ИИ расширяет возможности компьютерной томографии: дайджест недели Smart Tomo Engine

Сегодня компьютерная томография решает гораздо больше задач, чем просто визуализация внутренней структуры объекта. В медицине важно снижать лучевую нагрузку и получать больше информации о тканях, в промышленности — исследовать сложные объекты без разборки и разрушения, а в научных задачах — работать с нестандартной геометрией съемки и сложными типами данных.

Smart Engines разрабатывает технологии, которые расширяют возможности КТ на уровне алгоритмов реконструкции и анализа данных.

На неделе Smart Tomo Engine мы рассказали и показали, как наши разработки помогают снижать лучевую нагрузку, определять локальный состав исследуемого объекта, получать больше информации о мягких тканях без дополнительного контрастирования, проводить неразрушающий контроль сложных изделий и создавать портативные томографические системы.

Собрали главное за неделю Smart Tomo Engine в одном дайджесте 👇

🔥 Компьютерная томография теперь под контролем ИИ

При стандартной КТ число проекций задается заранее: томограф делает весь запланированный набор снимков и только потом строит трехмерное изображение объекта. Но разным объектам может требоваться разное количество данных. 

Иногда часть проекций уже не улучшает результат — при этом растут время исследования и лучевая нагрузка. А иногда данных, наоборот, оказывается недостаточно, и исследование приходится повторять.

🐈 А теперь представьте: вы привезли кота-непоседу на КТ. Причина проблемы уже видна, врачу хватает данных для заключения, но сканирование продолжается просто потому, что так задан протокол. Зачем лишний раз облучать любимого питомца и заставлять его терпеть процедуру дольше, чем нужно?

💡Ученые Smart Engines решили изменить сам принцип проведения КТ и разработали подход anytime CT, реализованный в Smart Tomo Engine.

Метод контролируемой томографической реконструкции позволяет оценивать промежуточный результат прямо во время сканирования и определять, нужно ли продолжать сбор проекций. Если данных уже достаточно, исследование можно завершить.

Снизить дозу облучения при КТ на 15% – реально?

🫁 В медицине это прежде всего снижение лучевой нагрузки на пациента.

Разработку опробовали для диагностики пневмонии на материалах открытой базы COVID-CTset, которая содержит клинические данные 377 пациентов – как здоровых, так и с диагностированной вирусной пневмонией.

Исследование показало, что метод позволяет сохранить высокую точность диагностики, используя при этом меньше рентгеновских снимков. В среднем радиационную нагрузку удалось сократить на 15%, а при досрочном выявлении патологии — на 25%. Для здоровых пациентов подход также снижает риск того, что исследование придется повторять из-за недостатка данных.

«Есть целый ряд заболеваний и состояний, при которых одной КТ недостаточно: нужно несколько раз посмотреть, как меняется состояние пациента — например, как восстанавливаются легкие после пневмонии или как срастается кость после перелома. Поскольку доза от таких исследований суммируется, особенно важно уменьшать ее при каждом сканировании», — отметила начальник отдела томографии Smart Engines доктор физико-математических наук Марина Чукалина. 

🔬 В нанотомографии ключевой эффект — сокращение времени исследования.

Изучение морфологии наноструктурируемых материалов в лаборатории занимает десятки часов. Anytime CT позволяет завершить эксперимент раньше, существенно сокращая этап оптимизации технологических параметров процесса формирования структуры с ожидаемыми свойствами.

Технология снижения лучевой нагрузки при КТ уже запатентована Smart Engines в США.

Но контролировать продолжительность исследования — только один способ изменить привычную КТ. Другая задача — получить из томографических данных больше информации о самом объекте.

🔥 А что, если «серой» КТ-картинки уже недостаточно?

Обычная компьютерная томография хорошо показывает внутреннюю структуру объекта, но разные материалы могут иметь близкую рентгеновскую плотность и на обычной КТ выглядеть практически одинаково. А ведь иногда важно не только увидеть объект изнутри, но и понять, из чего он состоит.

Именно такую возможность дает энергочувствительная компьютерная томография. 

Она позволяет выделять участки с определенными химическими характеристиками — например, зоны кровоизлияния внутри атеросклеротических бляшек. Такая детализация помогает врачу точнее оценивать характер изменений, а не ориентироваться только на форму и плотность образования.

Smart Engines совместно с Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ) работает над методами обработки данных энергочувствительной КТ.

