Forskare minskar storleken och kostnaderna för medicinska mikroskop för att göra det möjligt att använda dem mer allmänt, och koppla dem till experter som kan diagnostisera en sjukdom även på långt håll.

Att bli sjuk i en avlägsen del av världen kan innebära svårigheter att hitta rätt vård. Även där medicinsk hjälp kan finnas, det kan vara omöjligt att få en definitiv diagnos på grund av brist på specialistkompetens och laboratorieutrustning, såsom mikroskop.

Avancerad miniatyrisering innebär att patienter kan dra nytta av ett 'mikroskop på ett chip, "enligt Dr Angel Dieguez, universitetslektor vid Institutionen för elektronik och biomedicinsk teknik vid universitetet i Barcelona, Spanien.

Han driver ett projekt som heter ChipScope, som använder några av de minsta ljuskällorna som någonsin tillverkats för att skjuta gränserna för konventionell optik, i en enhet som är tillräckligt kompakt för att passa i en ficka.

"Det kan vara möjligt för en modifierad mobiltelefon att ha bilder av nanovärlden, "Dr Dieguez sa.

Skuggbilder

ChipScopes prototyp belyser ett vävnadsprov med hjälp av en rad små lysdioder (LED) - bland de minsta som någonsin tillverkats - för att skapa skuggbilder av exemplaret. Dessa bilder fångas sedan med en detektor som är tillräckligt känslig för att detektera enstaka fotoner och bearbetas för att producera en komplett bild.

Genom mycket exakt styrning av dessa lysdioder, som är ungefär 1, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår, ChipScope bildsystem har en rumslig upplösning på strax under 200 nanometer - vilket är den vanliga gränsen för synligt ljus.

ChipScopes mikroskop fungerar genom att använda några av de minsta ljusdioder som någonsin tillverkats för att skapa skuggbilder av exemplaret. Bildkredit - TU Braunschweig

'(Genom) att aktivera dessa små lysdioder individuellt, och i följd, vi kan lägga ihop skuggbilderna för att skapa en bild av provet, "Dr Dieguez sa.

Med tanke på det praktiska med att placera vävnadsprover eller bakterier på en så liten detektor, ChipScope arbetar med ett litet analysverktyg för att placera provet mellan lysdioderna och sensorn.

Mekanismen under utveckling använder en liten mängd vätske- och högprecisionspumpar för att manipulera provet genom kanaler i ett plastglas och in i synfältet, som är cirka 10 mikron - strax under storleken på en genomsnittlig mänsklig cell.

Mikroskopet kan också användas för att identifiera och studera patogener, såsom tuberkulosbakterier i en patients sputum.

Men utanför det mobila medicinska området, ChipScope kan spela en roll i miljöövervakning, t.ex. vid bedömning av vattenkvalitet eller undersökning av partiklar i förorenad luft, Dr Dieguez säger.

Det kan lätt ge bilder av luftburna nanopartiklar, inklusive de mindre än 2,5 mikron, anses vara den farligaste för människors hälsa.

Dr Dieguez uppskattar att mikroskopet och kontrollelektroniken kostar mindre än 1 €, 000 för prototypen som utvecklas, och att ytterligare utveckling och stordriftsfördelar skulle kunna sänka detta till så lite som € 10 eller så.

Medan ChipScope krymper ljuskällorna och fångar ett exemplars skuggor, ett annat nytt system, utvecklat av Grundium i Finland, använder upprepade skanningar med färgat ljus för att sätta ihop en digital bild som sedan kan analyseras av en specialist eller intelligent diagnostikprogramvara.

"Alla som kan förbereda en bild kan använda tekniken."

Mika Kuisma, VD, Grundium

Röd, grönt och blått

Grundiums digitala skanningsmikroskop gör högupplösta skanningar av ett vävnadsprov - gjorda separat i rött, grönt och blått ljus - som sedan kan kombineras för att analysera prover i olika lager, samt maximera upplösningen och detaljnivån.

De digitala bilderna kan visas på vilken enhet som helst med en internetanslutning och en webbläsare, för analys på plats eller delad online för att studeras var som helst i världen. Systemet producerar bilder i en rad digitala format som är kompatibla med sofistikerade diagnostikapplikationer som kan känna igen infektionsmönster eller sjukdomssignaturer, som cancer, som ibland kan missas av även det bäst utbildade mänskliga ögat.

Intelligent diagnostik är ett stort tillväxtområde inom digital medicin, med tanke på en global brist på patologer och det ökade behovet av vävnadsanalys-vilket demonstreras av explosionen i efterfrågan på sådan expertis inom den globala COVID-19-pandemin.

Grundiums strategi är att utveckla och kombinera hårdvara, optik och programvara för att fungera tillsammans, VD Mika Kuisma sa:snarare än att anpassa en konventionell, analogt system till den digitala världen.

Han uppskattar att endast cirka 20% av potentiella användare som patologilaboratorier och små eller medelstora kliniker har tillgång till digitala skanningsverktyg, och att sänka kostnaderna och storleken på utrustningen kan öppna dörren bredare för digital patologi.

"Vi försöker demokratisera tillgången till professionella diagnostiktjänster, "sa Kuisma, en ingenjör tidigare på mobiltelekommunikationsföretaget Nokia.

"Potentialen är enorm, " han lade till, noterar att företaget ser en marknad på cirka 10, 000 små och medelstora kliniker eller patologilaboratorier bara i Europa och Nordamerika och en global marknad på cirka 5 miljarder euro år 2023.

När proverna har skannats och deras bilder sparats och lagrats, all nödvändig information finns tillgänglig för diagnos, utan att behöva bevara eller transportera originalprovet till ett avlägset laboratorium.

Grundiums mikroskop producerar digitala bilder som kan analyseras på plats eller delas online för att studeras var som helst i världen. Bildkredit - Mikko Malmivaara, Grundium Ltd.

Kenya

I en pilot av detta tillvägagångssätt, Grundium har arbetat med en klinik på landsbygden i Kenya sedan 2018 för att diagnostisera livmoderhalscancer. Klinikpersonalen använder mikroskopet för att skanna vävnadsprover och bilderna delas sedan online för att omedelbart vara tillgängliga för undersökning av en patolog i Helsingfors, Finland. Genom att arbeta med lokala hälsomyndigheter, Kuisma tror att resultaten kommer att hjälpa patienter att få bättre behandling.

Grundiums produkter finns på marknaden för cirka 15 €, 000, men Kuisma ser detta komma ner med stordriftsfördelar och förväntar sig att erbjuda en produkt för mindre än 10 €, 000 under de närmaste åren. Det kan jämföras med befintliga system som kan kosta 20 gånger så mycket.

Även om det fortfarande är utom räckhåll för mindre kliniker i utvecklingsländer, Grundium ser utrymme för samarbete under dessa omständigheter med skickliga partners - och möjligheten till specialpriser där tekniken kan vara till nytta.

Provberedning kostar bara några cent, samma som för alla optiska mikroskop, och kräver ingen medicinsk specialist, Kuisma sa, tillägger att andra potentiella tillämpningar inkluderar system för användning inom veterinärmedicin.

"Alla som kan förbereda en bild kan använda tekniken, " han lade till.

Genom att lägga tekniken inom räckhåll för kliniker och små eller medelstora sjukhus, han ser potential för att koppla ihop patienter med smart diagnostik och medicinsk expertis som annars skulle vara utom räckhåll.