חוקרי הטכניון פיתחו שיטה חישובית לשיפור רזולוציה של מיקרוסקופים ומערכות הדמאה

חוקרי הטכניון הדגימו שיטה חדשנית המאפשרת שיפור משמעותי ברזולוציה (יכולת ההפרדה בין פרטים) של מיקרוסקופים. כך מדווח כתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials. שיטה זו מבוססת על אלגוריתמים חדשניים ומהווה, להערכת מדענים, “פריצת דרך עם פוטנציאל לשנות את עולם המיקרוסקופיה, מערכות ההדמאה, ומערכות מדידה אופטיות נוספות”. השיטה מעוררת עניין רב, הן בעולם המדעי והן בתעשייה.

“כאשר אתה מסתכל במיקרוסקופ אופטי על תמונה שבה פריטים (אינפורמציה אופטית) קטנים מחצי אורך גל של האור – אתה בהכרח רואה תמונה מטושטשת”, מסביר פרופסור מחקר מוטי שגב מהפקולטה לפיסיקה בטכניון. “זה נובע מכך שחלק מן האינפורמציה מפריטים מאוד קטנים לא מתפשטת במרחב ולכן לא מגיעה לעין או למצלמה במיקרוסקופ. כיום משתמשים במספר שיטות כדי להגיע לרזולוציה מתחת לחצי אורך הגל, אך כולן דורשות סריקה נקודה-נקודה של האובייקט. לכן, שיטות אלה טובות רק לאובייקט סטטי, אשר אינו משתנה במהלך הסריקה”.

מדענים ניסו במשך שנים רבות לבדוק האם ניתן לשחזר את המידע שהלך לאיבוד בין האובייקט למצלמה של המיקרוסקופ. במילים אחרות: אם אתה דוגם את התמונה המטושטשת – האם יש לך אפשרות לשחזר את המידע על ידי שימוש ברעיונות מתורת המידע? עד כה לא הצליחו המדענים לשחזר את המידע הזה. הסיבה העיקרית  לכך היא רעש: פיזורים אקראיים של אור, אשר אינם קשורים לתמונה (אלא, למשל, נובעים מהחזרות ממשטחים ממחוספסים במיקרוסקופ) מנעו עד כה שחזור פריטים הקטנים מחצי אורך הגל ממדידות של התמונה המטושטשת.

עתה הציגו קבוצת חוקרי הטכניון שיטה חישובית פורצת דרך לשיפור רזולוציה של מיקרוסקופים אל מתחת לחצי אורך הגל של האור. הפרויקט הצליח במידה רבה כתוצאה משיתוף פעולה בין מספר קבוצות מחקר מארבע פקולטות שונות בטכניון (קבוצותיהם של פרופסור מוטי שגב ושל דוקטור אורן כהן מפיסיקה, של פרופסור יונינה אלדר מהנדסת חשמל, של פרופסור עירד יבנה וד”ר מיכאל ציבולבסקי ממדעי המחשב, ושל פרופסור שי שוהם מהנדסה ביו רפואית).

 “אנו מחפשים את השחזור אשר מקיים שתי דרישות: התאמה לתמונה המטושטשת ומינימיזציה של דרגות החופש”, מסביר פרופסור שגב. “הדרישה השנייה קשורה להבנה על ייצוג קומפקטי (דליל) של אינפורמציה ולאפקט הנגרם ע”י רעש במערכת מדידה. רעש אקראי מאכלס את כל דרגות החופש, בעוד שאינפורמציה מאכלסת מספר דרגות חופש נתון ואף פעם לא את כל דרגות החופש. במקרים רבים יש מידע מוקדם כלשהו על האינפורמציה. עקרונית – במצב כזה ניתן לייצג את האינפורמציה בצורה קומפקטית, כך שמתמטית היא מיוצגת ע”י מספר קטן של היטלים על פונקציות בסיס הפורשות את כל האפשרויות למידע במרחב. במצב כזה נאמר שהאינפורמציה מיוצגת בצורה דלילה, ומספר דרגות החופש שהיא מאכלסת הוא קטן. כללית, במקרים רבים ניתן לייצג אינפורמציה בצורה קומפקטית. דוגמא ידועה לכך היא כווץ קבצים ע”י שימוש ב-JPEG, אשר מהווה שיטה לייצוג קומפקטי ע”י היטל על בסיס בו המידע מיוצג בדלילות”.

קונספט חדשני זה לשיפור רזולוציה במיקרוסקופיה ע”י ניצול ייצוג של התמונה בבסיס נכון בו התמונה דלילה, פותח ע”י הפרופסורים מוטי שגב מהפקולטה לפיסיקה ויונינה אלדר מהפקולטה להנדסת חשמל, המשתלמים שניר גזית ויואב שכטמן והפוסט-דוקטורנט אלכס צמיאט – כיום פרופסור באוניברסיטה של יינה (Jena) בגרמניה.  הרעיון הודגם עקרונית לראשונה  ב-2009. עם זאת, מיצוי מלוא הפוטנציאל לשיפור הרזולוציה הצריך מדידת הפאזה של האור המגיע למצלמה במיקרוסקופ. מדידת פאזה מתבצעת בשיטות המבוססות על התאבכות (שיטות אינטרפרומטריות) אשר מסבכות את המערכת מאד ומגבילות את יישומי השיטה.

