3D打印顯微鏡可快速發(fā)現(xiàn)血液中的新冠病毒

來源：ieee.org

利用全息技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的數(shù)字顯微鏡可以在一滴血中檢測到COVID-19。在現(xiàn)場可以在幾分鐘內(nèi)做出診斷，而不是PCR檢測結(jié)果需要幾個(gè)小時(shí)，有時(shí)需要幾天。

該系統(tǒng)使用數(shù)字全息顯微技術(shù)，可用于缺乏醫(yī)療設(shè)施的地區(qū)，以及實(shí)驗(yàn)室積壓測試的醫(yī)院。賈維迪告訴該研究所，這個(gè)項(xiàng)目源于他希望幫助阻止冠狀病毒在非洲、亞洲和其他資源有限的地區(qū)傳播的愿望。

他說:“我想找到一種方法，利用一種負(fù)擔(dān)得起的、便攜的、快速的疾病識別系統(tǒng)，從一滴血液中快速檢測病毒。”

這正是研究人員所開發(fā)的。Javidi說，這臺機(jī)器使用了低成本的組件，這些組件很容易獲得，包括一個(gè)相機(jī)、一個(gè)激光二極管、一個(gè)物鏡、一個(gè)玻璃板和一個(gè)CMOS圖像傳感器。顯微鏡的主體可以用3d打印機(jī)制作。

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許多疾病可以改變?nèi)说募t細(xì)胞。賈瓦迪不是醫(yī)生，他想知道冠狀病毒是否也會如此。他說:“這種特征在納米級上是非常小的，但紅細(xì)胞中的變化仍然存在�！彼�和康涅狄格大學(xué)健康中心的醫(yī)生證實(shí)了他的理論。研究COVID-19的血液學(xué)家報(bào)告稱，他們看到了患者血細(xì)胞的變化，如血紅蛋白和紅細(xì)胞壓積水平顯著降低。此外，Javidi說，在covid陽性患者中也有形態(tài)學(xué)改變的報(bào)道。他和他的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，最近對COVID-19患者的研究表明，紅細(xì)胞的大小和形狀在統(tǒng)計(jì)上存在顯著差異，特別是在病毒嚴(yán)重的患者中。

賈維迪的研究團(tuán)隊(duì)決定探索數(shù)字全息顯微鏡，它被用于細(xì)胞成像、細(xì)胞分類和疾病識別。研究人員在論文中寫道:“DHM因其無污點(diǎn)操作、數(shù)字重聚焦能力和單次拍攝操作而引起了人們的極大興趣，使其成為生物樣本調(diào)查的強(qiáng)大工具�！边@項(xiàng)技術(shù)具有良好的垂直分辨率，這有助于研究人員更好地了解細(xì)胞的形態(tài)。而且由于它在很大程度上依賴電腦進(jìn)行圖像處理，所以使用起來很容易�！�

這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)能夠通過血液樣本識別瘧疾、糖尿病、鐮狀細(xì)胞性貧血和其他疾病。在該團(tuán)隊(duì)的全息顯微鏡中，激光二極管發(fā)出的光通過血液樣本，然后被物鏡放大。然后，一部分光線從玻璃板的前面反射回來，一部分從玻璃板的后面反射回來，形成了兩個(gè)穿過樣品的光線副本。這就創(chuàng)造了一個(gè)全息圖，然后由圖像傳感器記錄下來。技術(shù)人員可以利用全息圖進(jìn)行計(jì)算來重建樣品的三維輪廓。

數(shù)值重建單個(gè)細(xì)胞，獲取光通過細(xì)胞傳播和相互作用后的細(xì)胞相位輪廓，然后輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類。

由于這些細(xì)胞沒有一個(gè)特征表明感染，研究小組測量了許多不同的特征，并將它們輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類。

賈維迪的團(tuán)隊(duì)與該大學(xué)健康中心的醫(yī)生合作，獲取了血樣。這項(xiàng)研究觀察了1400多個(gè)紅細(xì)胞，其中840個(gè)來自10名病毒檢測呈陽性的患者，630個(gè)來自14名檢測呈陰性的醫(yī)護(hù)人員。顯微鏡系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)80%的病人攜帶病毒，14名工作人員中有13人沒有攜帶病毒。

Javidi說，初步結(jié)果是積極的，但這項(xiàng)研究也有局限性。目前還不清楚這種檢測方法對早期檢測的有效性，因?yàn)檫@些樣本是從感染病毒程度中等的患者身上提取的。

賈維迪表示，下一步是繼續(xù)檢測COVID-19患者的血液樣本。他希望擴(kuò)大樣本庫，包括美國以外的人，并正在尋找合作者。

他正在尋求美國國家科學(xué)基金會的資助。