సాధారణ వేగం, పరిమాణం, వివరాల మధ్య ఉన్న ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను కంప్యూటేషనల్ మైక్రోస్కోప్ చెరిపేసింది

పాత ఇంజనీరింగ్ ట్రేడ్-ఆఫ్‌ను దాటించేందుకు రూపొందించిన మైక్రోస్కోప్

మైక్రోస్కోప్ రూపకల్పనను చాలా కాలంగా ఒక మొండి రాజీ ఆకారంలో తీర్చిదిద్దుతోంది. పరిశోధకులు సాధారణంగా అధిక రిజల్యూషన్, విస్తృత ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూ లేదా వేగవంతమైన ఇమేజింగ్‌లో ఏదో ఒకదానిని ఎంచుకోవాల్సి వస్తుంది, కానీ వాటిలో ఒకదానిని మెరుగుపరచడం మిగతా వాటిలో కనీసం ఒకదానిని బలహీనపరుస్తుంది. ఆ ట్రేడ్-ఆఫ్ వల్ల, చురుకైన జీవ వైజ్ఞానిక క్రియాశీలతను వివరంగా కూడా, పెద్ద స్థాయిలో కూడా చూడాలనుకునే శాస్త్రవేత్తలకు పరిమితులు ఏర్పడ్డాయి.

UC Berkeley నేతృత్వంలోని ఒక బృందం ఇప్పుడు ఆ సమతుల్యతను మార్చే కంప్యూటేషనల్ మైక్రోస్కోప్‌ను నిర్మించామని చెబుతోంది. Nature Photonicsలో ప్రచురించబడి Phys.org ద్వారా వివరించబడిన ఈ పనిలో, పరిశోధకులు మైక్రాన్ స్థాయి రిజల్యూషన్‌ను సెంటీమీటర్ల పరిమాణంలోని ప్రాంతాలపై, వీడియోకన్నా వేగంగా, పట్టగలిగే వ్యవస్థను అభివృద్ధి చేశారు. వారి నివేదించిన త్రుపుట్ సెకనుకు 25.2 బిలియన్ పిక్సెల్స్, విస్తృత ప్రాంత ఇమేజింగ్‌ను సూక్ష్మ వివరాలతో కలిపి, సంప్రదాయ మైక్రోస్కోప్ ఆర్కిటెక్చర్లు సరిపోల్చడం కష్టమైన వేగాన్ని అందిస్తోంది.

ఈ పనితీరు వాస్తవ ప్రయోగశాల వర్క్‌ఫ్లోల్లో కూడా బాగా అనువర్తిస్తే, ముఖ్యంగా చాలా కదులుతున్న జీవులు లేదా కాలక్రమంలో ట్రాక్ చేయాల్సిన పెద్ద జీవ నమూనాలు ఉన్న ప్రయోగాల్లో, మైక్రోస్కోపీ వినియోగం మరింత విస్తరించవచ్చు.

ఇది ఎందుకు ముఖ్యమంటే

మైక్రోస్కోపీకి సంబంధించిన సంప్రదాయ సమస్యను చెప్పడం సులభం, కానీ పరిష్కరించడం కష్టం. అధిక మాగ్నిఫికేషన్ సెటప్ చిన్న నిర్మాణాలను చూపగలదు, కానీ సాధారణంగా పరిమిత ప్రాంతంలో మాత్రమే. విస్తృత దృశ్యం నమూనాలో ఎక్కువ భాగాన్ని చూపగలదు, కానీ సాధారణంగా తక్కువ వివరాలతో. వేగవంతమైన ఇమేజింగ్ ఇంకొక పరిమితిని తీసుకొస్తుంది, ఎందుకంటే ఎక్కువ వేగంతో ఎక్కువ డేటాను సేకరించడం ఆప్టిక్స్, సెన్సర్లు లేదా ప్రాసెసింగ్ పైప్‌లైన్లను ముంచెత్తవచ్చు.

