Bærbart holografisk mikroskop gør feltdiagnose mulig

Et bærbart holografisk feltmikroskop udviklet af UConn optiske ingeniører kunne give læger et hurtigt og pålideligt nyt værktøj til identifikation af syge celler og andre biologiske prøver.

Enheden, fremgår af en nylig artikel udgivet af Anvendt optik , bruger det nyeste inden for digital kamerasensorteknologi, avanceret optisk teknik, beregningsmæssige algoritmer, og statistisk analyse til hurtig og automatisk identifikation af syge celler.

En potentiel feltanvendelse for mikroskopet er at hjælpe medicinske arbejdere med at identificere patienter med malaria i fjerntliggende områder af Afrika og Asien, hvor sygdommen er endemisk.

Hurtig og præcis detektion af malaria er afgørende, når det kommer til behandling af patienter og forebyggelse af udbrud af den mygbårne sygdom, som inficerede mere end 200 millioner mennesker verden over i 2015, ifølge Centers for Disease Control. Laboratorieanalyse af en blodprøve er fortsat guldstandarden for at bekræfte en malariadiagnose. Alligevel kan adgang til uddannede teknikere og nødvendigt udstyr være vanskelig og upålidelig i disse regioner.

Mikroskopets potentielle anvendelser går langt ud over feltdiagnosen af ​​malaria. De detaljerede hologrammer genereret af instrumentet kan også bruges på hospitaler og andre kliniske indstillinger til hurtig analyse af cellemorfologi og cellefysiologi forbundet med kræft, hepatitis, HIV, seglcelle sygdom, hjerte sygdom, og andre sygdomme, siger udviklerne.

Ved kontrol af tilstedeværelse af sygdom, de fleste hospitaler er i øjeblikket afhængige af dedikerede laboratorier, der udfører forskellige tests til celleanalyse og identifikation. Men den tilgang er tidskrævende, dyrt, og arbejdskrævende. Det skal også udføres af dygtige teknikere, der arbejder med det rigtige udstyr.

"Vores optiske instrument reducerer den tid, det tager at behandle denne information fra dage til minutter, "siger Bahram Javidi, Forvaltningsråd Fremstående professor i Institut for Elektro- og Datateknik og mikroskopets seniorudvikler. "Og folk, der kører testene, behøver ikke at være eksperter, fordi algoritmerne afgør, om et resultat er positivt eller negativt. "

Forskerholdet rådførte sig med hæmatologer, og algoritmerne, der bruges med instrumentet, er i stand til at sammenligne en prøve med de kendte træk ved raske celler og de kendte træk ved syge celler for at foretage korrekt identifikation. "Det hele er gjort meget hurtigt, "Siger Javidi.

Sådan fungerer enheden

Når det kommer til at identificere patienter med malaria, Sådan fungerer enheden:En tynd udstrygning fra en patients blodprøve placeres på en glasside, som sættes under lup til analyse. Prøven udsættes for en monokromatisk lysstråle genereret af en laserdiode eller anden lyskilde. Særlige komponenter og optiske teknologier inde i mikroskopet opdeler lysstrålen i to stråler for at registrere et digitalt hologram af de røde blodlegemer i prøven. En billedsensor, f.eks. et digitalt webcam eller mobiltelefonkamera, forbundet til 3-D mikroskopet fanger hologrammet. Derfra, de opfangede data kan overføres til en bærbar computer eller offsite laboratoriedatabase via internettet. Belastet med dedikerede algoritmer, computeren eller den mobile enheds hardware rekonstruerer en 3D-profil af cellen og måler lysets interaktion med cellen under inspektion. Eventuelle syge celler identificeres ved hjælp af software til computergenkendelse og statistisk analyse.

Røde blodlegemer inficeret med den malariafremkaldende Plasmodium-parasit udviser andre egenskaber end raske blodlegemer, når lys passerer gennem dem, Siger Javidi.

"Lys opfører sig anderledes, når det passerer gennem en sund celle i forhold til når det passerer gennem en syg celle, "Siger Javidi." Dagens avancerede sensorer kan registrere de subtile forskelle, og det er de nanoskala variationer, som vi er i stand til at måle med dette mikroskop. "

Konventionelle lysmikroskoper registrerer kun den projicerede billedintensitet af et objekt, og har begrænset evne til at visualisere de detaljerede kvantitative karakteriseringer af celler. De digitale hologrammer erhvervet af UConn's 3-D mikroskop, på den anden side, fange unikke mikro- og nanoskala strukturelle træk ved individuelle celler med store detaljer og klarhed. Disse forbedrede billeder gør det muligt for læger og forskere at måle en individuel celles tykkelse, bind, overflade, og tør masse, samt andre strukturelle og fysiologiske ændringer i en celle eller grupper af celler over tid - som alle kan hjælpe med sygdomsidentifikation, behandling, og forskning. For eksempel, enheden kunne hjælpe forskere med at se, om nye lægemidler påvirker celler positivt eller negativt under kliniske forsøg.

Teknikkerne forbundet med det holografiske mikroskop er også ikke-invasive, fremhæver dets potentielle anvendelse til langsigtet kvantitativ analyse af levende celler.

Konventionelle metoder til test af blodprøver for sygdom involverer ofte mærkning, hvilket betyder, at prøven behandles med et kemisk middel for at hjælpe med identifikation. I tilfælde af malaria, røde blodlegemer behandles normalt med en Giemsa-plet, der reagerer på proteiner produceret af malariabærende parasitter og dermed identificerer dem. Men at indføre et kemikalie i en levende celle kan ændre dets adfærd eller skade det.

"Hvis du foretager en in vitro -inspektion af stamceller, for eksempel, og du introducerer et kemisk middel, du risikerer at beskadige disse celler. Og det kan du ikke, fordi du måske vil introducere disse celler i menneskekroppen på et tidspunkt, "Siger Javidi." Vores instrument er ikke afhængigt af mærkning, og undgår derfor det problem."

Det holografiske mikroskop blev udviklet i UConn's nye Multidimensional Optical Sensing &Imaging Systems eller MOSIS lab, hvor Javidi fungerer som direktør. MOSIS -laboratoriet integrerer optik, fotonik, og beregningsmæssige algoritmer og systemer til at fremme videnskab og teknik inden for billeddannelse fra nano- til makroskalaer.

En omfattende rapport om MOSIS labs arbejde med 3-D optisk billeddannelse til medicinsk diagnostik blev offentliggjort sidste år i Procedurer for IEEE , det toprangerede tidsskrift for elektro- og elektronikteknik.