О науке, высшей школе, жизни учёных на Дальнем Востоке : Иван ЯРОВЕНКО: «Занимайтесь любимым делом!»

Молодёжь в науке

Что такое томография? Для большинства людей это слово носит негативный оттенок. Все мы на бытовом уровне знаем, что когда совсем плохо со здоровьем, – пора идти на томографическое обследование.

В переводе с греческого, tоmos – сечение, слой, grapho – пишу, то есть – послойное изображение внутренней структуры объекта. В классической трактовке – это метод рентгеновского просвечивания, позволяющий получить изображение слоя, лежащего на выбранной глубине исследуемого объекта.

Идея первого томографа была предложена Каролем Майером и реализована Андрэ Бокажем вскоре после открытия рентгеновских лучей. Однако, прародителями современной компьютерной томографии принято считать Годфри Хаунсфилда и Аллана Кормака, которые в 1979 году были удостоены Нобелевской премии «за разработку компьютерной томографии».

Иван Петрович ЯРОВЕНКО

«Вычислительная томография – область математики, занимающаяся разработкой математических методов и алгоритмов реконструкции внутренней структуры объекта по проекционным данным, – рассказывает Иван Петрович ЯРОВЕНКО, научный сотрудник лаборатории вычислительных методов математической физики Института прикладной математики ДВО РАН, кандидат физико-математических наук. – Наш подход основан на постановке задач томографии, в виде обратных задач для уравнения переноса излучения, коэффициенты которого имеют понятный физический смысл. Конечно, можно добиться нужного результата, непосредственно построив математическую модель томографии, однако естественным недостатком такого подхода является невыясненная адекватность такой модели».

Научная деятельность Ивана Петровича Яровенко связана с исследованием прямых и обратных задач теории переноса излучения. Им были получены следующие научные результаты:

– доказана разрешимость краевой задачи для уравнения переноса излучения с обобщенными условиями сопряжения на границах раздела материалов в плоскопараллельном случае;

– решена задача определения показателей преломления многослойной системы, по известному потоку выходящего из среды излучения;

– предложены методы решения задач позитронно-эмиссионной и рентгеновской томографии в условиях наличия сильного Комптоновского рассеяния.

Исследования Ивана Петровича неоднократно поддерживались грантами ДВО РАН и РФФИ. Его цикл работ «Методы обработки сигналов в томографии рассеивающих сред» в 2014 году был отмечен премией им. профессора У.Х. Копвиллема за достижения в области теоретической физики.

Результаты научной деятельности И.П. Яровенко отражены более чем в 50 печатных работах.

С 2011 года по настоящее время по совместительству работает доцентом кафедры информатики, математического и компьютерного моделирования Дальневосточного федерального университета.

По словам заведующего лабораторией вычислительных методов математической физики доктора физико-математических наук И.В. Прохорова, Иван Яровенко – состоявшийся научный работник, ведущий самостоятельные исследования. Он отличается коммуникабельностью, способен взаимодействовать со специалистами смежных областей. На мой вопрос, какой у его подопечного характер? – «Непростой, любит побороться за правду», – улыбается Игорь Васильевич.

И.П. Яровенко и И.В. Прохоров

Бывшее в начале нашей встречи напряжение незаметно ушло, и беседа продолжилась в доброжелательном и доверительном ключе. Тем более выяснилось, что Иван – постоянный читатель «Дальневосточного учёного».

Всегда интересовало, как устроены вещи

– Иван, что вы вспоминаете из своего детства?

– С детства я был любознательным ребенком. Мои родители, оба инженеры-механики, высококвалифицированные творческие специалисты привили мне тягу к знаниям. Меня всегда интересовало, как устроены вещи. Если мой брат пытался оседлать машинку и на ней прокатиться, то я пытался её разобрать. После этого машинка, как правило, выходила из строя, но зато я уже точно знал, как она работает и почему движется.

