюся грубоватую ось ананаса, на которую нанизан пушистый венчик-коронка с колючими отростками, ромбовидный узор кожуры плода, образованный из цветочков, которые могут дать начало новым плодам! Получить такую четкую реконструкцию внутренности ананаса нам удалось с помощью автоматической коррекции положения оси вращения, после того, когда ось ананаса действительно совпала с истинной осью вращения. Внутри ананаса изначально были видны кольцевые артефакты, но и их нам удалось побороть с помощью функционала автоматического подавления кольцевых артефактов STE. Теперь перед вами сама суть ананаса — только яркая и сладкая мякоть и никаких артефактов! Пусть и ваш год будет таким же ярким и сладким, как мякоть ананаса, который мы положили в томограф!
Рисунок 1. Январь. Ананас. Удивительно вкусно, искристо́ и остро́!
Февраль. Достать чернил и плакать? Но нет, ведь Рафаэлло — райское наслаждение, не так ли? Практически все дамы на 14 февраля «день всех влюбленных» получали заветные конфеты с нежным кремом внутри и обязательным атрибутом — миндалем. Давайте же посмотрим на любимую сладость изнутри. Оказывается, что крем не такой уж и легкий и воздушный. По плотности крем сопоставим с плотностью ореха, что можно видеть на восстановленном изображении. Удобным оказался объект для тестирования функций нашей программы. Во-первых, автоматическое подавление колец «не выплеснуло» вафельное кольцо Das Kind mit dem Bade ausschütten nicht:). Такая маленькая конфета занимает небольшую часть кадра детектора, и так много пустоты вокруг…. Тут мы воспользовались своей разработкой — возможностью выбора локальной области реконструкции. И на 70% уменьшили время ожидания результата.
Рисунок 2. Февраль. «Замерзшее сердце февраля» Рафаэлло.
И вот проснулся месяц март. И ожил мир, наполняясь красками и светом теплых лучей солнца. Международный женский день, дамам дарят любовь, радость и теплые улыбки. И в каждом доме вдруг начинает пахнуть тюльпанами. Мы не сомневались, что тюльпан прекрасен не только снаружи, но и изнутри. Мы в STE воспользовались встроенной автоматической коррекцией положения оси вращения, цветы, собрав в букет, после чего стали наслаждаться полученным результатом. Цветной режим визуализации трёхмерного реконструированного изображения помог увидеть все изящество и утонченность весеннего цветка, цветной дым рождается внутри, подобно мечте такой легкой, и такой зыбкой. Используя настройки в визуализаторе STE, мы виртуально нарезали, вращали, приближали и отдаляли наш виртуальный тюльпан, восхищаясь красотой, которую создала природа.
Рисунок 3. Март. Тюльпан. С VI века и в Европе.
С приходом апреля мы направляем взоры в бескрайние просторы небес и исследования космоса становятся чуть осязаемее. В этот месяц, когда мир отмечает Всемирный день авиации и космонавтики, мы решили рассмотреть ракету изнутри, конечно, только игрушечную. Итак, объект месяца — детский конструктор, который наши смелые программисты сначала собирали. С помощью нашего программного продукта STE мы сумели заглянуть внутрь ракеты. Мы обнаружили, что даже в мире игрушек пространство может быть захватывающим и интересным. Ракета, созданная из ярких деталей, обрела новое измерение при визуализации ее внутренней структуры. Высокое качество реконструкции и алгоритмы шумоподавления позволили нам увидеть даже мельчайшие элементы ракеты, создавая впечатление реального космического приключения. Цветная визуализация добавила динамичности и интереса, подчеркнув различия в структуре ее частей.
Рисунок 4. Апрель. Ракета игрушечная. Мы рождены, чтоб сказку сделать былью.
В весеннем и трудовом месяце мае мы решили заглянуть внутрь загадочного мира растений, ведь у многих майские праздники ассоциируются с посадками на дачах. Проведенный томографический эксперимент позволил нам заглянуть в самые глубины почвы, где берет начало жизнь растений. Мы приняли вызов реконструировать рассаду с корнями, достигая высокой контрастности в полученных изображениях. Удалось нам это после того, как мы воспользовались алгоритмами автоматического определения положения оси вращения и подавления артефактов ужесточения пучка. В результате наших усилий мы сумели достичь удивительной четкости изображений корневой системы в грунте, каждой отдельной травинки. Такая реконструкция позволяет нам не только любоваться красотой растений, но и лучше понимать и изучать внутренние процессы их роста и развития.
