在成像中“看到并相信”的新基本限制

越来越多的大问题的答案需要进入非常小的领域。

随着研究人员不断挑战成像技术的极限,位于圣路易斯的华盛顿大学的一位科学家发现,在测量分子旋转运动时,准确性存在根本性障碍。

马修卢,电气和麦克维工程学院(McKelvey School of engineering)的系统工程学将这种障碍的后果比作许多人熟悉的东西。

“当你在车里看你的侧视镜时,有一个免责声明:物体比它们看起来更近,”卢说。他的研究发表在美国物理学会(American Physical Society)的旗舰刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

我们发现显微镜下的物体并不像它们看上去那么局限。” Lew说,荧光分子的旋转自由度似乎总是比实际情况受到更多的限制。

这种差异是测量噪声的结果。

这一点很重要,因为分子不是光滑的,圆球沿着直线运动,相互碰撞,粘在一起,它们有某种地形。这对化学和生物反应至关重要:“需要有正确的口袋匹配和结合的主题,”卢说。也就是说,拼图块需要匹配和连接,以便反应发生。

除了在三维空间中运动,分子还会旋转,就像一个球在不平整的表面上滚动一样,它们会摇摆、扭曲和向各个方向旋转。研究人员需要同时看到平动的直线运动和旋转的运动,才能理解分子是如何相互作用的。

然而,为了看到任何东西,成像设备需要捕捉荧光物体发出的光。就这些微小的物质而言,这可能意味着相对较少的光子。

卢发现了光的极限:如果被成像的物体太暗,就会出现旋转受限,看起来旋转运动比实际情况要少。像一个旋转的风扇,一个旋转的分子应该看起来像模糊的叶片一样光滑
2。但如果风扇的光线很暗,叶片看起来就不会很光滑,反而会显得“结巴”。因此,它们的旋转速度似乎比实际要慢。(然而,风扇类比的基本物理原理与成像分子不同)。

卢说:“如果一个分子完全可以自由旋转,它看起来就像一个光滑的球。”“如果球上面有噪音,它就不可能是光滑的。这种噪音,这种粗糙使它看起来像一个由不能完全自由旋转的分子组成的球。”

那噪音是光引起的。像分子这样小的物体的成像需要处理少量的光子。拍摄这些光子的照片属于量子世界的范畴。这样的照片永远不可能完全平滑,因为它是由有限数量的光子组成的。仅用几个光子拍一张照片,就会产生一幅模糊或嘈杂的
2图像,就像在夜间拍照一样。

试图捕捉噪音下的旋转运动,就像在一台移动的风扇
2前闪动频闪灯一样,产生的图像漏掉了一些运动,让分子看起来似乎比实际更受约束:

通常,科学家会对多幅图像进行平均,以减少噪声的影响,但在这种情况下,平均噪声图像won’t会产生一个准确的结果。这是一个基本的物理问题,卢说。

他的研究已经计算出了下限——分子所能达到的最小值——在此之后,根本不可能确定一个看上去部分固定在某个位置的物体是否真的固定了,或者它实际上是在自由旋转,但受到噪音的干扰。

此外,研究表明,科学家需要在测量二维旋转和三维旋转的方法之间谨慎选择,因为这些技术实际上感知相同的旋转运动的方式不同,可能导致不同的解释。

然而,无论采用何种成像技术,由噪声引起的不确定性仍然存在。

这项研究并不完全是关于不确定性的。卢说:“我们可以利用模拟来模拟这些极限,并弄清楚它们对我们对单个分子成像的影响,然后把这些知识应用到图像处理算法中。”

但从根本上说,数学上说,在某一点上,无法区分完全旋转的物体和部分受限的物体。

“但至少,”卢说,“我们现在知道这个界限在哪里。”


华盛顿大学圣路易斯分校(Washington University in St. Louis)麦凯维工程学院(McKelvey School of Engineering)通过一种新的融合范式,专注于智力方面的努力,并以优势为基础,尤其是在医学与健康、能源与环境、创业与安全等领域。98终身/终身和38个额外的全职教员,1300名本科生,1200名研究生和20000名校友,我们正在利用我们的伙伴关系与学术和行业合作伙伴——跨学科和世界各地——有助于解决21世纪最伟大的全球性挑战。
这项工作由国家科学基金资助。ECCS-1653777由美国国立卫生研究院普通医学研究所和美国国立卫生研究院共同资助。R35GM124858。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://source.wustl.edu/2019/08/new-fundamental-limit-to-seeing-and-believing-in-imaging/

http://petbyus.com/12781/