Помню, во время августовского путча ГКЧП 1991 года в результате моих экспериментов сгорел телевизор. Досталось мне тогда от родителей! А они очень переживали оттого, что не могли следить за развитием событий в стране.

Тяга к знаниям укрепилась в школьные годы, когда я занимался в математических кружках, в Центре детского и юношеского творчества.

Стану математиком!

– В девятом классе с несколькими одноклассниками мы перешли учиться в школу – лицей №42 г. Владивостока. Там были образованы базовые классы от вузов по направлениям, популярным среди молодёжи. Можно было пойти учиться на моряка, на коммерсанта или менеджера; но я выбрал математический класс.

– Были ли в вашей жизни учителя, благодаря которым вы сделали свой выбор в судьбе?

– Конечно. В школе я встретил своего первого учителя, заинтересовавшего меня математикой, – Людмилу Ефимовну Бурштейн, известного тогда преподавателя Дальневосточного государственного университета (сейчас она живёт в Бразилии). Хотя за контрольные мы исправно получали двойки, Людмила Ефимовна вновь и вновь повторяла: «Решайте, ребята, понимание придёт!». Так и случилось, – со временем мы научились думать, пришло понимание того, как решать трудные и нестандартные задачи.

«Будет интересно»

– Школу окончил в 1997 году, поступил в Институт математики и компьютерных наук Дальневосточного государственного университета, окончил его по специальности «прикладная математика».

Поначалу меня привлекла модная в то время специальность – системное программирование. Поговорил с Людмилой Ефимовной, а она сказала: «программировать ты и так умеешь» и посоветовала идти в математику, «там интереснее будет». Я последовал её совету, и не пожалел! Ко второму курсу обучения программирование с его формальными подходами уже наскучило, ещё раз убедив меня в правильности сделанного выбора.

– Иван, вы кандидат физико-математических наук. Что для вас ближе: физика или математика?

– По образованию я – математик, но меня всегда привлекала физика. В лицее предмет вёл Николай Андреевич Смаль, в то время – председатель приёмной комиссии ДВГУ. Вспоминаю его с теплотой и благодарностью: в его изложении физика была живой и интересной. Занимались мы на физфаке ДВГУ по восемь уроков подряд, но время в университетских лабораториях пролетало незаметно.

Ещё один мой учитель физики – кандидат физико-математических наук Валерий Михайлович Беспалов – наш коллега, бывший сотрудник ИПМ ДВО РАН, сейчас он преподаёт в ДВФУ. Благодаря его лекциям по концепции современного естествознания, я стал лучше понимать, как устроен мир, и мои знания стали более упорядоченными.

И все-таки фундамент физики – это математика. И здесь, я не могу не поблагодарить Александра Юрьевича Чеботарёва, доктора физико-математических наук, профессора, заведующего кафедрой информатики, математического и компьютерного моделирования ДВФУ, за его лекции по прикладному функциональному анализу. Эти лекции позволили мне взглянуть на мир через призму математики.

«Я тяготел к теории»

– Основателем лаборатории вычислительных методов математической физики Института прикладной математики ДВО РАН и её заведующим до 2003 года был Дмитрий Сергеевич Аниконов, доктор физико-математических наук, профессор (сейчас он работает в Новосибирске). В те годы Дмитрий Сергеевич читал спецкурс по теории переноса излучения и задачам томографии. На первой лекции у нас, третьекурсников, он написал уравнение переноса излучения. Интегро-дифференциальные уравнения были для нас в новинку, и сначала я немного растерялся, но постепенно втянулся. А его нестандартные методы и новые подходы к решению обратных задач поразили меня настолько, что когда к концу третьего курса нас пришли агитировать распределяться по лабораториям, я твёрдо знал, что пойду к Д.С. Аниконову.

Постепенно я перешёл под руководство Игоря Васильевича Прохорова, доктора физико-математических наук, ныне заведующего лабораторией, который больше занимался теорией, а я к теории тяготел…

Работа с научным руководителем

К четвёртому курсу меня взяли в лабораторию лаборантом-исследователем, где я и проработал до окончания университета.