В рамках совместной научной работы специалисты совершенствуют алгоритмы энергочувствительной КТ: работают над качеством и скоростью реконструкции, точностью обработки данных и методами, которые помогают различать материалы внутри объекта и видеть их распределение на КТ.

Что это дает на практике:

🔹 В медицине — больше данных о составе тканей и патологических изменений, а значит, более информативное исследование и больше оснований для точной оценки состояния пациента.
🔹 В исследованиях сложных объектов — возможность различать материалы, которые на обычной КТ выглядят похоже.
🔹 В материаловедении — более точный анализ сложных объектов и распределения разных материалов внутри них.

А в промышленности различия между материалами внутри одного объекта могут сами стать серьезной проблемой для КТ. Особенно если речь идет о такой сложной конструкции, как реактивный двигатель.

🚀 Можно ли заглянуть внутрь реактивного двигателя, не разбирая его?

Реактивный двигатель — один из самых сложных объектов для диагностики. Внутри него множество лопаток, каналов, трубок и других элементов, часть которых невозможно осмотреть, когда двигатель в сборе. Его нужно разобрать, а затем собрать заново. 

Это занимает несколько рабочих дней, требует высокой квалификации и могут возникнуть ошибки сборки. Поэтому для такой задачи особенно важен неразрушающий контроль двигателя целиком.

Но просто положить реактивный двигатель в томограф и получить корректную 3D-модель тоже не получится.

Проблема в том, что его «горячая» и «холодная» части сделаны из принципиально разных материалов. Горячая часть должна выдерживать высокие температуры и перегрузки, поэтому в ней используются плотные термостойкие сплавы. Холодная часть — корпус и компрессор — наоборот, создается из более легких материалов, чтобы уменьшить массу двигателя.

Для рентгеновской томографии это сложный случай: плотные материалы могут почти полностью поглощать излучение, а легкие — становиться практически прозрачными. Из-за этого реальные дефекты могут быть не видны, а там, где данных не хватает, возникают ложные. Эффект может быть настолько сильным, что вместо целой лопатки на изображении появляется пустота.

Что же делать? 🔍

Исследователи Smart Engines предложили новую методику неразрушающего контроля, сочетающую компьютерную томографию и ИИ. Двигатель просвечивают целиком на «компромиссных» энергиях около 450–600 кэВ, чтобы получить данные и по плотным, и по легким деталям.

Дальше алгоритмы Smart Tomo Engine компенсируют рассеяние, полихроматичность и шумы, чтобы восстановить корректный цифровой двойник двигателя.

В результате за одно измерение можно выявлять трещины, пустоты, расслаивания и наличие посторонних предметов без разборки агрегата.

🔩 Зачем еще нужна промышленности томография?

Когда мы слышим «компьютерная томография», первым делом думаем о медицине. Но тот же принцип — заглянуть внутрь объекта, не разрушая его, — нужен и промышленности. 

💡 Томография позволяет получить цифровую 3D-модель детали или целого изделия и увидеть то, что невозможно проверить снаружи. 

На производстве КТ используют для неразрушающего контроля: можно обнаружить внутренние трещины, поры, пустоты и расслоения, проверить геометрию детали и сравнить ее с CAD-моделью — без распила и разборки изделия.

Особенно важен такой контроль и для аддитивного производства. Пока технологии 3D-печати продолжают развиваться, томография позволяет контролировать внутреннюю структуру готовых деталей и выявлять скрытые дефекты.

Также КТ применяют для исследования новых композитных и биомедицинских материалов, контроля усталостных повреждений, печатных плат и интегральных схем.

Но промышленным производством возможности томографии не ограничиваются.

🛢 В нефтегазовой отрасли с ее помощью исследуют керн — образцы горной породы, извлеченные из скважин, — и изучают их внутреннюю структуру без разрушения.

💎 А в геммологии КТ помогает заглянуть внутрь жемчуга и драгоценных камней, изучить их структуру, обнаружить включения и внутренние повреждения.

Промышленный томограф — это не просто «рентген для деталей», а инструмент контроля качества, дефектоскопии, метрологии и исследования новых материалов.

Но получить больше информации можно не только за счет анализа состава или более точной реконструкции плотных объектов. В медицине есть другая задача — сделать заметнее мягкие ткани и структуры, которые обычная КТ различает хуже.

🔬 Больше деталей на компьютерной томографии — без введения дополнительного контраста

Чтобы сосуды и некоторые ткани лучше различались на обычной КТ, часто используют контрастные препараты. Однако их введение остается дополнительным вмешательством в организм пациента. 

