【新技術】複雑な物体組織を素早く分析するX線

・ナノスケール物体を高速で3Dに再構成できる新しい手法が開発されました

・異なる2つの位置から被写体を撮影し、それらを合成することで空間画像を形成することができます

自然界には、複雑な3次元的な構造を持つ物体が無数に存在します。このような物体を詳細に分析することは、様々な分野で応用できると考えられます。

近年のレンズレスイメージング技術の進歩により、超高速コヒーレントX線源を用いて、フェムト秒からナノメートルスケールの2Dシングルショットイメージングが可能になりました。しかし、超高速3Dイメージングの実現は、動的な観点からは難しい課題です。

今回、国際的な研究者チームが、3Dイメージングのプロセスを大幅に加速する新しい方法を開発しました。これは、2つの異なる視点からの画像を含む1枚の画像を通して、ナノスケールでの3D再構成を可能にするものです。

どのように開発されてきたのか?

人間の脳では、立体の再構成から3次元の感覚が生み出されます。一方、コンピュータのステレオビジョンでは、画像の平行化、視差マップの推定、3次元点群投影という3つのステップを経て奥行きの情報が抽出されます。

この研究では、コンピュータステレオビジョンの概念をX線に応用し、ナノメートルスケールの3D再構成を実施しました。機械ステレオビジョンは、多くの場合、独自性と類似性に基づき計算しているため、正確で現実的な視差マップを作成することは困難です。

研究チームは、X線位相コントラスト画像がこのような計算上の制約を満たし、位相コントラスト画像をステレオペアとして見ることで潜在的サイトが復元されることを発見しました。しかし、滑らかな組成勾配や球状のトポグラフィーのような曖昧な透過形状では、この方法は構造の深さを正確に捉えることができません。

物体（中央に切り出した十字架）に異なる2方向から光を当て、星型の回折写真を立体物（下）に再構成する | 研究者からの提供

それでも、ラベルを使えば画像を前処理せずに、より複雑な3D構造を検索することができます。研究者は、金のナノ粒子を使用しました。このようなナノ粒子は、生物学的システムの画像化にも使用できます。

最終的に、このステレオ技術は、2つのビュー（1つのレーザーパルスで捕捉）だけでナノメートルスケールの超高速3D再構成を作成できます。

今後どうなるのか?

適応型圧縮ステレオ画像を用いることで、X線自由電子レーザーなどの高X線源におけるリアルタイム3Dビジョンのために、画像処理をさらに最適化することができます。

今回開発した技術は、個々の分子の3次元構造イメージングに大きな影響を与える可能性があります。さらに、医学・生物学の分野でも活用できる可能性があります。例えば、医学的診断に決定的な役割を果たすウイルスのタンパク質構造を、わずかな労力で迅速に調べることができるようになります。