– И вы плавно перешли в лабораторию, где работали в студенчестве?

– Не совсем, было временное отступление. В те годы зарплаты в науке были совсем маленькие, денег катастрофически не хватало, поэтому я пошёл работать ведущим специалистом отдела аналитики внешнеэкономической деятельности администрации Приморского края под начало Виктора Васильевича Горчакова, доктора технических наук, бывшего декана физико-математического факультета, затем – ректора ДВГУ. Сегодня Виктор Васильевич – известный российский политик и учёный, председатель Законодательного Собрания Приморского края, а тогда он был руководителем департамента международного сотрудничества администрации Приморского края. Анализировать внешнеэкономическую деятельность мне довольно быстро наскучило, работа оказалась рутинной и неинтересной, коллектив – не очень дружный. Решил: буду жить бедно, но счастливо, и вернулся в науку!

Пришёл к тому, с чего начал

– Поступил в аспирантуру и параллельно работал в лаборатории вычислительных методов математической физики ИПМ ДВО РАН в должности стажёра-исследователя.

– Каков стаж вашей работы в Институте прикладной математики ДВО РАН?

– Уже 14 лет я работаю в лаборатории вычислительных методов математической физики, за это время прошёл путь от лаборанта-исследователя до научного сотрудника. В 2005 году окончил аспирантуру Дальневосточного государственного университета по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», а в 2007 году защитил кандидатскую диссертацию.

– Иван, как ваши научные интересы менялись с годами работы?

– Первоначально, как только пришёл к Дмитрию Сергеевичу Аниконову, мне поставили задачу на курсовую, потом на дипломную работы – исследовать уравнение переноса для случая так называемого комптоновского рассеяния. Над этой задачей мы с Игорем Васильевичем Прохоровым работали некоторое время, полученных результатов мне с избытком хватило на диплом. Затем я стал заниматься оптической томографией и трудился в этом направлении до 2006 года. Но однажды, на конференции в Новосибирске, я познакомился с коллегой, кандидатом физико-математических наук Иваном Гавриловичем Казанцевым, работавшим в области позитронно-эмиссионной томографии. В процессе совместной с ним работы оказалось, что в позитронно-эмиссионной томографии особенно актуальна задача учёта комптоновского рассеяния, так что я вернулся к нему вновь!

Уравнения переноса в томографии

– Расскажите об основных направления деятельности, достигнутых результатах вашей лаборатории.

– Наша лаборатория давно и успешно работает над задачами теории переноса излучения применительно к томографии. Можно сказать, что на Дальнем Востоке сложилась научная школа, основателем которой стал Дмитрий Сергеевич Аниконов.

Кратко о результатах. В терминах обратных задач для уравнения переноса сформулированы необходимые и достаточные условия единственности решения задачи рентгеновской томографии.

Построена качественная теория краевых задач для стационарного уравнения переноса излучения с обобщенными условиями сопряжения на границе раздела и в рамках этой теории исследованы новые задачи оптической томографии.

Предложен способ определения химического состава неоднородного тела, использующий данные томографического просвечивания в энергетическом диапазоне.

Предложен способ маскировки изделий, предотвращающий возможность полного или частичного определения их внутреннего строения, как визуальным методом, так и с помощью рентгеновского излучения.

Как бы учесть вклад некогерентного рассеяния фотонов?

– Расскажите о своей работе, как части общего дела коллектива лаборатории.

– Сначала расскажу о моих коллегах. Игорь Васильевич Прохоров занимается исследованиями в области акустической томографии. Его работы сформировались в отдельное направление, в связи с совместным проектом с ИПМТ ДВО РАН по улучшению данных зондирования морского дна подводными аппаратами.

Андрей Егорович Ковтанюк, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник решает задачи сложного теплообмена, в которых распространение тепла происходит не только за счёт теплопроводности, но также за счёт излучения от нагретых тел.

Василий Геннадьевич Назаров, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник занимается задачами определения химического состава среды по данным радиационного просвечивания.