Один из способов повысить различимость мягких тканей без дополнительного контрастирования — использовать другой физический механизм формирования изображения.

Фазово-контрастная томография как раз работает по такому принципу. Метод использует сдвиг фазы рентгеновской волны при прохождении через образец и чувствителен даже к небольшим изменениям волнового фронта. Благодаря этому внутренние структуры мягких тканей становятся заметнее без дополнительного окрашивания. 

Smart Engines занимается разработкой методов реконструкции томографических изображений из фазово-контрастных проекций.

Исходные проекции проходят обработку, восстанавливается фазовая информация, после чего формируется детальная томографическая реконструкция.

🏷 В исследовании обонятельной луковицы человека, например, такой подход позволил получить изображения с детализацией вплоть до отдельных клеток и капилляров.

Но высокая детализация усложняет дальнейший анализ: границы между соседними морфологическими слоями могут быть едва различимы, а ручная разметка большого количества томографических срезов занимает много времени.

Чтобы автоматизировать эту работу, специалисты Smart Engines вместе с коллегами из Института нанотехнологий CNR в Риме разработали метод выделения морфологических слоев на фазово-контрастных реконструкциях.

Нейросеть учится работать даже при небольшом объеме размеченных данных. Для этого команда адаптировала процесс обучения: изменила способ разделения выборки, добавила сглаживание между соседними срезами и разреженное обучение.

В результате показатель Dice на тестовых данных вырос с 0,86 до 0,93.

🔍 Как итог, фазово-контрастная КТ дает более детальную реконструкцию, а компьютерное зрение Smart Engines помогает автоматически выделять на ней нужные структуры.

Томография может работать и с объектами, которые нельзя безопасно разобрать или даже раскрыть. Здесь трехмерная реконструкция становится способом сначала создать цифровую копию, а уже затем исследовать содержимое.

📚 Можно ли прочитать книгу, не раскрывая ее?

Если старинный свиток или книга пострадали от времени, влаги или огня, попытка развернуть или раскрыть их может окончательно повредить объект. Но что, если сначала создать его цифровую копию, а уже потом «развернуть» виртуально?

Ученые Smart Engines и ФИЦ ИУ РАН разработали автоматическую систему, которая сочетает рентгеновскую томографию и алгоритмы машинного зрения.

Хрупкий документ помещается в томограф, после чего строится его цифровая модель, а дальнейшая работа идет уже с ней. Главная сложность — не просто увидеть слои, а автоматически отделить их друг от друга и восстановить текст, даже если страницы или витки свитка слиплись и деформировались.

💡 Исследователям удалось создать полностью автоматическую систему виртуального разворачивания, которая не требует ручной настройки параметров. Раньше именно необходимость постоянного вмешательства специалиста оставалась одним из главных ограничений подобных методов. 

В перспективе такая технология может помочь исследовать бумажные, берестяные и даже серебряные свитки, а также старинные книги, которые нельзя безопасно раскрыть физически. Причем она может быть полезна не только музеям и исследователям, но и владельцам частных архивов и коллекций, где особенно важно изучить содержимое, сохранив оригинал в неприкосновенности.

«Мы надеемся, что наша разработка позволит сделать шаг на пути исследования и сохранения культурного наследия и откроет новые возможности для историков, археологов и других специалистов в области гуманитарных наук», — рассказал генеральный директор Smart Engines, доктор технических наук Владимир Арлазаров. 

А иногда проблема не в том, что объект нельзя раскрыть или разобрать, а в том, что его — или самого пациента — невозможно доставить к стационарному томографу. Тогда отказаться приходится уже от привычной геометрии КТ.

👀 Томограф в чемодане — миф или реальность?

Обычно компьютерный томограф — это большая стационарная система с жесткой механикой и точно заданной геометрией съемки.

В Smart Engines решили отказаться от этого принципа и создали носимый томограф свободного позиционирования, который помещается в чемодан, весит менее 5 кг и позволяет получать трехмерное рентгеновское изображение практически «с рук».

Главное преимущество такого подхода — мобильность. Томограф можно использовать там, где нет доступа к стационарной КТ: в санитарном транспорте, выездных хирургических пунктах, фельдшерских пунктах, зонах ЧС и труднодоступных районах. 

Первые испытания показывают, что получаемых 3D-изображений достаточно, например, для локализации крупных осколков и оценки их положения относительно костей и других анатомических структур.

