LED Array 설치로 기존 한계를 넘다

고성능 현미경 개발 … 10억 화소의 새로운 길 열다

지금까지의 현미경은 높은 해상도를 얻으면 좁게 봐야만 했고, 넓은 시야를 얻으려면 낮은 해상도로 볼 수밖에 없었다. 하지만 칼텍는 현미경에 대한 새로운 접근을 시도했다. 그것은 강도와 단계의 두 마리 토끼를 한꺼번에 잡아서 기존의 문제점을 해결하는 것이다. 이 시도는 현미경 개발에 새로운 길을 열었다. 새로운 시스템은 가격도 저렴하여 개발도상국의 발전에 기여할 뿐만 아니라 병리학·혈액학·웨이퍼 검사기·x-ray 영상 등 다분야에서의 진보에도 힘을 보탤 것이다.
자료출처 | Caltech(www.caltech.edu)

10억 화소 그리고 저가공급
Caltech(California Institute of Technology)의 엔지니어는 현재 최고의 현미경의 기준을 크게 넘어서면서도 비교적 저렴한 10억 화소의 영상시스템을 개발했다. 이 새로운 시스템은 전문가가 다량의 조직 샘플을 연구해야만 하는 디지털 병리학의 효율성을 극대화시켰다. 또한 고성능의 현미경을 저가에 공급할 수 있어 개발도상국에서도 고성능 현미경의 의료기능을 누릴 기회를 창출했다.

시야냐 화소냐 하나만 선택
칼텍의 생명공학과 의료공학의 기술교수인 Changhuei Yang은 “우리가 내놓은 것은 매우 흥미롭다. 왜냐하면 고성능 현미경을 연구하는 방법을 바꾸었기 때문”이라고 말했다.
지금까지는 현미경 대상의 물리적 제한이 기존의 현미경 발전에 발목을 잡아왔다. 현미경 개발자는 시각적 일탈을 완화시킬 렌즈의 요소들을 더욱 복잡하게 만들었다. 이런 노력에도 불구하고 높은 해상도와 좁은 시야 사이를 선택하거나 낮은 해상도와 넓은 시야 사이를 선택해야만 했다. 결과적으로 과학자가 현미경으로 자세하고 명확하게 볼 수 있으나 매우 좁은 범위를 봐야만 하거나 넓은 범위를 본다면 시야가 흐리게 되는 결과를 낳았다.

새로운 접근, 해상도와 시야를 한번에
Yang의 연구실에서 함께 논문을 쓴 Guoan Zheng은 “우리는 사실 양립할 수 없었던 이 두 세계에서 최고의 방법을 발견했다”고 전했다.
Yang 교수의 연구실에서 이런 새로운 현미경에 대한 접근을 시작했다.
Zheng은 “우리는 광학의 제한을 해결하기 위해 새로운 접근을 시도했다”며, 그 결과로 탄생한 대물렌즈의 광학 성능은 해상도와 정확도를 제한하는 것과 상관없이 사용할 수 있다”고  설명했다.
이러한 접근을 통해 종래의 2배 대물렌즈의 해상도를 20배까지 발전시켰다. 그러므로 새로운 시스템은 2배 렌즈시야의 장점과 20배 렌즈해상도의 장점을 합친 결과가 되었다. 새로운 시스템에 의해 생산된 영상은 기존의 현미경 플랫폼에 의한 것보다 약 100배 더 많은 정보를 내포한다.

LED Array를 현미경에 설치
Zheng은 “새로운 접근의 한 가지 큰 장점은 하드웨어와의 호환성”이라며, “이를 위해 단지 LED array를 현미경에 설치하기만 하면 된다. 하드웨어의 변형요소는 필요 없으며 나머지는 컴퓨터에 의해서 이뤄진다”고 말했다.
새로운 시스템은 약 150의 낮은 해상도 샘플 영상을 요구한다. 각 영상은 LED array의 LED 한 요소와 일치한다. 따라서 다양한 영상에서 다른 방향으로 가는 이 샘플이 조명된다.

FPM(Fourier Ptychographic Microscopy)이 언급하길 새로운 시스템을 통한 접근은 낮은 해상도의 영상과 높은 해상도 형태 샘플의 정보단계를 함께 엮은 것이다.
우리는 대상을 볼 때 오직 빛의 변화만을 감지할 수 있다. 그러나 빛은 각도와 관련이 있는 강도와 단계 두 개의 관점에서 변화한다.
Yang 교수는 “이 프로젝트는 낮은 해상도의 영상을 선택하는 수단과 강도, 단계를 전부 얻어내는 것”이라며, “정보를 사용하는 당신은 사실 시각적 일탈의 문제를 바로 잡는 것이다”라고 설명했다.

새로운 시스템 적용
새로운 시스템이 볼 수 있는 넓은 시야는 부분적으로 디지털 병리학의 샘플을 스캔하는 응용에 유용하다. FPM을 사용하는 현미경은 샘플의 다양한 부분을 스캔할 필요가 없다. 전체를 한 번에 볼 수 있기 때문이다. 그리고 시스템은 시야에 관한 데이터를 얻기 때문에 초점이 빗나가는 것과 같은 문제를 컴퓨터로 잡아낼 수 있다. 즉 샘플을 다시 스캔할 필요가 없어진다.

넓은 적용방법
새로운 시스템의 넓은 적용방법은 병리학, 혈액학, 웨이퍼 검사기, 법률 사진, x-ray 영상 그리고 전자 현미경 기술에서  유용하게 적용될 수 있다.