Berkeley బృందం రూపొందించిన వ్యవస్థ ఈ సరిహద్దులను ఒకేసారి ముందుకు నెట్టి చూడాలని లక్ష్యంగా పెట్టుకుంది. నివేదిక ప్రకారం, ఈ మైక్రోస్కోప్ 120 ఫ్రేమ్స్ పర్ సెకండ్ వద్ద 5 చదరపు సెంటీమీటర్లకంటే ఎక్కువ విస్తీర్ణంలో 3-మైక్రాన్ రిజల్యూషన్‌ను సాధిస్తుంది. ప్రధాన పరిశోధకురాలు లారా వాలర్ ఈ ఫలితాన్ని కంప్యూటేషనల్ మైక్రోస్కోపీలో ఒక పురోగతిగా అభివర్ణించి, రిజల్యూషన్, విస్తీర్ణం, వేగం కలయిక సాంప్రదాయ పద్ధతులతో సాధ్యం కాదని అన్నారు.

దీని ప్రాముఖ్యత కేవలం పనితీరు చార్టులో పెద్ద సంఖ్య కావడంలో మాత్రమే లేదు. పెద్ద దృశ్యంలో చాలా జీవులు స్వేచ్ఛగా కదులుతుండగా కూడా మైక్రాన్ స్థాయి లక్షణాలను రిజolve చేయగల మైక్రోస్కోప్ కొన్ని ప్రయోగాలను అమలు చేయడాన్ని సులభతరం చేసి, వాటి విశ్లేషణను మరింత సమాచారప్రదంగా చేయగలదు.

వ్యవస్థ ఎలా పనిచేస్తుంది

ఈ డిజైన్ ఒకే డిటెక్టర్‌పై ఆధారపడకుండా 48 కెమెరా సెన్సర్ల అరేను ఉపయోగిస్తుంది. ఇది ఇమేజ్ ప్లేన్ వద్ద పంపిణీ చేయబడిన బహుళ-స్పాట్ పాయింట్ స్ప్రెడ్ ఫంక్షన్‌ను సృష్టించే డిఫ్రాక్టివ్ ఆప్టికల్ ఎలిమెంట్‌ను కూడా ఉపయోగిస్తుంది. సులభంగా చెప్పాలంటే, ఆప్టిక్స్ విజువల్ సమాచారాన్ని ఉద్దేశపూర్వకంగా కోడ్ చేసి, తరువాత దాన్ని కంప్యూటేషనల్‌గా తిరిగి నిర్మించుకునేలా చేస్తాయి.

ఇది ముఖ్యమవుతుంది, ఎందుకంటే 48 సెన్సర్లు మధ్య ఖాళీలతో గ్రిడ్ రూపంలో అమర్చబడ్డాయి. సాధారణ పరిస్థితుల్లో ఆ ఖాళీలు ఉంటే చిత్ర సమాచారంలో భాగం కోల్పోతుంది. కానీ నివేదికలో చెప్పినట్లుగా, బృందం ఆ ఖాళీ ప్రాంతాల్లో పడిపోయే భాగాలను సంకోచితంగా ఎన్‌కోడ్ చేయడానికి కంప్యూటేషనల్ ఇమేజింగ్ పద్ధతులను ఉపయోగించింది. తరువాత ఒక కంప్యూటేషనల్ ఇన్వర్స్ సమస్య ద్వారా పూర్తి స్థాయి చిత్రం పునరుద్ధరించబడుతుంది.

ఈ విధానం ఇమేజింగ్ శాస్త్రంలో జరుగుతున్న ఒక విస్తృత మార్పును ప్రతిబింబిస్తుంది. కేవలం ఆప్టిక్స్‌నే అన్నీ చేయమని అడగకుండా, పరిశోధకులు హార్డ్‌వేర్ మరియు అల్గారిథమ్‌లను కలిసి రూపకల్పన చేస్తున్నారు, తద్వారా ఒక్కోటి మరొకటి కలిగించే పరిమితులను పూడ్చగలుగుతుంది. ఈ సందర్భంలో, మైక్రోస్కోప్ పనితీరు ఆ భాగస్వామ్యంపైనే ఆధారపడి ఉంది. ఆప్టికల్ సెటప్ సమాచారంతో నిండిన సిగ్నల్‌ను రూపొందిస్తుంది, కంప్యూటేషనల్ రీకన్స్ట్రక్షన్ దాన్ని పెద్ద స్థాయిలో ఉపయోగపడే ఇమేజ్ సీక్వెన్స్‌గా మారుస్తుంది.

