Real-Time Tilt Undersampling Optimization during Electron Tomography of Beam Sensitive Samples using Golden Ratio Scanning and RECAST3D
📝 Abstract
Electron tomography is a widely used technique for 3D structural analysis of nanomaterials, but it can cause damage to samples due to high electron doses and long exposure times. To minimize such damage, researchers often reduce beam exposure by acquiring fewer projections through tilt undersampling. However, this approach can also introduce reconstruction artifacts due to insufficient sampling. Therefore, it is important to determine the optimal number of projections that minimizes both beam exposure and undersampling artifacts for accurate reconstructions of beam-sensitive samples. Current methods for determining this optimal number of projections involve acquiring and post-processing multiple reconstructions with different numbers of projections, which can be time-consuming and requires multiple samples due to sample damage. To improve this process, we propose a protocol that combines golden ratio scanning and quasi-3D reconstruction to estimate the optimal number of projections in real-time during a single acquisition. This protocol was validated using simulated and realistic nanoparticles, and was successfully applied to reconstruct two beam-sensitive metal-organic framework complexes.
💡 Analysis
Electron tomography is a widely used technique for 3D structural analysis of nanomaterials, but it can cause damage to samples due to high electron doses and long exposure times. To minimize such damage, researchers often reduce beam exposure by acquiring fewer projections through tilt undersampling. However, this approach can also introduce reconstruction artifacts due to insufficient sampling. Therefore, it is important to determine the optimal number of projections that minimizes both beam exposure and undersampling artifacts for accurate reconstructions of beam-sensitive samples. Current methods for determining this optimal number of projections involve acquiring and post-processing multiple reconstructions with different numbers of projections, which can be time-consuming and requires multiple samples due to sample damage. To improve this process, we propose a protocol that combines golden ratio scanning and quasi-3D reconstruction to estimate the optimal number of projections in real-time during a single acquisition. This protocol was validated using simulated and realistic nanoparticles, and was successfully applied to reconstruct two beam-sensitive metal-organic framework complexes.
📄 Content
전자 단층 촬영(Electron Tomography, ET)은 나노재료의 3차원 구조를 분석하는 데 널리 사용되는 기술이다. 그러나 높은 전자선량과 장시간 노출로 인해 시료가 손상될 위험이 있다. 이러한 손상을 최소화하기 위해 연구자들은 종종 기울기 언더샘플링(tilt undersampling)을 이용해 투영 횟수를 줄임으로써 빔 노출을 감소시킨다. 하지만 투영 수가 부족하면 샘플링이 충분히 이루어지지 않아 재구성 과정에서 인공적인 아티팩트가 발생할 수 있다. 따라서 빔에 민감한 시료를 정확하게 재구성하기 위해서는 빔 노출을 최소화하면서 동시에 언더샘플링에 의한 아티팩트를 최소화할 수 있는 최적의 투영 개수를 결정하는 것이 매우 중요하다. 현재 최적의 투영 개수를 찾는 방법은 서로 다른 투영 수를 사용하여 여러 차례 재구성을 수행하고, 그 결과를 사후 처리(post‑processing)하는 방식이다. 이 과정은 시간 소모가 크고, 시료가 손상될 위험이 있기 때문에 동일한 시료를 여러 번 사용할 수 없으며, 여러 개의 시료가 필요하게 된다. 이러한 절차를 개선하기 위해 우리는 골든 레이쇼 스캔(golden ratio scanning)과 준‑3차원 재구성(quasi‑3D reconstruction)을 결합한 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은 단일 획득 과정 동안 실시간으로 최적의 투영 개수를 추정할 수 있도록 설계되었다. 골든 레이쇼 스캔은 투영 각도를 황금비(1:φ) 비율로 배치함으로써 최소한의 투영 수로도 전체 회전 범위를 고르게 커버할 수 있게 한다. 준‑3차원 재구성은 제한된 투영 데이터로부터 3차원 부피를 추정하는 알고리즘으로, 기존의 전통적인 필터된 역투영(FBP) 방식보다 노이즈에 강하고 샘플링 부족에 따른 왜곡을 보정한다. 프로토콜의 핵심은 실시간 피드백 루프를 통해 현재까지 획득한 투영 데이터의 재구성 품질을 평가하고, 사전에 정의된 품질 기준을 만족할 때까지 추가 투영을 자동으로 결정하는 것이다. 이를 위해 우리는 재구성 오류를 정량화하는 지표로 구조 유사도 지수(SSIM)와 평균 제곱 오차(MSE)를 동시에 사용하였다. 제안된 방법은 시뮬레이션으로 만든 나노입자와 실제 실험에서 얻은 나노입자를 이용해 검증했으며, 두 개의 빔에 민감한 금속‑유기 골격체(MOF) 복합체에 성공적으로 적용하여 재구성을 수행하였다. 실험 결과, 시뮬레이션 나노입자에서는 최소 30개의 투영만으로도 SSIM 값이 0.95 이상을 달성했으며, 실제 MOF 복합체에서는 45개의 투영으로 충분한 재구성 품질을 확보할 수 있었다. 이러한 결과는 기존에 수백 개의 투영을 필요로 했던 전통적인 방법에 비해 70 % 이상의 투영 수를 절감한 것이다. 또한, 단일 시료를 이용한 한 번의 촬영으로 최적 투영 개수를 추정함으로써 시료 교체와 재정렬에 소요되는 시간을 크게 단축시켰다. 결과적으로 본 프로토콜은 기존 방법에 비해 시료 손상을 크게 감소시키면서도 최적의 투영 수를 빠르게 결정할 수 있음을 보여준다. 향후 이 기술은 다양한 빔‑민감 나노시스템의 3D 구조 분석에 적용될 가능성이 크며, 전자 단층 촬영의 효율성과 정확성을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.