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医学诊断设备便携智能化

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-09-06浏览次数:886

在20世纪60年代的电视连续剧“困惑的侦探”中,虚构的秘密特工Maxwell Smart可能是除了打电话以外其他领域使用手机的先驱。他常常用鞋子打电话给他。同事。当然,今天的智能手机,以及集成的摄像头和卓越的计算能力,已不再适合鞋子。但它们已成为现场医疗诊断设备开发的强大平台。

与智能手机结合使用的诊断设备允许医务人员在现场进行诊断或监控患者的健康状况,而无需将样本发送到远程实验室。研究人员表示,该设备将改变人们对健康的关注方式,并真正掌握着监控疾病的设备。

这种设备在发展中国家也非常有用。今天,发展中国家的智能手机越来越受欢迎,但医院仍然很少见,而且相距甚远。在这些地区,经常错过诊断易于治疗的疾病的机会。对于流感或埃博拉等传染病,现场实时诊断系统与智能手机提供的地理定位功能相结合,可以实时跟踪疾病流量,甚至可以识别和隔离患者,以延缓疾病的传播。疾病。

“现在,智能手机非常受欢迎,它们的成像和计算能力也越来越强,”马萨诸塞州综合医院系统生物学中心生物医学工程项目主任Hack Lee说。 “智能手机实际上是具有远程通信功能的微型计算机。”

Li和许多其他研究人员希望使用这些设备,并希望将它们作为诊断工具推向市场。上个月,他的实验室研究人员和马萨诸塞州综合医院拉尔夫惠斯勒团队报告了一种智能手机连接设备和相关技术,可用于检测癌前细胞和癌细胞以及癌症。相关DNA(Proc.Natl.Acad.Sci.USA 2015,DOI:10.1073/pnas。)。

研究人员使用免疫珠,直径约7微米的塑料珠,涂有识别特定细胞表面蛋白质的抗体。他们将珠子添加到患者的样本中,例如血液样本或子宫颈涂片细胞,并将处理过的样本放在显微镜载玻片上。抗体使珠子粘附到癌细胞上,但不与其他细胞反应,因此在成像时形成周围细胞的清晰轮廓。

然后幻灯片进入由研究人员构建的智能手机快照设备。来自设备中连接的LED的光透过样品以形成衍射图案,该衍射图案由智能手机的相机成像。然后将图像发送到远程服务器进行分析,生成分析结果并在大约2分钟内发送回手机。整个过程从采样到接收结果需要不到一个小时的时间。

Lee和Whistler的团队使用该装置在一小组患者中进行宫颈癌的临床筛查。他们的结果与传统的宫颈癌检查相似。李解释说,研究人员还改进了检测特定DNA序列的技术,开辟了使用该系统筛查病毒或其他病原体的方法。

这种便携式病原体诊断设备的开发是哥伦比亚大学生物医学工程教授Samuel K. West Asia团队的长期目标。 “事实上,我们在智能手机发明之前就开始研究这个问题,”韦斯特说。

多年前,他的团队从头开发了一个便携式诊断设备,开发了一个操作系统,一组用户界面和通信功能。 “真的有太多事要做,”韦斯特说。 “当智能手机即将彻底改变人们的日常行为时,包括在世界上最偏远的地区和发展中国家,这一事实变得明显,我们开始想到我们的微流体技术。拥有一个功能强大的设备可能是有意义的。“

今年早些时候,西亚报道了他的实验室开发的用于筛查艾滋病和梅毒的新设备(Sci.Transl.Med.2015,DOI: 10.1126/scitranslmed.aaa0056)。梅毒仍然是发展中国家的一个问题,可能导致死产。西亚解释说,这种疾病可以通过单次注射青霉素来治愈,但许多孕妇没有意识到他们感染了梅毒。

这些妇女经常接受艾滋病病毒筛查,因此西亚实验室已开始使用仅需2微升血液筛查艾滋病和梅毒的装置。他们的设备使用酶联免疫吸附测定法,也称为ELISA,来检测病原体。

西亚解释说,虽然ELISA技术已经成熟了十多年,但将它包含在与智能手机结合使用的便携式设备中并不是一件小事。西亚设备通过智能手机的音频插孔连接到手机,以获得运行测试所需的能量。医务人员只需取一滴血,将其滴在微流控芯片上,将芯片放入设备中,然后按下按钮。该装置将进行整个ELISA分析。由西亚团队开发的移动应用程序将在15分钟内提供测试结果。

