物理法則・計測原理を組み込んだ深層学習による画期的な動的コヒーレントX線回折イメージング解析法の開発に成功

2025年3月14日 14:00

研究者情報

〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター／多元物質科学研究所 　教授　高橋幸生
研究室ウェブサイト

発表のポイント

物理法則と計測原理を組み込んだ深層学習による新たな位相回復手法を開発：X線回折像の時間的な連続性を活用し、高精度な試料構造の再構成を実現。これにより、従来の手法では困難だった動的コヒーレントX線回折イメージング（動的CXDI）データからの高精度な動画像の再構成が可能に。

ナノスケールの動的構造変化を高精度に可視化：動的CXDIデータを活用し、ナノスケールの試料構造の変化をリアルタイムで解析。マイクロメートルスケール領域におけるナノスケールの構造変化を、従来よりも高い空間・時間分解能で観察・解析を可能に。

実証実験の成功：動いている標準試料や水溶液中のコロイド金粒子に本手法を適用し検証した結果、高い空間・時間分解能で観察・解析を確認。

前例のない結果：今までの手法では見られなかった空間・時間分解能の両立の成功。

材料設計への応用：次世代材料のリアルタイム変化の観察や、医療・製薬分野での生体組織のナノスケール動態解析など、幅広い分野での実用化が期待大。

発表概要

北陸先端科学技術大学院大学（学長・寺野稔、石川県能美市）共創インテリジェンス研究領域のDAM Hieu-Chi（ダム　ヒョウ　チ）教授、HA Minh-Quyet特別研究員（日本学術振興会特別研究員ＰＤ）、VU Tien-Sinh大学院生（博士後期課程）、Adam Mukharil Bachtiar大学院生（博士後期課程）、DAO Duc-Anh大学院生（博士後期課程）、Deakin大学Applied Artificial Intelligence InstituteのTruyen Tran教授、物質・材料研究機構木野日織博士、東北大学（総長・冨永悌二、宮城県仙台市）国際放射光イノベーション・スマート研究センター高橋幸生教授、石黒志准教授、同大学院工学研究科の高澤駿太郎大学院生（博士後期課程）らの共同チームは、物理法則と計測原理を組み込んだ深層学習^{[用語解説１]}技術の開発により動的コヒーレントX線回折イメージング（動的CXDI）^{[用語解説２]}の回折データから、高精度に試料のナノ構造を再構成するための新たな位相回復^{[用語解説３]}手法を確立し、動的構造変化の可視化に成功した。
本研究では、回折像の時間的な連続性を活用することで、試料のマイクロメートルスケール領域におけるナノスケールの構造変化を、従来を大きく上回る空間・時間分解能で観察・解析できることを実証した。これにより、ナノスケールの動的現象をより詳細に捉える新たな観察技術が確立された。
この技術の進展により、可視光が透過しない物質の内部構造解析や、高分子・生体細胞中の微粒子運動の可視化など、材料科学・バイオ研究・ナノテクノロジー分野における革新的な応用が期待される。特に、次世代エネルギー材料のリアルタイム変化の観察や、医療・製薬分野での生体組織のナノスケール動態解析など、幅広い分野での実用化が見込まれる。

【図1】物理法則と計測原理を組み込んだ深層学習（PID3Net）を用いた動的コヒーレントX線回折イメージングの概略図。
(A) 動的CXDI計測の概要と時間発展する回折パターンのデータ。
(B) 物理法則と計測原理を組み込んだ深層学習PID3Netモデルによる時間方向の重複情報を活用して、高精度な動的像の復元のフロー。

用語解説

※1深層学習：人工知能（AI）の一分野であり、複数の隠れ層を持つニューラルネットワークを使用してデータから特徴を学習する技術である。特に、大量のデータから高度なパターンや構造を自動的に捉える能力が特徴として挙げられる。
※２動的コヒーレントX線回折イメージング（動的CXDI）：回折強度パターンに位相回復計算を実行し、試料像を取得するイメージング法。重要な特長として、X線領域において光学素子の性能に制限されない高い空間分解能を有する。CXDI はCoherent X-ray Diffraction Imaging の略称。

論文情報

掲載誌：npj Computational Materials (Springer Nature社)
論文題目：PID3Net: A Deep Learning Approach for Single-Shot Coherent X-ray Diffraction Imaging of Dynamic Phenomena
著者：Tien-Sinh Vu, Minh-Quyet Ha, Adam Mukharil Bachtiar, Duc-Anh Dao, Truyen Tran, Hiori Kino, Shuntaro Takazawa, Nozomu Ishiguro, Yuhei Sasaki, Masaki Abe, Hideshi Uematsu, Naru Okawa, Kyosuke Ozaki, Kazuo Kobayashi, Yoshiaki Honjo, Haruki Nishino, Yasumasa Joti, Takaki Hatsui, Yukio Takahashi, Hieu-Chi Dam
ＤＯＩ：10.1038/s41524-025-01549-x
掲載日：2025年3月12日

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センター（多元物質科学研究所 兼務）
教授　高橋　幸生（たかはし　ゆきお）
TEL：022-217-5166
E-mail：ytakahashi*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学 多元物質科学研究所 広報情報室
TEL： 022-217-5198
Email：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）


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