Интервью в номер

Прикладная цель, физика, математика, инженерия

В августе 2025 года молодежная команда Лаборатории ядерных проблем получила финансовую поддержку своего проекта по итогам конкурса ОИЯИ на проведение разработок в области прикладной и инновационной деятельности с высоким потенциалом внедрения в индустрии, научном приборостроении и социальной сфере. О проекте "Разработка микро-ОФЭКТ-систем для прецизионной визуализации в условиях модельных биологических экспериментов" рассказал научный сотрудник научно-экспериментального отдела встречных пучков ЛЯП В.А.Рожков.

Владислав Андреевич, как давно вы работаете в ЛЯП, каковы ваши научные интересы?

- Я работаю с июля 2018 года. В целом моя работа сосредоточена на решении прикладных задач медицинской и научной визуализации: мне важно не просто получить изображение, а извлечь из данных физически корректную информацию и восстановить параметры объекта так, чтобы им можно было доверять.

Если говорить про мои научные интересы, то они включают исследование и разработку томографических методов, а также детекторных технологий. В первую очередь это мультиэнергетическая компьютерная томография (МКТ): когда по спектральным данным нужно восстановить состав вещества и корректно разделить материалы. Параллельно много внимания уделяется фотонно-счетным детекторам Timepix/Medipix, потому что именно в работе с ними часто решается вопрос точности: каким методом надеж­нее определять концентрацию, как лучше разносить близкие по свойствам компоненты, как уменьшать систематические ошибки. Еще одно важное направление - это доклиническая визуализация. Я занимаюсь разработками и исследованиями микро-ОФЭКТ-систем (ОФЭКТ - однофотонная эмиссионная компьютерная томография) на базе детекторов семейства Timepix с CdTe-сенсорами.

Есть и смежные темы, которые естественно "прирастают" к основным задачам. С коллегами с химического и факультета фундаментальной медицины МГУ мы разрабатываем и исследуем контрастные агенты на основе лантаноидов для МКТ. Занимаемся анализом элементного состава объектов, в том числе это касается и нетривиальных образцов - археологических и палеонтологических находок, кернов, всего того, чей состав и структура важнее внешней картинки.

Расскажите, пожалуйста, о вашем проекте, получившем грант.

- Этим проектом я занимаюсь с 2019 года. Тогда это не выглядело как отдельный "грантовый проект", скорее как задача, которая меня действительно зацепила, потому что в ней одновременно есть и понятная прикладная цель, и серьезная физика, и инженерия, и математика реконструкции. А еще у нее очень ясный ответ на вопрос "зачем": это про то, чтобы доклиническая ядерная визуализация хорошо работала на лабораторных животных (мелкие грызуны), а не только на людях и больших объектах.

Идея появилась в основном в ходе обсуждений с моим научным руководителем Алексеем Сергеевичем Жемчуговым, и мне она нравится именно своей логикой. Ядерные методы - ОФЭКТ, ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), КТ (компьютерная томография) - в медицине используются десятилетиями, и это хорошо работающие инструменты в онкологии, кардиологии, неврологии. ОФЭКТ и ПЭТ показывают, как радиофармпрепарат накапливается в организме, а КТ показывает морфологию объекта. И когда эти методы объединяешь, ты уже можешь не просто "увидеть орган", а на деле отследить фармакокинетику и биохимию: куда препарат пришел, как распределился, что с ним происходит.

Дальше начинается доклиника. На животных - мышах и крысах - нужно делать то же самое, только объект в разы меньше, требования к детализации совсем другие. ПЭТ/КТ с высоким разрешением - это красиво, но дорого и инфраструктурно тяжело: циклотрон, производство препаратов - всё это не везде можно обеспечить. В этом смысле ОФЭКТ как дополнение к КТ выглядит гораздо более "земным" решением. Проблема в том, что классические ОФЭКТ или гамма-камера обладают пространственным разрешением примерно сантиметр и для мелких грызунов это сопоставимо с их размерами. Чтобы метод был полезен в доклинике, необходимо уходить в миллиметровый масштаб.