పరిశోధకులు ఏమి చూపించారు

ఈ వ్యాసం 5 చదరపు సెంటీమీటర్లకంటే పెద్ద ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూ అంతటా స్వేచ్ఛగా కదులుతున్న C. elegans చిత్రీకరణను హైలైట్ చేస్తుంది. ఇది ఉపయోగకరమైన ప్రదర్శన ఉదాహరణ, ఎందుకంటే ఇది చలనం, అనేక జీవులు, జీవశాస్త్ర సంబంధిత ప్రాముఖ్యతను ఒకేసారి కలుపుతుంది. అధిక మాగ్నిఫికేషన్‌లో కొన్ని జీవులను ట్రాక్ చేయడం ఒక సమస్య. పెద్ద ప్రాంతంలో వివరాలను కోల్పోకుండా అనేక జీవులను ట్రాక్ చేయడం మరో సమస్య.

ఈ వ్యవస్థ ఒకేసారి అనేక జీవ నమూనాలను చిత్రీకరించి, వాటిని కాలక్రమంలో పర్యవేక్షించడానికి మార్గం తెరుస్తుందని పరిశోధకులు అంటున్నారు. ఇది ప్రవర్తనా జీవశాస్త్రం, అభివృద్ధి అధ్యయనాలు, స్క్రీనింగ్ వర్క్‌ఫ్లోలు మరియు పెద్ద జనాభాలు లేదా పెద్ద ఫార్మాట్ నమూనాలను నిరంతరం గమనించాల్సిన ఇతర పరిస్థితుల్లో ఉపయోగకరంగా ఉండొచ్చు.

ఇక్కడ వేగమే కీలకం. 120 ఫ్రేమ్స్ పర్ సెకండ్ వద్ద, ఈ వ్యవస్థ కేవలం స్థిరమైన అతి-పెద్ద చిత్రాలను తయారు చేయడం లేదు. కదలికను నెమ్మదైన వ్యవస్థల్లో మసకబారిపోయే లేదా తప్పిపోయేంత వేగంగా పరిష్కరించగల రేట్లలో ఇది డైనమిక్ ప్రక్రియలను పట్టుకుంటోంది. అధ్యయన వస్తువు క్షణక్షణానికి ఆకారం, స్థానం లేదా పరస్పర చర్య స్థితి మారుతున్నప్పుడు ఇది ముఖ్యమవుతుంది.

కంప్యూటేషనల్ మైక్రోస్కోపీ యొక్క విస్తృత ప్రాముఖ్యత

ఈ పురోగతి కంప్యూటేషనల్ మైక్రోస్కోపీ ఒక నిచ్ పద్ధతి నుండి ప్రాయోగిక ఇంజనీరింగ్ వ్యూహంగా ఎదుగుతున్నదాన్ని కూడా చూపిస్తుంది. ఎన్‌కోడ్ చేసిన కొలతల నుండి మరింత సమాచారాన్ని పునరుద్ధరించగల ఆలోచన ఇమేజింగ్‌లోని భౌతిక అడ్డంకులను చెరిపేస్తుందన్న ఆశను ఏళ్లుగా అందిస్తోంది. కానీ సమస్య ఏమిటంటే, ఆ రీకన్స్ట్రక్షన్ తగినంత బలంగా ఉండటం, మొత్తం సెటప్ వాస్తవ వినియోగానికి తగినంత ప్రాయోగికంగా ఉండటం.

