Ett bärbart holografiskt fältmikroskop som utvecklats av UConn optiska ingenjörer kan ge läkare ett snabbt och pålitligt nytt verktyg för identifiering av sjuka celler och andra biologiska prover.

Enheten, presenteras i en nyligen publicerad tidning av Tillämpad optik , använder det senaste inom digital kamerasensorteknik, avancerad optisk teknik, beräkningsalgoritmer, och statistisk analys för att tillhandahålla snabb automatiserad identifiering av sjuka celler.

En potentiell fältapplikation för mikroskopet är att hjälpa medicinska arbetare att identifiera patienter med malaria i avlägsna områden i Afrika och Asien där sjukdomen är endemisk.

Snabb och exakt upptäckt av malaria är avgörande när det gäller att behandla patienter och förebygga utbrott av myggburen sjukdom, som infekterade mer än 200 miljoner människor världen över 2015, enligt Centers for Disease Control. Laboratorieanalys av ett blodprov förblir guldstandarden för att bekräfta en malariadiagnos. Ändå kan tillgång till utbildade tekniker och nödvändig utrustning vara svår och opålitlig i dessa regioner.

Mikroskopets potentiella tillämpningar går långt utöver feldiagnosen av malaria. De detaljerade hologram som genereras av instrumentet kan också användas på sjukhus och andra kliniska miljöer för snabb analys av cellmorfologi och cellfysiologi i samband med cancer, hepatit, HIV, sicklecellanemi, hjärtsjukdom, och andra sjukdomar, säger utvecklarna.

Vid kontroll av förekomst av sjukdom, de flesta sjukhus är för närvarande beroende av dedikerade laboratorier som utför olika tester för cellanalys och identifiering. Men den metoden är tidskrävande, dyr, och arbetskrävande. Det måste också göras av skickliga tekniker som arbetar med rätt utrustning.

"Vårt optiska instrument minskar tiden det tar att bearbeta denna information från dagar till minuter, säger Bahram Javidi, Förvaltningsråd Framstående professor vid Institutionen för el- och datateknik och mikroskopets ledande utvecklare. "Och människor som kör testerna behöver inte vara experter, eftersom algoritmerna kommer att avgöra om ett resultat är positivt eller negativt. "

Forskargruppen rådfrågade hematologer, och algoritmerna som används med instrumentet kan jämföra ett prov med de kända egenskaperna hos friska celler och de kända egenskaperna hos sjuka celler för att göra korrekt identifiering. "Allt är gjort snabbt, "Säger Javidi.

Hur enheten fungerar

När det gäller att identifiera patienter med malaria, så här fungerar enheten:Ett tunt utstryk från en patients blodprov placeras på en glas sida, som sätts under mikroskopet för analys. Provet exponeras för en monokromatisk ljusstråle genererad av en laserdiod eller annan ljuskälla. Speciella komponenter och optisk teknik inuti mikroskopet delar ljusstrålen i två strålar för att spela in ett digitalt hologram av de röda blodkropparna i provet. En bildsensor, t.ex. en digital webbkamera eller mobiltelefonkamera, ansluten till 3D-mikroskopet fångar hologrammet. Därifrån, de fångade uppgifterna kan överföras till en bärbar dator eller laboratoriedatabas utanför webbplatsen via internet. Laddad med dedikerade algoritmer, datorn eller den mobila enhetens hårdvara rekonstruerar en 3-D-profil för cellen och mäter ljusets interaktion med cellen under inspektion. Alla sjuka celler identifieras med hjälp av programvara för datormönsterigenkänning och statistisk analys.

Röda blodkroppar infekterade med den malariafrämjande Plasmodium-parasiten uppvisar andra egenskaper än friska blodkroppar när ljus passerar genom dem, Säger Javidi.

"Ljus beter sig annorlunda när det passerar genom en frisk cell jämfört med när det passerar genom en sjuk cell, "Säger Javidi." Dagens avancerade sensorer kan upptäcka de subtila skillnaderna, och det är de nanoskala variationerna som vi kan mäta med detta mikroskop. "

Konventionella ljusmikroskop registrerar bara den projicerade bildintensiteten för ett objekt, och har begränsad förmåga att visualisera detaljerade kvantitativa karakteriseringar av celler. De digitala hologram som förvärvats av UConn's 3D-mikroskop, å andra sidan, fånga unika mikro- och nanoskala strukturella egenskaper hos enskilda celler med stora detaljer och tydlighet. Dessa förbättrade bilder gör det möjligt för läkare och forskare att mäta en enskild cell tjocklek, volym, yta, och torr massa, liksom andra strukturella och fysiologiska förändringar i en cell eller grupper av celler över tid - som alla kan hjälpa till att identifiera sjukdomar, behandling, och forskning. Till exempel, enheten kan hjälpa forskare att se om nya läkemedel påverkar celler positivt eller negativt under kliniska prövningar.

Teknikerna associerade med det holografiska mikroskopet är också icke-invasiva, belyser dess potentiella användning för långsiktig kvantitativ analys av levande celler.

Konventionella metoder för att testa blodprov för sjukdomar innebär ofta märkning, vilket innebär att provet behandlas med ett kemiskt medel för att hjälpa till med identifiering. När det gäller malaria, röda blodkroppar behandlas vanligtvis med en Giemsa-fläck som reagerar på proteiner som produceras av malariabärande parasiter och därmed identifierar dem. Men att introducera en kemikalie i en levande cell kan ändra dess beteende eller skada den.

"Om du gör en in vitro -inspektion av stamceller, till exempel, och du introducerar ett kemiskt medel, du riskerar att skada dessa celler. Och du kan inte göra det, för att du kanske vill införa dessa celler i människokroppen någon gång, "Säger Javidi." Vårt instrument förlitar sig inte på märkning, och undviker därför det problemet. "

Det holografiska mikroskopet utvecklades i UConn's nya Multidimensional Optical Sensing &Imaging Systems eller MOSIS lab, där Javidi fungerar som regissör. MOSIS -labbet integrerar optik, fotonik, och beräkningsalgoritmer och system för att främja vetenskap och teknik inom bildbehandling från nano till makroskalor.

En omfattande rapport om MOSIS labs arbete med 3D-optisk avbildning för medicinsk diagnostik publicerades förra året i Förfaranden för IEEE , den högst rankade tidskriften för el- och elektronikteknik.