Дальше, собственно, и появляется наш сюжет. Идея пришла с Кубы: коллеги из CEADEN (Центр прикладных технологий и ядерного развития) и смежных организаций, которые работают с радиоизотопами и доклиникой, честно сформулировали потребность - они разрабатывают лекарства, но не могут нормально увидеть, в каких органах мыши эти препараты накапливаются. А у нас в этот момент были детекторы, с которыми мы работали, и было ощущение, что им можно найти новое интересное прикладное применение. Вот так и сложилась мотивация: есть конкретная медицинская задача и есть технологическая база, которая потенциально позволяет сделать шаг к ее решению.

Технически суть проекта заключается в создании микро-ОФЭКТ-системы на основе прямого преобразования гамма-квантов в CdTe-сенсоре и пиксельной регистрации на чипе Timepix, а ключевой элемент коллимации - это не классический толстый коллиматор с отверстиями, а кодирующая апертура. В классической гамма-камере ты жестко режешь направления фотонов, которые необходимо зарегистрировать, а из-за этого теряешь чувствительность и всё равно упираешься в ограничение по разрешению. А в кодирующей апертуре идея другая: ты пропускаешь больше частиц, но "кодируешь" информацию в структуре тени на детекторе и потом математически распутываешь изображение. И здесь нам очень помог опыт, который привез в Дубну Олег Петрович Иванов, доктор физико-математических наук, начальник отдела НИЦ "Курчатовский институт", когда рассказывал про гамма-визоры и принципы работы кодирующих апертур.

В результате мы пришли к архитектуре, которая, как мне кажется, уже сама по себе внутренне согласована: детектор Timepix, кодирующая апертура и алгоритмы реконструкции, которые изначально "заточены" под эту геометрию и под реальный отклик системы. И самое важное - это не тупиковая конструкция "сделали один прототип и всё". Эта схема концептуально зрелая в том смысле, что ее можно развивать дальше, не ломая базовую идеологию. Это, кстати, одно из отличий от многих сцинтилляционных микро-ОФЭКТ-систем: в них улучшения часто локальные и довольно быстро упираются в физические ограничения сцинтиллятора и фотоприемника. Здесь же потолок заметно выше именно потому, что вся система строится на прямой регистрации и цифровой модели отклика.

Какие проблемы решает этот проект?

- Первая и главная - это достижение высокого пространственного разрешения в ОФЭКТ для лабораторных животных с приемлемой чувствительностью. То есть не "теоретически можно", а чтобы можно было делать практические доклинические исследования или приближенные к доклиническим: фармакокинетика, сравнение препаратов, низкоактивные исследования - и получать картину на масштабе, где это имеет смысл. Вторая история касается количественности и воспроизводимости: когда у тебя пиксельная регистрация и есть возможность работать со спектральной информацией, появляется шанс лучше подавлять вклад рассеяния, точнее учитывать эффекты в детекторе и коллимации, что в итоге позволяет получать более честную реконструкцию, а не просто "красивую".

Отдельно упомяну важный момент - потенциал развития. Самый очевидный и технологически оправданный шаг - переход от Timepix первого поколения к Timepix3, а в перспективе к Timepix4. В них принципиально меняется режим считывания: вместо кадрового режима система переходит к событийной регистрации, когда каждый зарегистрированный фотон сразу уходит в поток данных отдельной записью. За счет этого практически исчезает мертвое время, и не приходится постоянно выбирать между длинной экспозицией и наложением событий (pile-up), когда несколько фотонов приходят почти одновременно и начинают искажать спектр. Это особенно важно именно для кодирующих апертур и других мультипинхольных схем, где на детектор могут попадать высокие потоки. Вдобавок улучшается временная информация по каждому событию: мы более точно определяем момент регистрации фотона, и это уже не формальная характеристика. Это дает шанс проводить исследования с временной синхронизацией по дыханию и сердечному циклу, то есть собирать данные только в "правильные" фазы движения и тем самым уменьшать смазывание и повышать устойчивость реконструкции, особенно когда "тени" от разных участков коллиматора частично перекрываются.