Berkeley పని మైక్రోస్కోప్ పనితీరు కేవలం లెన్స్‌లు మరియు సెన్సర్ పరిమాణాల ద్వారానే కాకుండా, పరికరం యొక్క మొత్తం సమాచార నిర్మాణం ద్వారా నిర్వచించబడే భవిష్యత్తును సూచిస్తోంది. సెన్సర్ అరేలు, నిర్మిత ఆప్టికల్ ఎన్‌కోడింగ్, రీకన్స్ట్రక్షన్ అల్గారిథమ్‌లు వేరువేరు సాంకేతిక పొరలుగా కాకుండా ఒకే యంత్రంలోని భాగాలుగా మారుతాయి.

ఇది ఒక్క పరికరం రూపకల్పనకే కాకుండా దాని కంటే ఎక్కువ ప్రాముఖ్యత కలిగి ఉండొచ్చు. ఇలాంటి పద్ధతులను ఇతర మైక్రోస్కోపీ సందర్భాలకు అనుగుణంగా మార్చగలిగితే, ల్యాబ్‌లు ఇప్పటివరకు వివరాలు మరియు కవరేజ్ మధ్య ఒకదానిని ఎంచుకోవాల్సిన అవసరం ఉన్న ఘటనలను గమనించడానికి కొత్త మార్గాలను పొందవచ్చు. అప్పుడది ఏ పనితీరు కొలమానాన్ని త్యాగం చేయాలన్న ప్రశ్నగా కాక, క్యాలిబ్రేషన్ మరియు కంప్యూటేషన్‌లో పరిశోధకులు ఎంత సంక్లిష్టతను భరించడానికి సిద్ధంగా ఉన్నారన్న ప్రశ్నగా మారుతుంది.

తదుపరి గమనించాల్సింది

నివేదించిన ఫలితాలు ఆకట్టుకునేవే, కానీ దీర్ఘకాల ప్రభావం ఈ పద్ధతిని ఎంత విస్తృతంగా ఉపయోగించగలమో, మరియు దాన్ని అభివృద్ధి చేసిన ల్యాబ్ వెలుపల ఈ వ్యవస్థ ఎంత అందుబాటులోకి వస్తుందో మీద ఆధారపడి ఉంటుంది. అధిక పనితీరు ప్రోటోటైపులు సాధారణంగా ఆ ఆలోచన సాధ్యమని రుజువు చేస్తాయి, కానీ దాన్ని పునరావృతంగా ఉపయోగించగల పరిశోధనా సాధనంగా మార్చే కష్టమైన పని తర్వాతే వస్తుంది.

అయినా, ఈ ప్రధాన ఫలితం తన స్వంత పరిమాణంలోనే గమనార్హం. బృందం అధిక స్థల-బ్యాండ్‌విడ్త్-సమయ ఉత్పత్తి కలిగిన ఒక ప్రాయోగిక మైక్రోస్కోప్‌ను నివేదిస్తోంది, ఒకే ప్లాట్‌ఫారమ్‌లో అధిక వివరాలు, విస్తృత కవరేజ్, వేగవంతమైన ఇమేజింగ్‌ను కలిపి. దీర్ఘకాలంగా రాజీ ద్వారా నడిచిన రంగానికి ఇది అర్థవంతమైన సాంకేతిక మార్పు.

మైక్రోస్కోపీలో పురోగతి చాలాసార్లు మరింత పదునైన చిత్రాలు లేదా వేగవంతమైన పట్టివేతల రూపంలో చెప్పబడుతుంది. ఈ పని ప్రత్యేకంగా కనిపించేది ఎందుకంటే ఇది రెండింటినీ సాధించామని చెబుతోంది, అంతేకాదు మొదట్లోనే ఎలాంటి ప్రయోగాలు చేయగలమో మార్చేంత విస్తృతమైన ఫీల్డ్ ఆఫ్ వ్యూను కూడా పెంచుతోంది. అందుకే ఈ అధ్యయనం ఒక క్రమక్రమ అభివృద్ధి సెన్సర్ అప్‌గ్రేడ్‌లా కాకుండా, ఆప్టిక్స్ మరియు కంప్యూటేషన్ మధ్య సమతుల్యతను తిరిగి రూపకల్పన చేసినట్టుగా అనిపిస్తోంది.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా ఉంది. అసలు వ్యాసాన్ని చదవండి.