Ingeniør til at kombinere matematik, maskinlæring og signalbehandling for at lægge grunden til højopløsningsmikroskop

Ligesom vores øjne, mikroskoper er begrænset i, hvad de kan se på grund af deres opløsning, eller deres evne til at se detaljer. Detaljen, eller information, fra objektet er der, men noget af det går tabt, når lyset, der reflekteres fra objektet, bevæger sig gennem luften.

Ulugbek Kamilov, en ingeniør ved School of Engineering &Applied Science ved Washington University i St. Louis, planlægger at bruge en tre-årig, $265, 293 bevilling fra National Science Foundation til at fange den information, der normalt går tabt, og tilføje den til den information, forskere typisk modtager fra mikroskoper. Ultimativt, dette arbejde, sammen med sin samarbejdspartners, Lei Tian ved Boston University, kan føre til et mere præcist mikroskop, der kan se objekter så små som 100 nanometer, såsom vira. I øjeblikket, mikroskoper har en opløsningsgrænse på omkring 500 nanometer, som giver dem mulighed for at se bakterier. Et menneskehår, for eksempel, er 100, 000 nanometer bred.

"Hele forudsætningen for dette er bygget på en enkelt kendsgerning - måden lys interagerer med ethvert stof på er lineær, sagde Kamilov, assisterende professor i el- og systemteknik og datalogi og teknik. "Men virkeligheden er, at interaktionen faktisk ikke er lineær."

For eksempel, hvis du lyser en lommelygte gennem din hånd, du kan ikke se kilden til lyset, fordi det bøjer, og det er ikke-linearitet. Med en enkelt celle, bøjningen er så let, at den er næsten gennemsigtig, som er lineær.

Når lys interagerer med en celle eller et objekt, lyset, der går ud af cellen, mister den information, det indsamler fra denne interaktion. Men på grund af den interaktion, der er fluktuationer i nærheden af ​​den celle, som arbejder med sådanne stoffer og bliver retransformeret og remitteret. Disse fluktuationer er kodet ind i interaktionens ikke-linearitet, men nutidens mikroskoper kan ikke se dette, sagde Kamilov.

"Vi ønsker at tage højde for denne ikke-lineære interaktion af lys, genstande og lokaler, og hvis vi gør det rigtigt, vi kan udtrække den information, som normalt forsvinder i et aktuelt mikroskop og behandles som 'støj, "" sagde Kamilov. "Vi ønsker at afkode informationen fra støjen og tilføje den tilbage i opløsningen, og det burde give os funktioner, der er mindre end opløsningsgrænsen."

Kamilov sagde, at der er to typer støj:ufuldkommenheder og matematisk støj, der er resultatet af videnskabens nuværende begrænsninger. Det er den matematiske støj, han vil fange.

"I virkeligheden, at støj er information, og vi ønsker at bruge den information til at bryde barrieren for at se ud over opløsningsgrænsen, " han sagde.

Kamilovs samarbejdspartner, Tian, assisterende professor i el- og computerteknik, modtog en $250, 707 tilskud fra NSF til at bygge et nyt mikroskop, der vil bruge Kamilovs beregningsresultater, algoritmer og software og kunne bruges i medicinsk billedbehandling, biologisk og materiale billeddannelse, hjernekortlægning og lægemiddelopdagelse. Sammen, sættet af undersøgelser beløber sig til $516, 000.

Kamilov planlægger også at bruge maskinlæring til at lære funktionerne ved de objekter, de ser på med mikroskopet.

"Vi ønsker at se på cellernes kendetegn, så når vi kombinerer dem med de ikke-lineære målinger og sammensmelter den information, vi vil være i stand til at få billeder i højere opløsning, " sagde han. "Vi håber at få op til fem gange forbedring."

Kamilov bruger højtydende grafiske behandlingsenheder (GPU'er) i sit laboratorium, hvilket fremskynder behandlingstiden markant. Det, der tog to dages behandling på en almindelig computer, tager kun millisekunder på en GPU, han sagde.

"Dette projekt er meget aktuelt, fordi vi har den matematiske sofistikerede signalbehandling, beregningsværktøjer og maskinlæring, " sagde han. "Alle de ting er blevet bedre tilsammen. Det ville have været meget svært at lave dette projekt for 10 år siden."