Sneller scherpere 3D-beelden

Publication date: 02-05-2016

Promovendus Daniël Pelt van het CWI heeft nieuwe algoritmes voor computertomografie (CT) ontwikkeld die snel hoogkwalitatieve driedimensionale beelden kunnen uitrekenen. Hierdoor wordt deze technologie praktisch bruikbaar voor nieuwe toepassingen, zoals materiaalonderzoek en biomedisch onderzoek. Pelt verdedigt zijn proefschrift ‘Filter-based reconstruction methods for tomography’ op dinsdag 3 mei aan de Universiteit Leiden.

In veel gevallen is het nuttig om binnenin een object te kunnen kijken zonder dit te hoeven beschadigen, zoals bij medisch onderzoek of kwaliteitsonderzoek van industrieel geproduceerde voorwerpen. Dit is mogelijk met een CT-scan, waarbij een stralingsbron en een detector om een object heen gedraaid. Op deze manier worden er meerdere röntgenfoto’s gemaakt, elk onder een andere hoek. Een wiskundig algoritme rekent vanuit deze tweedimensionale röntgenfoto’s (projecties) een driedimensionaal beeld van de interne structuur uit. CT wordt veel in de medische wereld gebruikt maar ook in bijvoorbeeld materiaalwetenschappen, paleontologie, biomedisch onderzoek en het controleren en optimaliseren van industriële productieprocessen.

Een belangrijk onderdeel van elke toepassing is het wiskundige reconstructiealgoritme dat het driedimensionaal beeld berekent vanuit de projecties. Er zijn ruwweg twee verschillende soorten algoritmes: analytisch en algebraïsch. Analytische algoritmes transformeren de tweedimensionale beelden met behulp van een filter, waardoor ze snel uit te rekenen zijn. Een belangrijk nadeel is dat er snel fouten optreden als er weinig projecties beschikbaar zijn of als er ruis aanwezig is, wat vaak het geval is in moderne geavanceerde tomografie. Algebraïsche algoritmes kunnen in deze gevallen vaak betere beelden berekenen door gebruik te maken van voorkennis over het gemeten object of de gebruikte scanner. Een groot nadeel van deze algoritmes is dat ze erg langzaam zijn. Analytische algoritmen geven vaak in enkele minuten resultaat, terwijl algebraïsche algoritmen uren of langer nodig hebben. Dit is zo langzaam dat ze voor veel toepassingen onbruikbaar zijn.

In zijn proefschrift ontwikkelt Pelt nieuwe reconstructiealgoritmes die de voordelen van analytische en algebraïsche algoritmes combineren, zogenaamde filter-gebaseerde algoritmes. De snelheid van de nieuwe algoritmes is vergelijkbaar met die van analytische algoritmes, maar de beeldkwaliteit is vergelijkbaar met die van algebraïsche algoritmes. Dit is mogelijk door analytische algoritmes te gebruiken die hun filter bepalen aan de hand van bijvoorbeeld de manier van scannen of de eigenschappen van het gescande object. Filters kunnen ook bepaald worden door een neuraal netwerk te laten leren welke filters het beste werken voor een specifieke situatie. Uiteindelijk doel van deze onderzoekslijn is om real-time hoogkwalitatieve 3D-beelden te maken die al tijdens het scannen door de onderzoeker zijn te bekijken.

Dit onderzoek is gefinancierd door de NWO Vidi-beurs van prof. dr. Joost Batenburg uit 2011.

 

Afbeelding: Shutterstock