RAPID成像提供了許多深度學習的機會

擬議的RAPID框架示意圖。a 減角ptycho-tomography實驗，通過平移和旋轉掃描收集衍射圖案測量。原始衍射圖案被預處理以產(chǎn)生近似值，作為預訓練網(wǎng)絡的輸入，并獲得體積分布作為最終輸出。從縮小角度的ptycho-tomography獲得的衍射圖案被預處理以獲得近似值作為網(wǎng)絡輸入，并采用兩步常規(guī)方法生成高分辨率的黃金標準（GS）作為訓練DNN的基礎事實。資料來源：eLight（2023）。DOI: 10.1186/s43593-022-00037-9

納米尺度的三維（3D）成像使人們能夠對生物學和材料行為有重要的了解，包括病毒功能、結構損傷和納米電子學。

一種方法是以破壞性的方式進行。研究人員將固定他們的標本，用粒子束精細地蝕刻頂層，用掃描電子顯微鏡或類似的高分辨率方法對揭示的特征進行成像，并重復這一過程，直到整個標本體積被消耗掉。然而，在許多情況下，最好是以非破壞性的方式進行操作，那么就需要一種斷層掃描的形式。

在發(fā)表于《eLight》的一篇新論文中，由麻省理工學院的吳子陵教授領導的一個科學家團隊開發(fā)了一種新的三維成像重建方法。

該研究小組使用集成電路（IC）作為典范，因為它們帶來了一些實際的便利。集成電路是剛性的，因此，不需要固定。它們在制造工藝驗證、故障分析和假貨檢測方面也非常有用。另一方面，由于摩爾定律，三維集成電路成像的挑戰(zhàn)隨著時間的推移而增加。

對于納米級的無損3D集成電路成像，硬X射線是理想的探針，因為它們的穿透深度長，波長短。然而，與醫(yī)學X射線斷層成像不同，它幾乎總是在投影的強度上操作，在納米尺度的情況下，通常是先通過ptychography尋求復合場，然后再做斷層成像。這種組合方案也被稱為X射線層析成像（ptycho-tomography）。

這樣做有幾個原因。例如，如果投影近似法仍然適用，那么科學家就可以并行地進行兩次斷層掃描重建。大多數(shù)材料表現(xiàn)出的相位變化比它們各自的吸收變化大10倍。

X射線層析成像的重建是按照與實驗采集相同的順序，分兩步進行的。首先，使用相位檢索算法從遠場衍射圖案中檢索出二維投影，然后，實施斷層掃描重建，從二維投影中恢復三維物體的實部和/或虛部。

許多應用已經(jīng)成功地用這種兩步法進行了演示。這些應用包括集成電路成像、微觀生物體成像和材料特性研究，如斷裂、滲透和水化。然而，層析成像和斷層成像都要求數(shù)據(jù)有很大的冗余度，導致采集和處理時間普遍較長。

減少采集時間的一個方法是通過高精度掃描儀，可以可靠地使用高效的掃描方案和高掃描速度工作。減少ptycho-tomography中的數(shù)據(jù)冗余要求是加快數(shù)據(jù)采集的另一種方式，但會引入不理想的情況。然而，在數(shù)據(jù)減少的情況下，傳統(tǒng)的重建算法很可能會產(chǎn)生假象和普遍的保真度損失。

監(jiān)督學習方法往往是對新的和未見過的數(shù)據(jù)的概括能力的擔憂。研究人員提出了一個策略，在樣本的一個子集上進行訓練，在這個子集上可以使用一個可信賴但非常緩慢的替代方法來獲得基礎真理；然后在樣本的其余部分使用訓練網(wǎng)絡，大大加快了整個操作的速度。這種方法對集成電路或其他大型三維標本很有吸引力。

轉移學習有可能減輕為新實驗重新訓練RAPID的工作。對于更一般的樣本，如病毒和納米顆粒，可能會有類似的性能，但很可能是以重新設計學習架構為代價。