Визуализация RAPID открывает многочисленные возможности глубокого обучения

3 апреля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

Китайской академии наук

Трехмерная (3D) визуализация в нанометровом масштабе позволяет получить важную информацию о биологии и поведении материалов, включая функции вирусов, структурные повреждения и наноэлектронику.

Один из способов — сделать это разрушительно. Исследователи иммобилизовали свой образец, мелко протравили верхний слой пучком частиц, отобразили выявленные особенности с помощью сканирующего электронного микроскопа или аналогичных методов с высоким разрешением и повторяли этот процесс до тех пор, пока не будет израсходован весь объем образца. Однако во многих случаях предпочтительнее действовать неразрушающим методом, и тогда необходима томография.

В новой статье, опубликованной в eLight, группа ученых под руководством профессора Зилина Ву из Массачусетского технологического института разработала новый метод реконструкции для 3D-изображений.

Исследовательская группа использовала интегральные схемы (ИС) в качестве образца, поскольку они предоставляют некоторые практические удобства. Микросхемы являются жесткими и поэтому не требуют крепления. Они также очень полезны при проверке производственного процесса, анализе отказов и обнаружении подделок. С другой стороны, проблема трехмерной визуализации ИС со временем возрастает из-за закона Мура.

Для неразрушающего 3D-изображения ИС на наноуровне жесткие рентгеновские лучи являются идеальными зондами из-за большой глубины проникновения и короткой длины волны. Однако в отличие от медицинской рентгеновской томографии, которая почти всегда зависит от интенсивности проекций, в наноразмерном случае обычно сначала ищут сложное поле с помощью птихографии, а затем проводят томографию. Эта комбинированная схема известна также как рентгеновская птихографическая томография (птихотомография).

Есть несколько причин сделать это. Например, если проекционное приближение все еще применимо, то ученые смогут выполнять две томографические реконструкции параллельно. У большинства материалов фазовые изменения в 10 раз превышают соответствующие изменения поглощения.

Реконструкции рентгеновской психотомографии выполняются в той же последовательности, что и экспериментальное получение, в два этапа. Сначала 2D-проекции извлекаются из дифракционных картин в дальней зоне с использованием алгоритмов восстановления фазы, а затем реализуются томографические реконструкции для восстановления реальных и/или воображаемых частей 3D-объекта из 2D-проекций.

Многие приложения были успешно продемонстрированы с помощью этого двухэтапного подхода. Эти приложения включают ИК-визуализацию, микроскопическую визуализацию организмов и исследования свойств материалов, таких как разрушение, перколяция и гидратация. Однако как птихография, так и томография требуют большой избыточности данных, что обычно приводит к длительному времени сбора и обработки.

Одним из способов сократить время сбора данных является использование высокоточных сканеров, которые могут надежно работать с эффективными схемами сканирования и с высокими скоростями сканирования. Снижение требований к избыточности данных в психотомографии является альтернативным способом ускорить сбор данных, но приводит к некорректности. Однако при уменьшении объема данных традиционные алгоритмы реконструкции могут привести к появлению артефактов и общей потере точности.

Подходы к обучению с учителем часто вызывают беспокойство относительно способности обобщения новых и ранее неизвестных данных. Исследователи предложили стратегию обучения на подмножестве выборки, где для получения достоверной информации можно использовать надежный, но в остальном очень медленный альтернативный метод; а затем использовать сеть поездов для остальной части выборки, что значительно ускорит всю операцию. Этот подход привлекателен для интегральных схем или других крупных трехмерных образцов.