Ami él, az mozog – és ami mozog, az látható

2015.03.07. 16:07

Feltalálói szavaival élve „kiolvasztja a befagyott pillanatot” az új magyar képalkotó eljárás, amely a mozgásban rejlő, korábban eldobott információt értékesítve új dimenziót teremt az orvosi, ipari és határrendészeti képalkotásban. 

Sokaknak a fülébe csenghet, ahogy a röntgenasszisztens ráripakodik az emberre a tüdőszűrésen: „Most szívja be a levegőt, tartsa benn, és ne mozduljon!”. A mozgás – sőt, rögtön pejoratív felhanggal: a bemozdulás – zavaró műtermék csupán egy röntgenfelvételen éppúgy, mint egy gondosan beállított családi fotón.

A mozgás maga az élet

Pedig a belső mozgás, legyen az akár spontán vagy külső erő által keltett, és legyen bár élőlényről vagy tárgyról szó, rengeteget elárul a vizsgált objektum szerkezetéről, szerveződéséről és működéséről. Erre az alapgondolatra építette jelenleg szabadalmaztatás alatt álló találmányát a Semmelweis Egyetem, Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében dolgozó két fiatal magyar biofizikus, Osváth Szabolcs és Szigeti Krisztián, akik a képalkotás számos területén – az orvosi diagnosztikától az ipari anyagvizsgálaton át a vámellenőrzésig – komoly előrelépést remélnek a mozgásban rejlő értékes információ kinyerésétől.

Mellkasröntgen az 1940-es évekbenForrás: Wikomedia Commons

Ahogy a találmányt ismertető angol nyelvű weboldal bemutatkozó lapján fogalmaznak: „Wihelm Röntgen 1895-ben felfedezte a róla elnevezett sugárzást, s ezzel forradalmasította az orvosi diagnosztikát. Egy új kor kezdete volt ez; egy koré, amelyben az élő szervezetről immár lehetséges volt pillanatfelvételeket készíteni. A mozgás ekkor még nem jelentett egyebet, mint képalkotási műterméket. Nekünk azonban az az álmunk, hogy kiolvasztjuk a megfagyott pillanatot; mozgásában mutatjuk meg az időt, és mozgásában mutatjuk meg az életet, mert a mozgás maga az élet.”

Egy kép helyett sorozatfelvétel

Az új, jelenleg nemzetközi szabadalmaztatás alatt álló KinePict technológia alapja a hagyományostól eltérő képfelvétel és -feldolgozás. Egyetlen kép helyett egy sorozatnyi felvételt készítenek a vizsgált tárgyról vagy élőlényről, ami azonban egy röntgenvizsgálat során nem növeli érdemben a sugárterhelést, ugyanis egyetlen hagyományos felvétel dózisát osztják kisebb adagokra. A készült képsorozatot számítógép értékeli, és összesen négyféle végeredményt állít elő belőle. Az egyik lehetséges kimenet egy ún. „kinetikus” kép, amely a sorozat egyes elemei közötti különbségekre koncentrál. A kinetikus képen a vizsgált objektum változatlan elemei eltűnnek, és csak a változó részek – vagyis azok, amelyek a sorozatfelvétel ideje alatt elmozdultak – kerülnek feltüntetésre, méghozzá az elmozdulásuk mértékét kódoló színezéssel: a lassabban mozgó részek piros, a gyorsabban mozgók zöld színnel. Azt szemléltetendő, hogy a módszer az eltérő sebességű mozgások milyen széles skáláját képes befogni, a feltalálók egy elektromos ébresztőóra óraszerkezetről készített statikus és kinetikus röntgenfelvételt mutatnak be a honlapon.

Óra röntgenképe és KinePict képe (magyarázat a szövegben)Forrás: KinePict

A statikus képen az óramű álló és mozgó elemei egyaránt kirajzolódnak a röntgenképektől megszokott szürkeskálás pillanatfelvétel formájában. A kinetikus képen ugyanakkor az álló részek feketék maradnak, és csak a mozgó alkatrészek láthatók. A figyelemre méltó az, hogy nemcsak a másodpercmutatót mozgató fogaskerekeket látjuk a képen (zöld színnel), hanem a az óramutató forgatásáért felelős fogaskereket is (amelyek értelemszerűen piros színnel jelennek meg), holott ezek pont 3600-szor lassabban mozognak az előbbieknél.