Рисунок 5. Май. Рассада. На пути в «Мир комнатных растений».
Самый значительный по важности праздник нас ожидает в июне. Однако очень редко кто может вспомнить, к какому событию именно он приурочен. Не удивительно, ведь он так часто менялся. До 2002 года 12 июня отмечали День принятия Декларации о государственном суверенитете Российской Федерации, потом сократили и отмечают День России. Вот мы и подумали, какой же русский предмет в Год семьи можно положить в томограф. И ответ не заставил себя долго ждать. Мы положили матрешку, решив сосчитать, сколько матрен внутри. Отсняли проекции, восстановили 3D изображение с помощью Smart Tomo Engine. Результат нас удивил. Параметры измерения были подобраны так, что мы увидели не только матрены, но и структурные кольца на древесине, отлично просматриваются пазы, с помощью которых закрываются матрены, а в дополнение краски имеют разные свойства, так что мы наблюдаем цветной узор на внешней стороне. На этом объекте мы испытали всю линейку наших алгоритмов реконструкции, и самые точные и самые быстрые великолепно справились со своей задачей. И кольца матрешки не помешали избавиться от кольцевых артефактов.
Рисунок 6. Июнь. Матрешка. На пороге Год семьи.
Клубника из томографа, что может быть вкуснее? А если серьезно, композиция стекла с биологическим объектом представляет серьезный вызов для томографического эксперимента. С одной стороны, стекло сильно поглощает и рассеивает рентгеновское излучение, что приводит к артефактам ужесточения пучка и рассеяния, при этом приходится увеличивать энергию зондирующего излучения (потому что либо все поглощается стеклом, либо на проекции будут большие шумы). С другой стороны, имеем биологический объект с мягкими тканями, который на больших энергиях потеряет всю текстуру. Поэтому приходится искать компромисс. Ну, а что получилось — можно посмотреть на картинках.
Рисунок 7. Июль. Вазочка с клубникой. На ладошке, посмотри, поместилось только три…
Не все знают, что когда-то многие ракушки, несомненные атрибуты лета и детища морской стихии, были домом какого-то моллюска или, может быть, рака. Если вы об этом даже не подозревали, такое открытие вы можете сделать вместе с STE. Как обустроен дом моллюска — это нам и спешит показать STE. Стенки ракушки, выстроенные из кальция, отчетливо просматриваются на реконструкции. Благодаря STE видна даже слоистая структура каркаса ракушки. Удивительная поверхность ракушки где-то гладкая, без зазубрин, а где-то украшена ребрами, шипами и спиралями. С помощью функционала линейки STE можно измерить размер как внутренних, так и внешних маленьких шипов ракушки. Необычная окраска наконечников зубцов ракушки не секрет для пользователя STE: она объясняется более оптически плотными наростами-выделениями желез моллюска на поверхности его скелета. И, наконец, чего никто не ожидал увидеть, но STE помогает это обнаружить: у ракушки есть несколько потайных полостей. Что там хранил моллюск, зачем ему понадобились дополнительные комнаты в его квартирке — этого STE нам не расскажет, но напомнит, что лето, неожиданно закончившееся в августе прошлого года, уже не за горами и скоро вернется, и вы сами найдете ответы на эти вопросы на морском побережье во время долгожданного отпуска.
Рисунок 8. Август. Ракушка. В ней слышен шум моря…
Ко дню программиста хотелось исследовать что-нибудь каноничное. А что может быть каноничнее ставшей уже классикой платы оперативной памяти DDR3? Сами по себе печатные платы для томографии являются достаточно сложными объектами: (1) вдоль платы излучение поглощается почти полностью, что неизбежно приводит к искажениям реконструкции, кроме того (2), на плате есть металлические детали, которые приводят к дополнительным артефактам, и (3) плату необходимо выравнивать вдоль плоскости, чтобы получить наглядную информацию в различных слоях. К счастью, со всеми этими сложностями наш программный продукт STE умеет справляться. STE позволил нам получить качественные изображения, в чем можно убедиться на картинках ниже.