– Иван, над чем работаете вы?

– Я занимаюсь задачами позитронно-эмиссионной томографии сильно рассеивающих сред. Наличие рассеяния вносит искажения в томографические данные. Эти искажения результирующей «картины» могут быть неправильно трактованы врачами. Понятно, что вопрос интерпретации томографических данных стоит сегодня особенно остро.

В настоящее время есть два устоявшихся подхода к решению проблемы рассеяния. Классический подход основан на применении коллиматоров, отсекающих «неправильные» фотоны. Подход хороший, но, чтобы накопить нужный объём информации, требуется увеличить время пребывания пациента внутри томографа.

Второй подход заключается в построении таких алгоритмов, которые позволяют это рассеяние отфильтровать, – убрать средствами математики.

В последнее время появилось ещё одно направление, которое предлагает не отфильтровывать, а корректно учитывать рассеяние, максимально используя всю полученную информацию. И я, и И.Г. Казанцев придерживаемся последнего подхода, несмотря на то, что задачи в этом случае получаются на порядок сложнее.

На стыке наук

– Недавно вы были отмечены премией им. профессора У.Х. Копвиллема за достижения в области теоретической физики за цикл работ. Расскажите об этом подробнее.

– Именно «борьба с рассеянием» привела к циклу работ, в которых рассматриваются методы подавления и учёта рассеяния, применительно к задачам томографии: оптической, рентгеновской. Этот цикл работ и был отмечен премией имени профессора Уно Хермановича Копвиллема.

Вообще-то эта премия выдаётся за работы по физике, поэтому, по моему мнению, шансов на получение премии было немного. Директор нашего института член-корреспондент РАН Михаил Александрович Гузев, доктор физико-математических наук – спасибо ему большое – поддержал меня и предложил представить сделанное мною, как работу в области теоретической физики. Дважды я участвовал в конкурсе, второй раз – выиграл премию.

– Есть ли практическое применение вашей деятельности?

– Мы работаем над алгоритмами и до «внедрения» их в реальные томографы ещё далековато: требуется труд не только теоретиков, но и инженеров, и программистов-вычислителей.

Даже если сейчас обеспечить необходимое финансирование, это не даст быстрых результатов. Как правило, учёные и инженеры, – люди, говорящие на «разных» языках. Это хорошо было видно, когда мы в рамках совместного гранта работали с коллегами из ИПМТ ДВО РАН. Они – опытные практики, а мы – теоретики, не меньше года ушло на то, чтобы мы стали понимать друг друга.

Основателя нашей лаборатории Дмитрия Сергеевича Аниконова неоднократно приглашали в Японию для чтения цикла лекций именно для инженеров по новым методам вычислительной томографии, разработанным в нашей лаборатории. Так что наши исследования востребованы, но для их воплощения в практику нужна соответствующая государственная политика. А задача учёных – работать и изобретать, что мы и делаем…

Трудно быть молодым…

– Иван, основываясь на своём опыте, скажите, какие проблемы тревожат сегодня молодого учёного?

– Из проблем, напрямую не связанных с наукой, многие из нас озабочены недостатком денег и отсутствием собственного жилья. Моя ситуация по зарплате сравнительно благополучная: есть грант РФФИ и грант РНФ. А по жилью – полная безнадёжность. Раньше работала программа обеспечения молодых учёных жильём, но с началом реформирования РАН она «затихла».

– У вас есть семья?

– Да, у меня любимая жена – Галина Петровна Неверова – математик, старший научный сотрудник Института комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН (г. Биробиджан).

Совершенству нет предела

– Какие исследования планируете на ближайшие годы?

– Продолжу «бороться» с рассеянием! Область и тематика достаточно обширны, поэтому думаю, что ещё не одному поколению исследователей там найдется работа.

– Что ценно для вас?

– Семья, родители и верные друзья!

– Что бы вы пожелали сами себе?

– Работать, не сдаваться, продолжать заниматься любимым делом!