A mozgás kiküszöbölése

A módszer azonban nemcsak erre alkalmas: a sorozatfelvételek közti különbségek elemzésével a mozgást ki is tudja küszöbölni, ha épp ez a feladat. Ebben a „statikus” kimenetben a számítógép kiszűri azt a mozgásból adódó zajt, amely az egyszeri felvételeket elmosódottá teszi, így a hagyományosnál jóval élesebb és precízebb képet kaphatunk a vizsgált objektumról. Az említett kinetikus és statikus kimeneti képeken kívül még kétféle ún. „hibaképet” is előállít az elemzés, amelyek a kinetikus, illetve a statikus kimenetek hibáját ábrázolják pontról pontra. Ezek a „hibaképek” nélkülözhetetlenek a számítógépes zajszűréshez és adatelemzéshez, melyek eredményeképp például az orvosi képalkotásban kisebb sugárintenzitással és rövidebb expozíciós idővel jobb minőségű kép készíthető.

Nem kell kontrasztanyag

A mozgási információt kiaknázó új eljárás további fontos előnyökkel is bír az orvosi diagnosztika területén. A statikus képalkotó módszerek arra alapoznak, hogy a különböző szövetek eltérő mértékben nyelik el a vizsgálathoz használt sugárzást, így eltérő sötétségű (vagy világosságú) „árnyékot” adnak a felvételen. Mivel azonban a szövetek elnyelése között olykor nagyon csekély a természetes különbség, a kapott kép kontrasztja igen gyenge lehet.

Ilyenkor az orvosok ún. kontrasztanyagokhoz folyamodnak, amelyek a vizsgált szövetekben eltérően halmozódnak, és hatékonyan elnyelik a sugárzást. Az eredmény a természetes kontrasztok felerősödése. Ám a kontrasztanyagok gyakran nemkívánatos, például allergiás reakciókat váltanak ki, ezzel növelik a beavatkozás kockázatát. A kinetikus képalkotás ezzel szemben a mozgás alapján képez kontrasztot: a mozgó és mozdulatlan részek közti önmagától adódó különbséget teszi láthatóvá, bármiféle idegen anyag beadása nélkül.

A karmosbéka mellkasi részének röntgenképe (fent) és KinePict képe (lent)Forrás: KinePict

A karmosbéka képe hagyományos és új eljárással

A feltalálók egy afrikai karmosbéka mellkasáról készített röntgenfelvétellel illusztrálják ezt az elvet. A hagyományos, statikus képen szinte kizárólag a csontok látszanak, ugyanis a béka lágy szöveteinek nagyon alacsony a természetes kontrasztja. A kinetikus képen ugyanakkor, az említett (lassú-piros, gyors-zöld) színkódolás mellett, olyan részletességgel rajzolódnak ki a mozgó szervek – a dobogó szív, a lüktető erek, a lélegző tüdő –, hogy még a szív billentyűi és a tüdő apró léghólyagocskái is megkülönböztethetőek. A Semmelweis Egyetem más munkatársaival együttműködve a kutatók jelenleg a hajszálerek véráramlásának elemzésén dolgoznak, amely nemcsak egyes keringési betegségek, de a daganatok diagnosztikáját is megkönnyítené.

Külső rezgések bevitele

De mi legyen azokkal a szövetekkel, szervekkel, amelyek a tüdőtől vagy az erektől eltérően nem mutatnak spontán mozgásokat? A KinePict kidolgozói erre is gondoltak. Az eljárás kombinálható olyan külső szerkezetekkel, amely lökéshullámok, rezgések formájában mozgást – fluktuációt – visznek be a vizsgált rendszerbe. A külsődleges rezgést szolgáltathatja például egy az élő szervezetre nézve tökéletesen ártalmatlan ultrahangforrás.

A kinetikus képalkotás ebben az esetben annak az alapján építi fel a kontrasztot, hogy a különböző mechanikai tulajdonságú szövetek más és más mértékben térnek ki nyugalmi helyzetükből a bevitt rezgés hatására. A kombinált módszer tehát a szövetek rugalmasságában fennálló természetes különbségeket teszi szemmel láthatóvá. Jól ismert, hogy a daganatok egy része a környezeténél jóval keményebb, magasabb kötőszövet-tartalmú; erre az eltérésre építve a kinetikus felvétel élesen kirajzolhatja a daganat körvonalait.