По сенсору CdTe тоже есть понятные и реалистичные направления роста. Например, увеличение толщины сенсора в разумных пределах заметно повышает эффективность регистрации на более высоких энергиях, условно начиная с 120-160 кэВ. Практический смысл простой: мы расширяем набор радионуклидов, с которыми система становится действительно полезной, потому что фотоны таких энергий начинают регистрироваться заметно лучше. Да, при этом усиливается эффект распределения заряда по соседним пикселям, когда энергия одного фотона "размазывается" на несколько пикселей и ухудшает и спектральную, и пространственную точность. Но это не тупик: это можно компенсировать и на уровне электроники/порогов, и на уровне алгоритмов, если корректно учитывать такие события при обработке.

В этом смысле "ключ" вообще во многом в том, чтобы довести модель отклика системы до полноценного уровня. То есть чтобы в реконструкции учитывалось не только то, где именно мы ожидаем увидеть сигнал, но и как он меняется с энергией фотона, с глубиной взаимодействия в сенсоре, с конкретным элементом коллимации, как именно распределяется заряд между пикселями, и прочее, и прочее... Тогда мы более строго и честно начинаем описывать, как система формирует данные. И это дает большое преимущество даже без радикальной переделки железа.

Еще одна сильная сторона этой архитектуры - мультиэнергетический режим. В сцинтилляционных системах энергетическая селекция обычно довольно грубая: широкие окна, ограниченная точность, много компромиссов. А в подходе Timepix, при корректной калибровке и учете эффектов регистрации, можно намного точнее использовать энергию каждого события. На практике это означает более корректное подавление рассеянного излучения, возможность работать с несколькими изотопами в одном исследовании и в целом получать более богатую физическую информацию на выходе. Для доклиники это часто критично, потому что там важны и малые объекты, и низкие активности, и необходимость сравнивать результаты между сериями измерений.

Если отвечать на вопрос "в чем суть" одной фразой, я бы сформулировал так: мы делаем микро-ОФЭКТ на Timepix с CdTe-сенсором с кодирующей апертурой, где высокое разрешение достигается не тем, что мы "зажали" поток коллиматором, а тем, что мы умно кодируем направление, с которого регистрируются фотоны, и затем восстанавливаем изображение математически, опираясь на физически корректную модель работы системы. А если говорить "какие проблемы решает", то это возможность создания относительно недорогой по инфраструктуре, но высокоразрешающей функциональной визуализации для исследований приближенных к доклиническим, причем с понятной траекторией развития - по детектору, по сенсору, по коллимации и по алгоритмам реконструкции.

Как вы думаете, почему ваша заявка выиграла грант?

Думаю, что проект выиграл грант по причине того, что он одновременно затрагивает фундаментальные и прикладные аспекты томографии, и в нем хорошо просматривается "полный цикл": от понятной медицинской потребности в доклинической визуализации до конкретной технической архитектуры и верифицируемых результатов. Это не абстрактная идея и не попытка "сделать что-то на хайпе", а развитие направления, которое уже несколько лет последовательно ведется, с понятной историей происхождения запроса, с международным партнером и с ясной логикой, почему именно выбранная комбинация Timepix c CdTe-сенсором и кодирующей апертурой дает шанс выйти на нужное пространственное разрешение. Кроме того, у проекта есть реалистичная траектория развития: понятно, что именно улучшать дальше и какие узкие места закрывать в первую очередь. Думаю, что для экспертной оценки это критично.

Как полученный грант поможет проекту развиваться?

Грант помогает, во-первых, перевести работу из режима "держится на энтузиазме и редких окнах времени" в нормальный проектный темп, когда можно планировать этапы и закрывать их последовательно. Во-вторых, он дает ресурс на то, что в приборных проектах чаще всего и тормозит прогресс: на инженерную проработку и доведение до устойчивой, воспроизводимой конфигурации. В нашем случае это означает возможность системно заняться механикой и компоновкой, калибровками, фантомными экспериментами, улучшением алгоритмов реконструкции и полной моделью отклика, а также организацией совместной работы с участниками проекта, включая студентов и партнеров. И, что важно, грант позволяет двигаться к формату результата, который можно передавать дальше не только в виде публикаций, но и в виде рабочей методики и программного инструментария, использовать при сборке и испытаниях установки и в дальнейшем при измерениях на ней.

Группа научных коммуникаций ЛЯП