A geração de imagens RAPID oferece inúmeras oportunidades com aprendizado profundo

3 de abril de 2023

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pela Academia Chinesa de Ciências

Imagens tridimensionais (3D) em escala nanométrica permitem informações importantes sobre biologia e comportamentos de materiais, incluindo função de vírus, danos estruturais e nanoeletrônica.

Uma maneira é fazer isso de forma destrutiva. Os pesquisadores imobilizariam seu espécime, gravariam a camada superior finamente com um feixe de partículas, visualizariam os recursos revelados com um microscópio eletrônico de varredura ou métodos similares de alta resolução e repetiriam esse processo até que todo o volume do espécime fosse consumido. No entanto, em muitos casos, é preferível operar de forma não destrutiva, sendo então necessária uma forma de tomografia.

Em um novo artigo publicado no eLight, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Ziling Wu, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, desenvolveu um novo método de reconstrução para imagens 3D.

A equipe de pesquisa usou circuitos integrados (IC) como exemplo porque apresentavam algumas conveniências práticas. Os ICs são rígidos e, portanto, não requerem fixação. Eles também são muito úteis na verificação do processo de fabricação, análise de falhas e detecção de falsificações. Por outro lado, o desafio da imagem 3D IC cresce com o tempo devido à lei de Moore.

Para imagens IC 3D não destrutivas em nanoescala, os raios-X duros são sondas ideais devido à sua longa profundidade de penetração e comprimento de onda curto. Diferentemente da tomografia médica de raios-X, porém, que opera quase sempre na intensidade das projeções, no caso da nanoescala é comum buscar primeiro o campo complexo pela picografia e depois fazer a tomografia. Este esquema combinado também é conhecido como tomografia pticográfica de raios-X (ptico-tomografia).

Existem várias razões para fazer isso. Por exemplo, se a aproximação de projeção ainda for aplicável, os cientistas podem realizar duas reconstruções tomográficas em paralelo. A maioria dos materiais exibe variações de fase 10 vezes maiores que suas respectivas mudanças de absorção.

As reconstruções de fototomografia de raios X são realizadas na mesma sequência da aquisição experimental, em uma abordagem de duas etapas. Primeiro, projeções 2D são recuperadas de padrões de difração de campo distante usando algoritmos de recuperação de fase e, em seguida, reconstruções tomográficas são implementadas para recuperar as partes reais e/ou imaginárias de um objeto 3D de projeções 2D.

Muitas aplicações foram demonstradas com sucesso com esta abordagem em duas etapas. Essas aplicações incluem imagens IC, imagens de organismos microscópicos e estudos de propriedades de materiais, como fratura, percolação e hidratação. No entanto, tanto a pticografia quanto a tomografia exigem grande redundância nos dados, levando geralmente a longos tempos de aquisição e processamento.

Uma maneira de reduzir o tempo de aquisição é por meio de scanners de alta precisão que podem trabalhar de forma confiável com esquemas de varredura eficientes e em altas velocidades de varredura. Reduzir os requisitos de redundância de dados na opticotomografia é uma maneira alternativa de acelerar a aquisição de dados, mas introduz uma postura inadequada. No entanto, com dados reduzidos, os algoritmos de reconstrução convencionais provavelmente produzirão artefatos e uma perda geral de fidelidade.

Abordagens de aprendizado supervisionado geralmente são motivo de preocupação em relação à capacidade de generalização de dados novos e invisíveis. Os pesquisadores propuseram uma estratégia para treinar em um subconjunto da amostra, onde um método alternativo confiável, mas muito lento, pode ser usado para obter verdades básicas; e depois usar a rede ferroviária no restante da amostra, acelerando significativamente toda a operação. Essa abordagem é atraente para circuitos integrados ou outros grandes espécimes 3D.