В основе разработки — технология X-SLAM. Оператор свободно перемещает портативный источник рентгеновского излучения вокруг объекта, а алгоритмы автоматически определяют его положение для каждого кадра и затем восстанавливают 3D-структуру. Для реконструкции требуется всего 10–15 рентгеновских проекций — существенно меньше, чем в классических схемах КТ.

Это позволяет одновременно уменьшить время исследования и лучевую нагрузку.

При этом Smart Engines пошла не по пути создания новой сложной аппаратной платформы. Комплекс построен на рентгеновской технике ЭЛТЕХ-МЕД, а принципиально новая функциональность достигается за счет математики, компьютерного зрения и алгоритмов реконструкции.

Разработка уже получила российский патент, а в 2026 году проект портативного томографа Smart Engines стал победителем международной премии «Гравитация» в направлении прорывных научных исследований и разработок 🔥

Как работает ручная КТ

В классической КТ точно известно четкое положение трех элементов — источника излучения, детектора и исследуемого объекта. Эта геометрия нужна, чтобы по набору рентгеновских проекций корректно восстановить его трехмерную структуру.

Но в экстренной ситуации доставить пациента к стационарному томографу невозможно. После аварий и катастроф пострадавшие могут находиться на каталках и быть нетранспортабельными. 

Для таких сценариев Smart Engines разрабатывает X-SLAM — технологию ручной компьютерной томографии. Источник и детектор можно свободно перемещать вокруг объекта, а алгоритмы Smart Engines одновременно определяют геометрию съемки и восстанавливают его 3D-структуру.

При этом ручная КТ предъявляет особенно жесткие требования к алгоритмам. Результат нужно получать быстро, а количество рентгеновских проекций — ограничивать, чтобы снижать лучевую нагрузку. Оптимизированные алгоритмы Smart Engines позволяют строить реконструкцию по малому числу проекций и работать в том числе с низкоконтрастными данными.

Весь вычислительный цикл выполняется непосредственно на месте исследования: от обработки полученных проекций до построения трехмерной реконструкции. Ручному томографу не нужен внешний вычислительный центр, поэтому его можно использовать и там, где нет стабильного доступа к сети.

На базе X-SLAM Smart Engines уже создала прототип ручного томографа. Технология позволила сделать КТ мобильной и автономной, а низкодозовое исследование — проводить непосредственно там, где находится пациент.

На первый взгляд, anytime CT, энергочувствительная и фазово-контрастная КТ, виртуальное разворачивание и X-SLAM решают совершенно разные задачи. Но все эти разработки объединяет одна идея: возможности томографа можно расширять не только за счет новой аппаратуры, но и за счет программного обеспечения.

Функциональность КТ-системы можно расширять без замены оборудования

Все эти подходы реализованы в Smart Tomo Engine — программном комплексе для реконструкции, анализа и 3D-визуализации томографических данных.

Технология выполняет трехмерную реконструкцию объектов по набору рентгеновских проекций. Качество получаемого изображения позволяет врачу легко поставить диагноз, а технологу построить экспертную оценку качества процесса.

Smart Tomo Engine берет на себя ключевые этапы работы с томографическими данными:

🔹 выполняет автоматическую калибровку;
🔹 подбирает алгоритм реконструкции под задачу, стремясь уменьшить выраженность кольцевых, звездчатых, чашевидных и других артефактов;
🔹 обрабатывает большие объемы данных;
🔹 работает с изображениями высокого разрешения;
🔹 проводит реконструкцию до 5 раз быстрее без потери качества;
🔹 позволяет работать с выбранной областью интереса, чтобы не тратить ресурсы на объем. 

Для объектов, выходящих за пределы поля зрения детектора, используется запатентованный алгоритм FOVEA. 

Результат реконструкции можно визуализировать послойно в 3D, использовать в автоматических системах анализа и для проведения модельных расчетов, а также передавать на 3D-печать.

Smart Tomo Engine работает на CPU и GPU, поддерживает Windows, Linux и российские операционные системы. API для C, C++, C#, Java, Python и PHP позволяют встроить STE в существующую инфраструктуру или использовать его при создании новых программно-аппаратных систем.

За неделю мы показали, как Smart Tomo Engine применяется в самых разных сценариях: от медицинской диагностики и исследования реактивных двигателей до работы со старинными свитками и портативными томографами. Все эти сценарии объединяет одно: Smart Tomo Engine расширяет возможности компьютерной томографии без необходимости полностью менять аппаратную систему.