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叠层成像技术（Ptychography）在多领域意义重大，但其传统离线重建耗时久。研究人员对比实时与离线重建质量，发现二者在不同重叠条件下差异可忽略不计。这表明实时重建有望替代或补充离线重建，提升科研效率。
在科学研究的微观世界探索中，叠层成像技术（Ptychography）宛如一把神奇的钥匙，为人们打开了高分辨率、无透镜的复杂样本成像大门。这项技术凭借分析重叠的衍射图案，能够实现对样本的精细重构，在材料科学、生物学和纳米技术等诸多前沿领域发挥着不可替代的作用。然而，传统的叠层成像重建方式是在扫描完成后才启动，漫长的处理时间就像一道屏障，严重阻碍了实验反馈的及时性，使得研究人员无法及时对实验设置和扫描质量做出调整。特别是随着探测器和光源技术的飞速发展，数据采集速度大幅提升，这种延迟问题愈发凸显，仿佛在科研的高速公路上设置了减速带，限制了研究的进程。
为了突破这一困境，来自瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）细胞与分子生物学系分子生物物理实验室、隆德大学（Lund University）MAX IV 实验室以及美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）NERSC 的研究人员 Rebecka Lexelius、Maik Kahnt 和 Filipe R. N. C. Maia 开展了一项极具价值的研究。他们聚焦于实时与离线叠层成像重建质量的对比，试图揭开实时重建是否能媲美离线重建的神秘面纱。最终，研究成果发表在《Scientific Reports》上，为该领域带来了重要的突破。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先，通过模拟样本和衍射图案，利用已知的复杂折射率数据构建样本模型，并结合实验测定的探针进行模拟。在模拟过程中，使用 PtyPy 软件生成带有泊松噪声的衍射图案，模拟真实实验情况。其次，采用自定义的 PtyPy 版本进行叠层成像重建，分别设置离线和实时重建的参数，在实时重建中按照特定时间间隔和数据块加载数据进行迭代计算。最后，运用多种数据分析方法，如裁剪图像、去除相位斜坡、计算相对位移、转换光学密度以及计算归一化均方误差（NMSE）等，对重建结果进行精确评估 。
研究结果
- 重建质量对比：研究人员详细对比了基于不同重叠条件下的离线和实时重建结果。通过计算光学密度（OD）差异、相位差异以及归一化均方误差（NMSE），发现离线和实时重建在误差指标上并无实质性差异。无论是高重叠（90.0%）还是低重叠（54.2%）的情况，两种重建方式与真实样本之间的误差相近，且二者之间的差异始终小于与真实样本的差异123。
- 迭代过程分析：在重建的迭代过程中，研究人员观察到离线和实时重建的 NMSE 随着迭代次数的增加迅速收敛到相似的值。这意味着在重建的各个阶段，实时重建都能够保持与离线重建相当的准确性，不会因为实时处理数据的特性而导致重建质量下降2。
研究结论与讨论
这项研究明确证实，在测试的重叠率范围内，实时叠层成像重建完全可以作为离线重建的有效替代方法，且不会牺牲图像质量。这一发现意义非凡，它打破了传统观念中对实时重建质量的疑虑，为科研工作流程带来了革新的可能。在实际的实验场景中，研究人员能够依据实时重建的结果，在实验进行过程中及时调整扫描步长、曝光时间等关键参数，实现实验条件的动态优化，既提高了数据质量，又减少了不必要的数据存储需求。同时，实时重建避免了实验后的离线处理环节，大大加快了科研成果的产出速度，让研究人员能够更快地将研究成果应用于实际，推动相关领域的快速发展。
尽管本研究是基于模拟样本展开，但研究人员认为其结果与真实实验结果高度相似。不过，研究也指出，除了重叠率之外，还有诸多因素，如加载新帧之间的迭代分布、加载帧的数据块大小以及处理部分相干性所使用的探针模式数量等，可能会对实时重建性能产生影响，这些将是未来研究需要深入探索的方向。
总体而言，这项研究为叠层成像技术的发展注入了新的活力，为众多依赖该技术的科研领域开辟了更高效、更精准的研究路径，为微观世界的探索提供了更有力的工具。
