IMPET - Wielofotonowa pozytonowa tomografia emisyjna dla obrazowania przemysłowego

Jak wykorzystać znany z medycyny PET do nowoczesnych zastosowań przemysłowych?

„IMPET (Industrial Multiphoton PET Tomography) czyli wielofotonowa pozytonowa tomografia emisyjna dla obrazowania przemysłowego” to ciekawy projekt badawczy realizowany przez dr. inż. Wojciecha Krzemienia z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Warszawie. „Naszym celem jest twórcze wykorzystanie technologii, która powstała na potrzeby medycyny – do obrazowania ciała i metabolizmu człowieka – w nowych obszarach, takich jak przemysł, w tym m.in. elektrownie jądrowe” – mówi naukowiec. Badania są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki 2021-2027 (FENG), w działaniu FIRST TEAM, realizowanym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

W medycynie pozytonowa tomografia emisyjna (PET) służy do obrazowania metabolizmu w ciele człowieka. To bardzo precyzyjna technika, pozwalająca na wczesne wykrycie zmian chorobowych, z dużym powodzeniem wykorzystywana m.in. w onkologii. Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Warszawie wpadli na pomysł, aby tę samą technologię, wzbogaconą o algorytmy sztucznej inteligencji, zaadoptować do zastosowań daleko wykraczających poza medycynę. Przykładów takich możliwych zastosowań jest kilka. Pierwszym z nich są badania i kontrola przepływu ciekłych metali w reaktorach jądrowych.

„Jednym z głównych celów naszego projektu jest stworzenie systemu do dynamicznego obrazowania przepływu cieczy nieprzezroczystych, takich jak ciekłe metale. Choć brzmi to futurystycznie, takie obrazowanie jest realną potrzebą m.in. w reaktorach jądrowych nowej generacji, w których chłodzenie opiera się na przepływie takich właśnie cieczy przez skomplikowany system kanałów. Aby zrozumieć zachowanie tych cieczy, trzeba je w jakiś sposób „zobaczyć”. W tym celu chcemy wykorzystać metodę rozszerzonego Pozytonowo Emisyjnego Śledzenia Cząstek (PEPT). Polega ona na tym, że do cieczy wprowadza się maleńkie napromieniowane kulki, które emitują pary fotonów. Specjalnie zaprojektowany skaner może wykryć te fotony, a następnie można zrekonstruować trajektorie kulek, tworząc w ten sposób dynamiczny obraz przepływu cieczy.  Jest to jednak spore wyzwanie, bo im więcej kulek wprowadzimy do cieczy, tym trudniej jest przypisać konkretne fotony do konkretnych źródeł ich emisji. Dlatego konieczne jest użycie i rozwój zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji, które pomogą w separacji sygnałów i odszumianiu obrazów” – wyjaśnia dr  inż. Wojciech Krzemień.

Drugie potencjalne zastosowanie opracowywanej technologii IMPET dotyczy analizy materiałów porowatych, takich jak membrany osmotyczne, wykorzystywane m.in. do odsalania wody morskiej czy w technologiach odnawialnych źródeł energii. W tym przypadku chodzi nie tylko o stworzenie precyzyjnego trójwymiarowego obrazu struktury takiego materiału. Naukowcy chcą pójść o krok dalej i wprowadzić do analizy informacje o właściwościach kwantowych tych materiałów. Jest to podejście pionierskie na skalę światową, a warszawscy naukowcy współpracują w tym aspekcie m.in. z zespołem z Uniwersytetu w Wiedniu, który specjalizuje się w fizyce kwantowej.

„Celem końcowym naszego projektu jest zaprojektowanie taniego i wydajnego przemysłowego skanera PET, wspomaganego przez nowoczesne oprogramowanie do rekonstrukcji i analizy obrazów. Oprócz współpracy z naukowcami z Wiednia, projekt prowadzony jest we współpracy z zespołem badawczym z Lyonu we Francji oraz z partnerem przemysłowym, który będzie nas wspierać zarówno w fazie projektowania skanera, jak i we wdrożeniu urządzenia i ewentualnej komercjalizacji” – podkreśla dr inż. Wojciech Krzemień.

Projekt IMPET wpisuje się w szerszy kontekst zmian energetycznych i środowiskowych. Poszukiwanie nowych źródeł energii, rozwój reaktorów jądrowych nowej generacji, odsalanie wody morskiej czy kontrola jakości materiałów – to wszystko wymaga narzędzi o coraz większej precyzji i wydajności. A takie właśnie nowatorskie narzędzia będzie dostarczać IMPET.

Dr inż. Wojciech Krzemień uzyskał tytuł magistra telekomunikacji na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, a także tytuł magistra, a następnie doktora fizyki na Uniwersytecie Jagiellońskim. Obecnie pracuje jako adiunkt w Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Warszawie. Od 2011 do 2024 r. kierował grupą  odpowiedzialną za przygotowanie oprogramowania do przetwarzania danych medycznych i rekonstrukcji obrazu dla następnej generacji opłacalnych polimerowych tomografów PET całego ciała. W latach 2021-2023 pełnił funkcję koordynatora NCBJ Krajowej Infrastruktury Superkomputerowej dla projektu EuroHPC PL. Dr hab. inż. Wojciech Krzemień jest fizykiem eksperymentalnym, zaangażowanym w fundamentalne badania, w tym testy dyskretnych symetrii i splątania kwantowego. Posiada również doświadczenie w inżynierii oprogramowania i rozległą wiedzę w zakresie symulacji Monte Carlo, analizy danych i aplikacji uczenia maszynowego. Jego główne zainteresowania koncentrują się na nowatorskich algorytmach obrazowania, technikach redukcji szumu i rozwoju oprogramowania dla nauki.