En enkel tilføjelse til iPhone omdanner den til en livreddende medicinsk enhed.
Et team af forskere fra University of California, Davis har omdannet hverdagens iPhones til medicinsk billeddannelse og kemisk detekteringsenheder. Med tilføjelsesmaterialer, der koster så meget som en typisk app, er de uddækkede smartphones i stand til at bruge deres forstærkede sanser til at udføre detaljeret mikroskopi og spektroskopi.
Holdet vil præsentere deres konklusioner på det årlige møde i Optical Society (OSA) i San Jose, Californien den 16.-20. Oktober 2011.
Billeder af en sukkerkrystall taget gennem polariserede lysfiltre. Venstre: traditionelt mikroskop. Højre: mobiltelefonmikroskop. Via OSA
De forbedrede iPhones kunne hjælpe læger og sygeplejersker med at diagnosticere blodsygdomme i udviklingslande, hvor mange hospitaler og klinikker i landdistrikterne har begrænset eller ingen adgang til laboratorier. De ændrede telefoner kan også overføre data i realtid til kolleger over hele kloden for yderligere analyse.
Sebastian Wachsmann-Hogiu, hovedforfatter af forskningen, sagde:
Feltarbejdere kunne lægge en blodprøve på et lysbillede, tage et billede og det til specialister at analysere.
Gruppen er ikke den første til at opbygge et smartphone-mikroskop. Wachsmann-Hogiu sagde:
Men vi troede, at vi kunne gøre noget enklere og billigere.
Farvede prøver af pollen (venstre billeder) og plantestængler (to højre billeder). Øverste række: kommercielt mikroskop. Nederste række: mobiltelefonmikroskop. Via OSA
Hans første forsøg tog enkelhed for langt:
Vi startede med en dråbe vand på kameraets linse. Vandet dannede en menisk, og dets buede overflade virkede som en forstørrelseslinse. Det fungerede fint, men vandet fordampede for hurtigt.
Derefter vendte holdet sig mod kuglinser. Dette er fint malede glaskugler, der fungerer som lavdrevne forstørrelsesglas. Holdet brugte en kugleobjektiv på 1 millimeter i diameter, der koster $ 30-40 USD i deres prototype, og bemærkede, at masseproducerede linser kunne reducere prisen.
For at opbygge mikroskopets linse indsatte Kaiqin Chu, en postdoktoral forsker inden for optik, en kuglelins i et hul i et gummiplade og tapede derefter blot arket over smartphonens kamera.
IPhone-mikroskopet består af et kuglelins på 1 millimeter i diameter indlejret i et gummiplade og tapes over smartphonens kamera. Via OSA
Ved 5x forstørrelse er kuglelinsen ikke mere kraftfuld end et barns forstørrelsesglas. Men når parret med kameraet på en smartphone, kan mikroskopet løse funktioner i størrelsesordenen 1,5 mikron, lille nok til at identificere forskellige typer blodlegemer.
Der er to grunde til, at en sådan lav forstørrelse producerer sådanne billeder i høj opløsning. For det første udmærker kuglinser sig ved lysopsamling, som bestemmer opløsningen. For det andet består kameraets halvlederføler af millioner af lysfangende celler. Hver celle er kun ca. 1,7 mikron på tværs. Dette er lille nok til at fange nøjagtigt det lille billede i høj opløsning, der kommer gennem kuglelinsen.
Forskerne brugte digital billedsoftware til at korrigere for en forvrængning af en kuglelins og for at bringe små fokusområder ind i et enkelt billede stort nok til analyse.
Den øverste række viser billeder af blodprøver taget med et traditionelt mikroskop. Fra venstre mod højre: normal, jernmangelanæmi og sigdcelleanæmi. Den nederste række viser de samme prøver, der er afbildet på en smartphone. Via OSA
Selvom smartphonemikrografer ikke er så skarpe som dem fra laboratoriemikroskop, er de i stand til at afsløre vigtig medicinsk information, såsom det reducerede antal og øget variation i cellerne i jernmangelanæmi og de bananformede røde blodlegemer, der er karakteristiske for seglceller anæmi.
Wachsmann-Hogiu's team samarbejder med UC Davis Medical Center for at validere enheden og bestemme, hvordan den skal bruges i feltet.De kan også tilføje funktioner såsom større linser til diagnosticering af hudsygdomme og software til automatisk at tælle og klassificere blodlegemer for at give øjeblikkelig feedback og måske genkende et bredere spektrum af sygdomme.
Når forskere har brug for yderligere diagnostiske værktøjer, kunne mikroskopet udskiftes til et simpelt spektrometer, der også bruger lys indsamlet af iPhone's kamera.
Ovenfor spektret af en lysstofrør taget af et iPhone-spektrometer. Nedenfor er en sammenligning af spektre fra en iPhone og et kommercielt spektrometer. Selvom iPhone'en ikke er så præcis som den kommercielle enhed, henter den nøjagtigt toppene i farveintensitet. Via OSA
Spektrometre smører lys ud fra et objekt og adskiller det i dets sammensatte bølgelængder på meget måde, som et prisme bryder op hvidt lys i regnbuens velkendte farver. Da atomer og molekyler absorberer meget specifikke bølgelængder, når de udsættes for lys, er det muligt at drille den kemiske signatur af materialer ved at studere deres spektre.
Ligesom mikroskopet drager iPhones spektrometer fordel af smartphone-billeddannelsesfunktioner. Spektrometret, de tilføjede til iPhone, er let at opbygge. Det starter med et kort plastrør, der er dækket i begge ender med sort elektrisk tape. Smalle spalter, der er skåret i båndet, tillader kun nogenlunde parallelle lysstråler fra prøven at komme ind og ud af røret. Det er dette gitter, der spreder lyset i et spektrum af farver, som forskere kan bruge som en finger til at identificere forskellige molekyler.
Selvom spektrometret stadig er i sine tidlige stadier, mener forskerne, at det kunne måle mængden af ilt i blodet og hjælpe med at diagnosticere kemiske markører for sygdom.
Fordi smartphone-instrumenter er effektive og billige, mener Wachsmann-Hogiu, at skoler kunne bruge dem til at berige videnskabsklasser. Spektrometre kan hjælpe med at illustrere lektioner om lys og energi. Mikroskoper kunne afsløre en usynlig verden af sukkerkrystaller, pollenkorn og mikroskopiske organismer.
Nederste linje: UC-Davis-forskere har udviklet en tilføjelse til iPhone, der omdanner den til en medicinsk billeddannelsesenhed. De vil præsentere deres konklusioner på Optical Society's årlige møde i San Jose, Californien den 16.-20. Oktober 2011.