QURT量化单元重建技术：一种无"鬼影"的断层成像新方法及其在纳米材料三维解析中的应用

针对传统断层重建中因"缺失楔形"(missing-wedge)和投影图像不足导致的"鬼影"(ghost)伪影问题，研究人员开发了无需参数调整的量化单元重建技术(QURT)。通过傅里叶环相关(FRC)等定量评估证实，该方法在HAADF-STEM和EDXS断层成像中显著抑制伪影，即使4°大倾角步长下仍能清晰解析Pd/CeO2-ZrO2-Al2O3催化剂孔隙结构，为敏感材料的三维表征提供新方案。

　　

在纳米材料研究领域，电子断层成像技术一直是揭示材料三维结构的利器，但传统方法面临两大"顽疾"：一是样品倾斜角度受限造成的"缺失楔形"(missing-wedge)问题，就像试图用残缺的拼图还原完整图像；二是采集大量投影图像导致的样品损伤风险。更棘手的是，这些限制会产生被称为"鬼影"(ghost)的伪影——如同显微镜下的"海市蜃楼"，在样品实际结构外形成虚假的条纹或模糊影像，严重干扰对催化剂孔隙、界面等关键特征的解析。

日本研究人员提出的量化单元重建技术(QURT)带来了突破性解决方案。这项发表在《Micron》的研究通过独特的离散化处理，将灰度量化单元(QU)在三维空间智能排布，无需任何先验知识建模或参数调整。就像用乐高积木精准还原建筑模型，QURT仅需投影图像和倾角数据即可实现重建，从根本上规避了传统压缩感知(CS)等方法对样本特性的依赖。

研究团队采用多尺度验证策略：在模拟测试中，设计含渐变周期正弦函数的相位图作为测试图案，通过傅里叶环相关(FRC)定量评估分辨率；在实际应用中，选取对鬼影极其敏感的Pd/CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃(CZA)催化剂，结合高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)和能量色散X射线光谱(EDXS)进行三维重构。关键技术包括：1）离散化投影理论约束下的量化单元排布算法；2）基于1k×1k与512×512像素图像的傅里叶频谱对比；3）仅22张倾斜系列信号图的EDXS断层重建。

【Test patterns for simulations】
通过设计外围绘制正弦函数的测试图案，量化评估不同投影数量下的分辨率。当采用60个投影方向（3°步长）时，QURT在1k×1k像素图像中可解析最小8像素周期结构，较传统方法提升显著。

【Resolution in reducing the number of projection directions】
在缺失楔形条件下，QURT重建图像的信噪比(SNR)达25.6dB，比同时迭代重建技术(SIRT)提高近10dB。特别值得注意的是，背景区域的均方根误差(RMSE)仅为SIRT的1/3，证实其卓越的鬼影抑制能力。

【Conclusions】
实验证实QURT在4°大倾角步长下仍能清晰呈现CZA催化剂的孔隙网络，且不损害低对比度Al区域的信号完整性。EDXS断层重建中，即使仅用22张信号图，仍能构建元素三维分布而几乎不产生伪影。

这项研究的意义在于：首先，QURT的"参数自由"特性使其成为各类纳米材料的普适性分析工具；其次，通过抑制鬼影伪影，为多孔材料、光束敏感样品的三维表征开辟新途径；最后，低投影数量需求大幅缩短采集时间，对电子束敏感的生物样品成像具有潜在应用价值。正如研究者指出，该方法未来可与人工智能技术结合，为训练高质量的深度学习模型提供更纯净的断层数据基础。