九大,機械学習で最速の3次元電子顕微鏡観察

著者: sugi

九州大学の研究グループは,機械学習を活用したノイズフィルターを組み込んだ新しい電子顕微鏡の計測手法を開発し,物体の内部をナノメートルスケールの解像度で立体的に可視化するトモグラフィー技術を従来よりも100倍高速化することに成功した(ニュースリリース)。

電子顕微鏡の計測手法開発において現在最も注力されている技術の一つに,観察対象が実際に機能する様子をリアルタイムで可視化するオペランド観察があるが,オペランド観察では,観察対象自体とその周囲環境の両方を試料として含むため試料全体が厚くなる。

透過電子顕微鏡法(TEM)では観察視野全体に電子線を一様に照射し,透過電子線に含まれる試料の構造情報がレンズによって拡大され,カメラ等の記録媒体に転送される。一方,走査透過電子顕微鏡法(STEM)では試料上の一点に収束された電子線で試料上を走査することにより撮像される。

視野全体の情報を一度にカメラで記録できるTEMは撮像速度の面でSTEMに対し有利。しかしながら,レンズの色収差の影響を受けるため,TEMでは厚い試料の観察時に像が著しくぼやけるという課題があり,一般に試料の厚みは100nm程度に制限されていた。

撮影に視野全体の走査が必要なSTEMは撮像速度の面でTEMに劣るが,STEMには結像レンズ系の色収差の影響による解像度低下を回避でき,厚い試料の観察に向く。STEMにおける電子線の走査を市販のハードウェアで限界まで速くすると,数10ミリ秒の撮像速度を実現できるが,画像には複雑なノイズ・非線形な画像歪みが含まれる。

STEM像を同一視野から50枚取得して積算すると,ノイズを低減できるが,画像の取得に合計で数秒の時間を要する。一方,高性能ノイズフィルターを適用することで平滑な画像を得ることもできるが,50枚積算像と比較するとぼやけてしまう。

そこで機械学習を活用したノイズフィルターの作製を試みた。機械学習では何層にもフィルターが連なったU-Netと呼ばれるネットワーク型のフィルターを採用し,175種類の視野から得た合計8750枚の画像から構成した教師データを使用した結果,1枚あたり30ミリ秒の高速撮像でも数秒かけて取得したかのような低ノイズ画像が得られるようになった。

従来,立体可視化に不可欠な連続傾斜像の取得にはSTEMでは数10分を要していた。開発した高速STEMにより,連続傾斜像取得時間を5秒まで短縮した。これにより,より厚い試料の内部構造を立体的に高速観察できるようになった。

研究グループは,電子顕微鏡によるオペランド観察の適用範囲の大きな拡大に繋がる成果だとしている。

キーワード:

関連記事

  • 東大、細胞内の構造と微粒子の動きを同時観察する顕微鏡を開発

    東京大学の研究グループは、前方散乱光と後方散乱光を同時に定量する「双方向定量散乱顕微鏡」を開発した(ニュースリリース)。 ラベルフリー顕微鏡として広く用いられる定量位相顕微鏡(QPM)は、試料の屈折率分布に起因する前方散…

    2025.11.28
  • SBと理研,AI計算基盤と量子コンピュータの接続開始

    ソフトバンクと理化学研究所は,学術情報ネットワーク「SINET(サイネット)」への接続サービスを活用して,ソフトバンクのAI(人工知能)計算基盤と理研が運用する量子コンピュータの相互接続を,2025年10月に開始すると発…

    2025.10.02
  • 筑波大,神経細胞の構造を10倍の精度で3次元計測

    筑波大学の研究グループは,神経細胞の微細構造を高速かつ高精度に3次元計測する技術を開発した(ニュースリリース)。 脳は一つの神経細胞,またはシナプス結合を基本単位として構成され,それらの形態や構成要素の変化が情報処理の基…

    2025.09.17
  • 東大,球形のナノダイヤモンドを低温・低圧下で合成

    東京大学の研究グループは,原子分解能透過電子顕微鏡を用いて,ダイヤモンド骨格であるアダマンタン(Ad)の結晶に電子線照射することで,ナノサイズの球形のダイヤモンドを合成することに成功した(ニュースリリース)。 ダイヤモン…

    2025.09.12
  • デンソーと九工大,AI活用の外観検査システムを開発

    デンソー九州と九州工業大学は,熱交換器の製造工程における外観検査業務の効率化を目指し,AI技術を活用した外観検査システムを共同開発した(ニュースリリース)。 これまでも,デンソー九州ではAIを活用した生産プロセスの最適化…

    2025.09.03
  • 阪大ら,時間決定型クライオ光学顕微鏡法を開発

    大阪大学と京都府立医科大学は,光学顕微鏡で観察中の細胞を,任意のタイミングかつミリ秒レベルの時間精度で凍結固定し,そのまま詳細に観察できる技術「時間決定型クライオ光学顕微鏡法」の開発に成功した(ニュースリリース)。 細胞…

    2025.08.27
  • 東大,分子振動光熱顕微鏡で分子の熱泳動を可視化

    東京大学の研究グループは,分子振動光熱顕微鏡を応用し,細胞内に形成される温度勾配に伴う生体分子の熱泳動現象を可視化することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。 分子振動を利用した顕微鏡技術は,ラマン散乱や赤外吸収…

    2025.08.21
  • 公大,AIと赤外線技術で牛の体温を測定

    大阪公立大学の研究グループは,赤外線サーモグラフィーと人工知能(AI)を組み合わせることで,画像から関心領域(目および鼻,特に温度変化に敏感に反応する高温領域)の位置を自動的に検出する技術を活用し,約200件の温度変化パ…

    2025.08.01

新着ニュース

人気記事

新着記事

  • オプトキャリア