博士生Siddharth Rawat（图左），电气和计算机工程系理事会特聘教授Bahram Javidi，操作一台样机检查血液样本以诊断疾病。便携式全息场显微镜为医学专业人士提供了一种快速可靠的识别病变细胞的工具。援引：Peter Morenus/康涅狄格大学照片

由康涅狄格大学的光学工程师开发的便携式全息现场显微镜能够为医学专业人员提供一种快速、可靠的新工具, 用于识别病变细胞和其他生物样本。

该设备在《Applied Optics》最近发表的一篇论文中有介绍。其使用最新的数码相机传感器技术、前沿的光学工程技术、计算算法和统计分析来提供病变细胞的快速自动识别。

该显微镜的一个潜在的现场应用是帮助医务工作者诊断非洲和亚洲偏远地区患有疟疾的病人。

根据疾病控制中心的数据，2015年全球超过2亿人口感染疟疾。对于治疗患者和防止蚊虫传播疾病爆发而言，对这些人快速准确的检测至关重要。血液样本的实验室分析仍然是确认疟疾诊断的黄金标准。然而在这些地区，缺少受过培训的技术人员和必要的设备，使得检测可能会很困难和不可靠。

这台显微镜的潜在应用远远不仅是疟疾的现场诊断。开发人员说，该仪器所产生的详细全息图也可用于医院和其他临床环境, 用于快速分析与癌症、肝炎、艾滋病毒、镰状细胞病、心脏病和其他疾病有关的细胞形态和细胞生理。

在检查是否存在疾病时, 大多数医院目前依靠专门的实验室检测，进行各种细胞分析和鉴定。但这种方法费时费力, 成本高昂且需要大量劳动力。它还必须由熟练的技术人员使用合适的设备来完成。

健康血红细胞（上排）和疟疾感染细胞（下排）的定量相剖面图。全息显微镜图像由Bahram Javidi提供

“我们的光学仪器减少了处理这些信息的时间，从几天减少到几分钟，”电气和计算机工程系理事会特聘教授，显微镜的主要开发人员Bahram Javidi说。“而且进行测试的人不必是专家，因为算法会决定结果。”

研究小组征询了血液学专家，仪器使用的算法能够比较样本与健康细胞的已知特征以及患病细胞的已知特征，以便进行合适的鉴定。“这一切都完成得很快，”Javidi说。

设备如何工作

在确定患有疟疾的患者时，设备的工作原理如下：将患者血液样本的薄片放在玻璃面上，在显微镜下进行分析。样品暴露于由激光二极管或其他光源产生的单色光束中。显微镜内的特殊部件和光学技术将光束分成两束，以便记录样品中血红细胞的数字全息图。如数字摄像头或手机摄像头之类的图像传感器, 连接到三维显微镜以捕捉全息图。从图像传感器提取的数据可以通过互联网传输到笔记本电脑和非现场的实验室数据库。通过加载专用算法、计算机或者移动设备硬件重建细胞的三维轮廓，并探测光与被检测细胞的相互作用。使用计算机图像识别软件和统计分析来鉴定所有病变细胞。

Javidi说，当光线通过时，疟原虫寄生感染的血红细胞表现出与健康血红细胞不同的特性。

“光线通过健康细胞和病变细胞的表现不同，”Javidi说。“如今先进的传感器能够检测到这些细微的差异，而这些纳米尺度的变化，正可以用这台显微镜测量到。”

博士生Tim O'Connor'17（ENG，图左），Siddharth Rawat和Adam Markman '11（ENG）在信息技术工程大楼的Javidi实验室操作一个样机来检测血液样本的疾病。援引：Peter Morenus/康涅狄格大学

传统的光学显微镜只记录物体的投射图像强度, 且对细胞的详细定量表征的可视化能力有限。然而，康涅狄格的三维显微镜获得的数字全息图能以非常详细和清晰的方式获取单个细胞独特的微观和纳米结构特征。这些增强的图像使医学专业人员和研究人员能够测量单个细胞的厚度、体积、表面和干重, 以及细胞或细胞群的其他结构和生理变化——所有这些都可以帮助疾病识别、治疗和研究。例如, 该装置可以帮助研究人员观察新药在临床试验中对细胞是产生有利还是有害的影响。

与全息显微镜相关的技术还是非侵入式的，这也突显了其对活细胞长期定量分析的潜在用途。

传统的疾病血液样品检测方法通常需要标记，这意味着样品要被化学试剂处理以协助鉴定。以疟疾为例，血红细胞通常用姬姆萨（Giemsa）染色处理，该染色剂与携带疟疾的寄生虫产生的蛋白质反应，从而识别它们。但是引入化学物质至活细胞将改变其行为或损伤它。

“例如, 如果你正对干细胞进行体外检查, 并且引入了一种化学试剂, 那么你就有可能损害到这些细胞。你不能这样做，因为也许某刻你想将这些细胞重新引入人体，”Javidi说。“我们的仪器并不依赖于标记，因此规避了这个问题。”

康涅狄格新的多维光学传感及成像系统（Multidimensional Optical Sensing & Imaging Systems）实验室又称之为MOSIS实验室，这台全息显微镜就是在这个实验室研发的，Javidi在此担任实验室主任。MOSIS 实验室整合了光学、光子学、计算算法和系统, 以推进从纳米到宏观尺度的成像科学和工程。

关于MOSIS实验室的三维光学成像医疗诊断方面工作的综合报告发表在去年的《Proccedings of the IEEE》上，该杂志是电子和电气工程方面的顶级期刊。

来源：https://phys.org/news/2017-10-portable-holographic-microscope-field-diagnosis.html

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