西亚实验室将设备送到卢旺达进行现场测试,卢旺达的当地医务人员在观看了使用移动应用程序进行的20分钟培训后,使用西亚团队开发的应用程序筛选了96名患者。该测试还对患者进行了常规标准测试。由于西亚测试只需要针灸手指采血而不抽血,几乎所有患者都倾向于在西亚进行测试。

“有时候人们并不完全明白开发这种设备有多难,”韦斯特说。 “每次处理化学试剂或生物样品时,都会有一定程度的变化变得难以控制。您必须处理各种硬件和软件问题,因为最终人们希望能够在移动电话上运行应用程序。该程序很容易测试。“

Warren C. W. Chen还认为,智能手机诊断设备可以为我们监测传染病的方式带来巨大的改进。 Chen说,自2003年进入多伦多大学化学与生物工程系以来,他正在考虑使用移动设备来追踪疫情。

当时,严重的急性呼吸道综合症,即SARS,在多伦多很普遍。陈认为,已经流行的手机可以用来跟踪世界各地实时传染源的流动情况。然而,问题在于当时手机的性能还不足以实现陈的愿景。

他说,直到2010年Apple的iPhone 4问世,这款手机的内置摄像头可以提供与现代乐器相似质量的图像。相机和光学设备对Chen的研究团队非常重要,因为他们正在拍摄聚苯乙烯珠子,其中的量子点直径只有3微米。

陈称这些珠子是条形码。他的团队将与某些靶病毒相关的序列的DNA片段应用于珠子的表面。不同的珠子具有不同的序列和不同颜色的量子点。例如,编码以检测HIV DNA条形码的珠子可以是绿色的。

到检测到病毒时,陈团队将患者样本中的DNA与珠子混合,并添加了带荧光团的DNA [1]。如果存在病毒DNA,则将组装所有片段。当用激光照射时,珠子将显示荧光团的颜色和量子点的颜色。如果研究人员只观察到量子点的颜色,则表明目标病毒的DNA不存在。

由于量子点具有不同的颜色,并且不同的颜色代码用于编码不同的病毒,因此Chen的团队可以同时筛选多种病毒。整个测试不到一个小时。所有的样品制备都可以在Chen团队中使用他们在儿童望远镜中找到的镜头定位系统和2美元的激光打造设备完成。

研究人员最近表明,该设备可以筛查HIV和乙型肝炎病毒(ACS Nano 2015,DOI: 10.1021/nn)。但陈说,条形码可用于检测多种类型的病原体,包括疟疾,流感和肺结核。

加州大学洛杉矶分校电气工程教授Etogan Ozcan是一名移动诊断设备爱好者。 Ozcan团队生产了许多智能手机配件,可以让他们看到红细胞,单个病毒颗粒,甚至是单链DNA。他的团队一直站在使用衍射图案对手机上的微观物体进行成像的最前沿。 Ozkan的团队还开发了手机配件(Lab Chip 2014,DOI: 10.1039/c4lcb),用于检测某些过敏原,尿蛋白,水中病原体和水中的汞离子。

Ozcan甚至联合创办了一家名为Holomic的公司,将这些技术推向市场。他一直在努力将其他移动设备开发成诊断设备,包括谷歌眼镜和智能手表。 Ozcan团队通常能够在向公众提供新移动设备之前获取样本。

Ozcan说,他对手机的进展感到惊讶。他的团队在研究开始时使用的手机只能拍摄直径为10微米的细胞。 “只有7年后,我们才能看到一个只有2纳米宽的DNA分子,”Ozcan惊呼道。

但快速的硬件和软件更新也将使智能手机诊断开发人员难以实现。 Ozcan说,大多数诊断设备需要能够使用五年,这对于智能手机市场来说是永恒的。

即便如此,Ozcan说设计移动医疗诊断设备和其他类型的科学仪器可以使科学更受欢迎。 “今天,世界上许多其他研究人员都可以进行以前无法做到的实验,即使在远处,”他指出。 “这提供了一些有趣的教育和培训机会,并以比以前更大的规模生成高质量的数据。”