Nemcsak az orvosi diagnosztikában használható

Bár az eddigiekből úgy tűnhetett, a KinePict lehetséges felhasználási köre távolról sem korlátozódik az orvosi diagnosztikára. A feltalálók hangsúlyozzák: a kinetikus képalkotás alapgondolata tetszőleges sugárzásra kiterjeszthető, amely a vizsgált objektumon áthaladva differenciáltan nyelődik el, így a sugárforrással átellenes oldalra helyezett képzeletbeli ernyőn árnyék formájában kirajzolja az objektum belső szerkezetét.

Ilyen sugárzás lehet a röntgensugarakon kívül a gammasugárzás, az infravörös sugárzás, de a akár a közönséges látható fény is; lehet elektronnyaláb, ionnyaláb, vagy lehet ultrahang, a lényegen nem változtat. Az elv a felvételek készítésének és feldolgozásának módjában rejlik; a konkrét fizikai megvalósításra ezerféle változat kínálkozik.

Már ha csak a röntgensugárzással működő eszközöket tekintjük, azok is az élet számtalan egyéb területén találhatnak alkalmazást. Az új technika egyik nagy felvevőpiaca az ipari szektor lehet. Egy gyártott vagy épített szerkezet – gondolhatunk egy autókarosszéria-elemre vagy egy épület tartószerkezetének elemére – rejthet olyan hibákat, amelyek nem mutatkoznak még meg nyilvánvaló repedésként, ám mechanikai gyengeségüket leleplezi, hogy nyomás vagy rezgés hatására környezetüktől eltérően deformálódnak. Ily módon a külső mechanikus gerjesztéssel kombinált kinetikus képalkotás emberéletet veszélyeztető anyagszerkezeti hibákat deríthet fel.

A vám- és határellenőrzésnél is hasznos lehet

Szintén röntgendetektorokkal dolgoznak a határokon átlépő járműveket átvilágító rendészek, és a mozgások felismerésének az ő munkájukban is fontos szerep jut. Az embercsempészet megakadályozása, a járművek rakterében elbújtatott illegális határátlépők lefülelése kézhezálló feladat, úgyszólván „túl magas labda” a kinetikus képalkotás számára, hiszen a technológia ennél sokkal finomabb mozgások érzékelésére lett kifejlesztve.

Várja azonban egy jóval nagyobb kihívás is a KinePict rendszert az országhatárokon. A vámhatóságnak kell ügyelnie arra is, nehogy az élelmiszerszállítmányokkal együtt idegen rovarkártevők lépjenek be az országba. Még egy olyan kártevő is, amely őshonos hazájában nem okoz komoly veszteségeket, eredeti közegéből kiszakítva környezeti katasztrófát idézhet elő, ha a befogadó ökoszisztéma nincs felkészülve a vele szembeni küzdelemre. Ennélfogva kulcsfontosságú lenne az élelmiszerszállítmányokban rejtőző rovarokat, lárvákat kimutatni.

Rizsszemek röntgenképe és KinePict képe. Utóbbin láthatók a megbújó rovarlárvákForrás: KinePict

Azt talán szükségtelen magyarázni, miért reménytelen egy egyszerű röntgenfelvételen észlelni a többtonnás rakományban mocorgó milliméteres rovarlárvát. A kifejezetten a mozgásra kiélezett kinetikus képalkotás viszont még ezzel a lehetetlennek tűnő feladattal is megbirkózik. A feltalálók egy rizs közé bújtatott lisztkukaccal szemléltetik a helyzetet. A statikus felvételen semmi különbség nem látszik a tiszta és a lisztkukacos rizs között, míg a kinetikus képen élénk zöld szín árulkodik a kártevő mozgolódásáról, és erősebb piros színükkel még a kukac által meglökdösött rizsszemek is jól kirajzolódnak.

Talán e néhány példából is kiviláglik, hogy a mozgás-alapú képfeldolgozás távlatai szinte korlátlanok. Megálmodói már csak azért is bíznak módszerük gyors elterjedésében, mert a KinePict technológiára való áttérés viszonylag csekély új beruházást igényel a felhasználóktól: a felvételek készítéséhez eddig használt berendezésüket legfeljebb kis mértékben kell módosítaniuk, az adatelemzéshez pedig egy közönséges számítógép is elegendő.