Ежедневно человек подвергается влиянию радиации: в квартирах накапливается газ радон, мы получаем дозы излучения из космоса, почвы. За год мы в среднем получаем 3 мЗв, из которых большая часть приходится на радон. В России в формально 1,4 мЗв в год дают медицинские услуги, но реально этот показатель может быть выше из-за несоблюдения техники безопасности и устаревшего оборудования.

Группа китайских учёных решила найти способ снизить количество получаемой при рентгеновских снимках радиации: исследователи предлагают использовать однопиксельную камеру, фильтры и технологию ghost imaging вместо обычной технологии проведения рентгеновских исследований.

Для фотосъёмки традиционно используют объектив, который направляет световой поток на матрицу светочувствительных элементов. Чем больше таких элементов — тем лучше изображение. Но существуют методы использования светочувствительной матрицы всего из одного пикселя, которая сама по себе, без специального программного обеспечения, годится только для получения данных об освещённости. Такой подход называют вычислительной фотографией. Одна из задач — избавиться от объектива, самой дорогой части.

Вверху: образец фото. Второй ряд: фото, сделанные однопиксельной камерой с 50 и 2500 шаблонами подсветки. Третий и четвёртый ряд: ускоренные камеры, представленные в марте 2017 года.

Вместе с тем линзы — также значимая и дорогостоящая часть рентгеновского аппарата. Учёные из Китая предлагают более дешёвую технологию получения снимков на основе сенсора в 1 пиксель. Корреляционный метод обработки изображений ghost imaging, созданный около двадцати лет назад, позволил совместить большое количество «слабых» фотографий в одну качественную — пока для обычного источника света, в будущем — для рентгеновских лучей. Одно из достоинств такой системы — возможность использовать дешёвые камеры без дорогой оптики. Но важнее — меньшее воздействие радиации на пациента.

«Наша система гораздо меньше и дешевле, к тому же её можно сделать портативной для использования в полевых условиях», — рассказывает Ву Линг-Ан (Wu Ling-An) из Китайской академии наук в Пекине, глава исследовательской группы.

Технология ghost imaging предполагает направления излучения на объект через фильтр с известными паттернами и многократную съёмку. Каждый новый кадр должен быть сделан через новый фильтр. Учёные из команды Ву меняли положение наждачной бумаги. Учёные экспериментировали на металлических пластинах в форме морской раковины и с вырезанными инициалами. Необходимы тысячи снимков, чтобы из чёрных, белых и серых квадратов собрать финальную картинку. Программное обеспечение, которое знает паттерны фильтра для каждого из снимков, вычисляет итоговый результат. В теории он должен быть не хуже, чем рентгеновские снимки сегодня, но при этом не нужно использовать интенсивное излучение и камеры высокого разрешения.

Технологию ghost imaging использовали для создания подобных систем для видимого и инфракрасного спектров, основанных на программируемых фильтров. С помощью ИК-системы группа учёных под руководством Майлса Пэджетта (Miles Padgett) из Университета Глазго, Великобритания, научилась отслеживать утечки метана. Сейчас команда работает над коммерциализацией изобретения и надеется продавать детекторы компаниям нефте- и газодобывающей отрасли как дешёвый способ находить утечки в трубах.

По мнению Ву, создание программируемого фильтра для рентгеновских лучей является более сложной задачей, так как они свободно проникают через большинство материалов. Пока же для эксперимента, в котором они применяли наждачную бумагу, им пришлось использовать камеру высокого разрешения для отслеживания паттернов. Но можно представить коммерческую систему, для которой производитель изначально записывает все паттерны, так что такая камера понадобится только ему — а потребитель, то есть врач, будет использовать однопиксельную камеру.

Чтобы новая система могла применяться в медицине, учёным предстоит доказать, что итоговая доза радиации ниже, чем в существующих системах. Проблема в количестве снимков, а также в том, что оно будет меняться в зависимости от необходимой для исследования области. Ву уверена, что небольшое излучение для всей тысячи снимков в итоге будет менее опасно для человека.

Научная работа опубликована в марте 2018 года в издании Science. DOI:10.1126/science.aat7285.