Рекламно-информационный портал

Категории

Уважаемые посетители сайта! Будем благодарны Вам за оперативно высказанные мнения о наших авторах и публикациях.

Предлагайте темы. Задавайте вопросы.

 

23 03 2022Красное Знамя

Поиск скрытых закономерностей

В Томском политехе улучшили российские томографы


Исследователи разработали протоколы, которые позволяют повысить производительность традиционных томографов и качество томограмм. Протоколы применимы к оборудованию, которое используется в геологии при исследовании полноразмерных кернов, а также в атомной, энергетической и других отраслях. При этом их внедрение не требует изменения конструкции томографов и больших дополнительных затрат. Исследования и разработки новых протоколов проводятся в рамках программы «Приоритет 2030». Усовершенствованные томографы имеют более высокую скорость сканирования, улучшенную контрастную чувствительность и могут стать полноценной заменой зарубежной технике.

Разработка протоколов сканирования — совместный проект специалистов Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ и лаборатории рентгеновской оптики Инженерной школы ядерных технологий ТПУ. Исследование проводилось для томографа полноразмерного керна. Оборудование позволяет реконструировать объемные образцы породы (керны) с получением трехмерной модели его внутренней структуры. Сегодня перед недропользователями стоит задача оцифровать физические образцы и создать цифровые хранилища кернов. Применив к большой цифровой базе кернов новые алгоритмы, построенные с использованием нейронных сетей и искусственного интеллекта (ИИ), можно будет выявлять скрытые закономерности, которые не видны в конкретном эксперименте, но проявляются на большой выборке.
Для получения адекватных результатов моделирования и работы алгоритмов ИИ к цифровым двойникам керна предъявляются высокие требования по разрешению. А для наполнения цифрового кернохранилища необходимым объемом данных от аппарата требуется работа на высокой скорости, чтобы отсканировать километры керна. Традиционные протоколы позволяют сканировать образцы полноразмерного керна со скоростью от 4-5 часов/метр с разрешением до 150 микрон, что крайне медленно. Увеличение скорости неизбежно ведет к ухудшению разрешения до 200-300 микрон. Этого недостаточно для детального анализа, направленного на поиск скрытых закономерностей.
Специалисты ТПУ улучшили оптическую схему томографа и добавили к классической схеме томографии пассивные оптические элементы — компенсационные фильтры специальной формы. Это их первое применение в томографах такого типа. Ранее компенсационные фильтры сложной формы использовались только в медицине для минимизации дозы излучения.
«Классические томографы работают на 10% от возможностей используемых в них источников излучения. При работе с неживыми объектами главный параметр — разрешающая способность и микроконтраст. В случае с керном можно свести форму фильтров к геометрическим примитивам и тем самым «уместить» всю мощность излучения источника в ограниченный динамический диапазон детектора с минимальными потерями в фильтре, — рассказывает директор Исследовательской школы физики высокопрочных процессов ТПУ Алексей Гоголев. — Мы провели полномасштабное моделирование и показали, что, применив несложные оптические элементы, можно использовать всю мощность источника при томографии полноразмерных кернов, не переделывая систему детектирования».
Детектор обладает двумя базовыми характеристиками — разрешение и динамический диапазон. Если интенсивность излучения очень высокая, то даже при наличии объекта или в тонких его местах сигнал может выйти за предел динамического диапазона и исчезнуть с проекции. Это как при попытке рассмотреть предмет, когда в глаза светит яркое солнце. Чтобы избежать такого эффекта в случае с томографом, в качестве «солнцезащитных очков» выступают компенсационные фильтры. Они модулируют интенсивность и спектральный состав излучения от источника таким образом, чтобы по всему периметру детектора интенсивность и спектр излучения были одинаковые как с предметом (керном), так и без него.
Разработанные томскими учеными компенсационные фильтры имеют ряд преимуществ. Они не требуют дополнительного обслуживания, технологичны, просты в изготовлении и позволяют на фундаментальном уровне обеспечить выравнивание сигналов и утилизацию полной мощности рентгеновского источника.  
Эксперименты показали, что новые протоколы позволяют проводить сканирование разрешением лучше 150 микрон на высокой скорости, до 40-60 минут на один метр керна.  Или, другими словами, увеличить производительность традиционного томографа до пяти раз.
А инженеры Томского политехнического университета совместно с коллегами из НИИ онкологии Томского НИМЦ разработали имплантаты нового поколения для челюстно-лицевой хирургии. Они изготавливаются из фторсодержащих полимеров при помощи 3D-печати по индивидуальным размерам. Технология полностью отечественная: от исходного сырья до производства готового имплантата. Исследование проводится при поддержке программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» в рамках стратегического проекта ТПУ «Инженерия здоровья».
В современной медицине для изготовления имплантатов традиционно применяются три вида материалов: титан, керамика и полимеры. Последний материал имеет ряд преимуществ. Специалисты Инженерной школы химических и биомедицинских технологий ТПУ используют отечественное сырье — фторполимеры российской компании «ГалоПолимер» (Кирово-Чепецк). Они полностью удовлетворяют необходимым требованиям и стали полноценной заменой зарубежным полимерам.
Материал поступает в виде гранулята, тщательно просушивается, после чего загружается в экструдер, где происходит продавливание расплава через формующее отверстие. Температура и скорость экструзии задаются заранее. Процесс немного напоминает принцип действия мясорубки. На выходе ученые получают материал, с которым далее можно работать на 3D-принтере.
«Имплантаты на основе фторполимера легкие, быстро приживаются в организме, не подвержены наведенной радиации при лучевой терапии, не ощущаются на морозе, в отличие от металлических или керамических. А технология 3D-печати позволяет индивидуально подходить к каждому клиническому случаю», — отмечает руководитель проекта, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Евгений Больбасов.
Имплантаты изготавливаются в предоперационный период на основе данных компьютерной томографии конкретного пациента. На этом этапе хирург имеет возможность моделировать индивидуальные изделия и воссоздавать тонкие, сложные части лица и шеи.
«Несмотря на точность планирования операции и имплантата, всегда есть вероятность того, что в ходе сложной операции потребуется корректировка. В отличие от изделий из титана или керамики разработанные имплантаты предоставляют хирургу уникальную возможность манипуляций с имплантатом для его корректировки в условиях операционной, это позволяет точно «подогнать» имплантат в тканевое ложе», — говорит старший научный сотрудник НИИ онкологии Денис Кульбакин.
Сейчас разработка томских ученых на стадии доклинических исследований. Внедрить имплантаты в практику специалисты планируют в течение полугода.
«Сегодня мы создаем современные имплантаты нового поколения, в которых нуждается не только Томская область, но и Россия в целом», — подчеркивает директор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Марина Трусова.

комментарии
Имя
Комментарий
2 + 2 =
 

634029, Томск,

пр. Фрунзе, 11-Б