לפני כשנתיים הציע ד”ר אורן כהן להוסיף נדבך חשוב לאלגוריתם אשר למעשה מחליף את הצורך במדידת הפאזה, ולקבל שיחזור תמונות ברזולוציה טובה מחצי אורך הגל, מתוך מדידת עוצמה בלבד (ע”י שימוש במצלמה רגילה). למעשה, ד”ר כהן הציע לחבר שני כיווני מחקר – את הרעיון של הפרופסורים שגב ואלדר להדמאה ברזולוציה מתחת לאורך הגל ואת התחום של “הדמאה ללא עדשה”, בו משחזרים תמונות בצורה אלגוריתמית (חישובית) ממדידות של עוצמת האור במרחק גדול מאד מהתמונה. תחום זה – של הדמאה ללא עדשה – הפך לאחרונה לתחום מאוד חשוב במדע. עם סיום בניית שלושה לייזרי פולסים קצרים בתחום קרני X (בארה”ב, גרמניה ויפן) בעלות של מיליארד דולר ללייזר, חוקרים מתכננים להשתמש בהדמאה ללא עדשה על מנת למדוד את המבנה של מאות אלפי מולקולות בודדות (מולקולות אשר אינו ניתנות לגיבוש למבנה מחזורי). הבנת המבנה של מולקולות אלו יסלול את הדרך עבור כימאים, ביולוגים ורופאים להבנת תהליכים ביולוגיים רבים ברמה המולקולרית.    עד כה – הרזולוציה של כל שיטות ה”הדמאה ללא עדשה” – בכל המאמצים המחקריים בעולם – הייתה מוגבלת לפריטים הגדולים מאורך הגל. אולם, השיטה שפותחה כעת ע”י חוקרי הטכניון יכולה להביא לשיפור מהפכני בכל תחום ה”הדמאה ללא עדשה” ולאפשר מדידת מבנה  של מולקולות המשתנות בצורה דינמית.

קבוצת המחקר הטכניונית הדגימה בניסויים שחזור של פרטים הקטנים מאורך הגל לפחות פי חמש, מתוך מדידה בודדת של עוצמת האור במישור המוקד של עדשת המיקרוסקופ. עבודת המחקר פורסמה בכתב העת היוקרתי         Nature Materials .  עיקר עבודת המחקר נעשתה ע”י פוסט-דוקטורנט אלכס צמיאט, והמשתלמים יואב שכטמן ואלי אושרוביץ. בניסויים, אשר בוצעו ע”י אלכס צמיאט והוד דנה (משתלם בפקולטה להנדסה ביו-רפואית), הודגמו שחזורים של אובייקטים עם פריטים אופטיים בגודל 100 ננומטרים ע”י קרינה באורך-גל של 530 ננומטרים. לשם השוואה, ללא שימוש  בשיטה  החדשנית, הרזולוציה במיקרוסקופ זה מוגבלת לפריטים הגדולים מ- 300 ננומטרים.

כפי שמתואר לעיל, החלק העיקרי במחקר הינו פיתוח האלגוריתם לשחזור המידע החסר: (א) שיחזור הפאזה של האור הנמדד במצלמה ו- (ב) שיחזור החלק של האינפורמציה האופטית אשר אינו מגיע כלל למצלמה (המידע על פריטים הקטנים מחצי אורך הגל). האלגוריתם הראשוני, אשר פותח ע”י אלעד בולקיש, אשר בזמן המחקר היה סטודנט לתואר ראשון, ויואב שכטמן, התבסס על איחוד טורי של אלגוריתם לשחזור פאזה ואלגוריתם לשחזור מידע שאובד במעבר בין האובייקט למצלמה. בהמשך, אלי אושרוביץ פיתח אלגוריתם מוצלח בהרבה אשר שיחזר את שני סוגי ה”אינפורמציות החסרות” במקביל, נתן קפיצת מדרגה בביצועים ואיפשר טיפול במגוון רחב של תמונות.

חוקרי הטכניון פועלים כעת לפתוח שיטות דומות לשיפור רזולוציה של מערכות מדידה נוספות. למשל, המשתלם פבל סידורנקו הדגים לאחרונה את שבירת מחסום הרזולוציה של ספקטומטר (מכשיר המודד את התדרים של הקרינה) ולשחזר מידע ספקטראלי ברזולוציה טובה יותר מהגבול הבסיסי (פרק הזמן בו שוהה פוטון בתוך מכשיר המדידה). החוקרים מקווים שפיתוחים אלו יובילו לשיפור מערכות ספקטראליות אשר, למשל, משמשות למדידת מזהמים באוויר או במים, חיפוש חומרי נפץ, ועוד.