Рисунок 9. Сентябрь. Оперативная память DDR3. «Напиши себе программу, да такую, чтоб сбылось…»
На пороге Октоберфест. Откроем по баночке:) Или не откроем… Многие любители пива уверены, что там ничего кроме самого пенного напитка быть не должно. На самом же деле в некоторые сорта пива добавляют «виджет» — приспособление для получения плотной и стойкой шапки пены. Виджет был изобретен на заводе Guiness и прошел несколько итераций по изменению внешнего вида. В 1997 году виджет приобрел свой итоговый вид. Сейчас он представляет собой пластиковый шарик, с небольшим отверстием. По технологии во время пастеризации при нагреве в шарик попадает пиво со смесью углекислого газа и азота. При открытии банки пиво со смесью выходит из шарика наружу и образует шапку пены, которая придает плотному стауту особую мягкость. Несмотря на то, что плотность пива и шарика почти одинаковая, наша STE позволила рассмотреть и сам шарик: толщину и ровность его стенок; и даже увидеть форму пены в банке.
Рисунок 10. Октябрь. Банка пива Guinness. Сначала код, потом пиво — так работают настоящие профессионалы…
В ноябре мы отмечаем день народного единства и по этому поводу решили изучить головоломку, которая объединяет несколько поколений людей по всему миру — кубик Рубика. Многие из нас и наших родителей пытались научиться его собирать и в какой-то момент приходили к выводу, что проще его разобрать на отдельные части и потом собрать заново, чем пытаться действовать по-честному. И мы тоже поступали так, пока не выучили алгоритмы сборки. Теперь к нам приходят наши дети и, найдя на полке кубик Рубика, спрашивают, как получается так, что его можно крутить в разных направлениях, а он не разваливается. Вот мы и решили посмотреть на эту головоломку в томографе и показать детям, что там внутри. Объект оказался непростым для томографирования, т.к. состоит из слабо поглощающего пластика и сильно поглощающих металлических креплений. Но STE, благодаря поддержке подавления артефактов от сильно поглощающих включений, сумел восстановить трёхмерную структуру этой головоломки. Результатом нашей реконструкции можно полюбоваться на картинках ниже.
Рисунок 11. Ноябрь. Кубик Рубика. Тренажер для мозга, или…?
Новый год! Хотя мы уже и выросли, но получать подарки нам ещё не надоело. И конечно, в Новогоднюю ночь мы находим под ёлкой сладкие подарки, оставленные Дедом Морозом, и, пока дети спят, потихоньку таскаем из них сладости. Раз уж у нас есть томограф, то было бы славно научиться отличать подарки с вкусными конфетами от остальных (с белой начинкой, например). Вот мы и начали готовиться к Новому году — купили подарок и решили посмотреть, что же там внутри, и можем ли мы отличить разные типы конфет друг от друга. И да оказалось, что сладости выглядят по-разному. Можно легко увидеть очертания плитки шоколада и отдельных конфет. Тип конфеты тоже легко можно отличить. Вафельная, например, имеет волнистую слабо поглощающую структуру, а пралине — однородную. Теперь выбрать конфету на свой вкус не составит труда. Вот наступит Новый год, откроем подарок и тогда насладимся вкусом. Кстати, коробку Рафаэлло мы уже выкладывали в наш канал на ютуб.
Рисунок 12. Декабрь. Коробка со сладким подарком. Мы ждем подарков от судьбы, как дети,
Как дети — верим в чудеса…
Ну вот и месяцы кончились, значит пора подводить итоги года. Что нового в программном продукте Smart Tomo Engine? И вот топ-5 разработок за этот год:
Добавлено томографическое восстановление интересующей локальной области с произвольным центром.
Поддерживается технология Monitored reconstruction, которая позволяет сократить время эксперимента и получаемую объектом дозу.
Реализован алгоритм учета рассеяния рентгеновского излучения, что важно для изогнутых металлических изделий.
Реализован алгоритм автоматического определения параметров положения оси вращения — смещения и наклона, который используется почти каждый раз при обработке томографических данных.
Реализован алгоритм автоматического подавления кольцевых артефактов, возникающих вследствие нелинейного отклика ячеек детектора.
Вот так и пробежал наш год. В суете, спешке и с невероятными приключениями. А тебе, дорогой читатель, желаем хорошо провести Новый Год в кругу родных и близких людей, отдохнуть и набраться сил на следующий не менее увлекательный трудовой год.
P. S. Розыгрыш на лучший комментарий! Делитесь своими впечатлениями, выбирайте самый интересный и подходящий объект из тех, что мы отсняли и предлагайте объекты для календаря на следующий год. Самый активному читателю с наиболее интересными комментариями отправим календарь от SE с теми самыми объектами из статьи и пожеланием счастья на каждой странице!
