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芯片显微镜可以为遥远的患者带来医疗专业知识

科学家们正在缩小医用显微镜的尺寸和成本,以使其能够更广泛地使用它们,并将它们与能够诊断疾病的专家联系在一起,甚至可以在很远的地方诊断出疾病。

在世界偏远地区生病可能意味着难以找到适当的护理。即使缺乏医疗帮助,由于缺乏专业知识和实验室设备(例如显微镜),也可能无法做出明确的诊断。

西班牙巴塞罗那大学电子与生物医学工程系高级讲师Angel Dieguez博士说,先进的小型化意味着患者可以从“芯片上的显微镜”中受益。

他开展了一个名为ChipScope的项目,该项目使用一种可能制造得足够紧凑以装在口袋中的设备,利用一些制造出来的最小光源来推动传统光学技术的发展。

Dieguez博士说:“修改后的手机可能具有纳米世界的图像。”

阴影图像

ChipScope的原型使用微型发光二极管(LED)阵列(有史以来制造的最小的发光二极管)照亮组织样本,以创建样本的阴影图像。然后使用足够灵敏的检测器捕获这些图像,以检测单个光子,并对其进行处理以生成完整的图片。

通过对这些LED的非常精确的控制,这些LED的直径比人的头发直径小1,000倍,ChipScope成像系统的空间分辨率仅为200纳米以下,这是可见光通常的极限。

ChipScope的显微镜通过使用某些制造出来的最小发光二极管来产生标本的阴影图像而工作。图像信誉—TU不伦瑞克

Dieguez博士说:“(通过)分别触发这些微小的LED,并按顺序,我们可以将阴影图像加在一起以构成样本图片。”

考虑到将组织标本或细菌放置在如此小的检测器上的实用性,ChipScope正在研究一种小型分析工具,以将样品放置在LED和传感器之间。

正在开发的机制使用微量的液体和高精度泵来操纵样品,使其通过塑料载玻片上的通道进入视场,大约10微米,刚好相当于普通人体细胞的大小。

显微镜还可以用于识别和研究病原体,例如患者痰液中的结核菌。

Dieguez博士说,但是在移动医疗领域之外,ChipScope可以在环境监测中发挥作用,例如在评估水质或检查污染空气中的颗粒物方面。

它可以很容易地提供空气传播的纳米颗粒的图像,包括那些被认为对人体健康最危险的小于2.5微米的纳米颗粒。

Dieguez博士估计,用于开发的原型的显微镜和控制电子设备的成本不到1,000欧元,而进一步的开发和规模经济可以将其降低到10欧元左右。

当ChipScope缩小光源并捕获标本的阴影时,另一种由芬兰Grundium开发的新颖系统使用重复扫描的彩色光来组装数字图像,然后可以由专业或智能诊断软件进行分析。

“任何可以准备幻灯片的人都可以使用该技术。”

所述Grundium数字扫描显微镜使得高分辨率扫描的组织样品,进行红色,绿色和分别蓝光然后哪位可以被组合以分析样品在不同的层,以及最大限度地提高分辨率和详细程度。

数字图像可以显示在具有互联网连接和网络浏览器的任何设备上,以进行现场分析或在线共享以在世界任何地方进行研究。该系统以与复杂的诊断应用程序兼容的多种数字格式生成图像,这些应用程序可以识别感染模式或疾病特征,例如癌症,即使是训练有素的人眼有时也可能会漏掉。

鉴于全球病理学家的短缺和对组织分析的需求的增加,智能诊断是数字医学的主要增长领域,这在全球COVID-19大流行中对此类专业知识的需求激增中得到了证明。

首席执行官Mika Kuisma表示,Grundium的方法是开发和组合硬件,光学和软件,以使它们协同工作,而不是使传统的模拟系统适应数字世界。

他估计,只有大约20%的潜在用户(例如病理实验室和中小型诊所)可以使用数字扫描工具,并且降低设备的成本和尺寸可以为数字病理学打开更大的大门。

“我们正在努力使获得专业诊断服务的民主化,”原移动通信公司诺基亚的工程师Kuisma说。

他补充说:“潜力是巨大的。”该公司预计仅在欧洲和北美,将有大约10,000个中小型诊所或病理实验室的市场,到2023年,全球市场将约为50亿欧元。

一旦样品被扫描并且其图像被保存和存储,所有必要的信息都可用于诊断,而无需保存或将原始样品运送到遥远的实验室。

Grundium的显微镜产生的数字图像可以在现场进行分析或在线共享,以在世界任何地方进行研究。图片来源-Mikko Malmivaara,Grundium Ltd

肯尼亚

作为这种方法的试点,Grundium自2018年以来一直在肯尼亚农村的一家诊所工作,以诊断宫颈癌。诊所的工作人员使用显微镜扫描组织样本,然后将图像在线共享,以立即提供给芬兰赫尔辛基的病理学家进行检查。通过与当地卫生部门合作,Kuiisma相信结果将有助于患者获得更好的治疗。

Grundium的产品在市场上的售价约为15,000欧元,但Kuisma认为这会随着规模经济而下降,并希望在未来几年内提供低于10,000欧元的产品。相比之下,现有系统的成本可能要高出20倍。

尽管对于发展中国家的小型诊所而言,这仍然遥不可及,但Grundium认为,在这种情况下,可以与有能力的合作伙伴进行合作,而且有可能通过特惠价获得技术受益。

Kuisma说,样品制备仅需花费几美分,与任何光学显微镜相同,并且不需要医学专家,并补充说其他潜在的应用包括用于兽医的系统。

他补充说:“任何可以准备幻灯片的人都可以使用该技术。”

通过将这项技术置于诊所和中小型医院的承受范围内,他发现了将患者与智能诊断和医学专业知识联系起来的潜力,而这些诊断和医学专业知识本来是无法企及的。

进一步探索

芯片实验室:开发微型超分辨率光学显微镜

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