Три года назад Национальный научный фонд предоставил паре профессоров Университета Иллинойса грант на разработку технологии под названием «Лаборатория в смартфоне». За это время исследовательские группы Брайана Каннингема, профессора инженерных наук Дональда Биггара Виллетта, и Джона Даллезассе, доцента электротехники и компьютерной инженерии, опубликовали статьи, в которых подробно описываются возможные способы, которыми мобильные устройства могут предоставлять диагностические тесты для здоровья и другие измерения, обычно выполняемые в лабораторная обстановка.
Их последние усилия демонстрируют, что мобильные устройства со встроенным датчиком могут обеспечивать точные измерения спектров оптического поглощения цветных жидкостей или спектров оптически рассеянных твердых объектов. Другими словами, мобильное устройство, включающее «научную камеру» в смартфоне, может точно считывать медицинские тесты на жидкой или бумажной основе, в которых конечным результатом является материал, который меняет цвет с одного цвета на другой в присутствии людей. определенного аналита.
Команда успешно продемонстрировала очень компактную недорогую систему, которая выполняет оптическую спектроскопию в форм-факторе, который может поместиться внутри корпуса телефона. В нем используются недорогие компоненты и светодиоды того же типа, что и в телефонах. Добавив специальный компонент, прикрепленный к обычному датчику изображения смартфона, они смогли измерить поглощение света жидкостями и спектр рассеяния твердых тел.«У нас было несколько проектов, в которых мы стремились использовать сенсорные возможности смартфонов и мобильных устройств для биомедицинских тестов в точке использования или тестов, которые можно было бы проводить вне лаборатории», — пояснил Каннингем. «Но во всех проектах, над которыми мы работали до сих пор, была подставка или какой-то инструмент, с которым телефон должен был контактировать для выполнения измерения».
Однако в их последней статье «Интегрированная система спектроскопического анализа с низкой вертикальной высотой для измерения жидкостей или твердых веществ», опубликованной в журнале «Датчики и приводы B», подробно описывается, как смартфон может быть помещен непосредственно над картриджем, содержащим жидкость, для измерения определенного цвета жидкости. . Затем результаты могут быть напрямую отправлены в электронном виде врачу, который может поставить диагноз и предложить лекарство без необходимости личного посещения этого врача пациенту.«Чтобы это работало, производители смартфонов добавили бы камеру в научных целях», — сказал Каннингем. «На пиксели дополнительного датчика изображения будет наклеен линейный переменный фильтр, который превратит камеру в спектрометр. Поскольку этот компонент будет неотъемлемой частью телефона, генерируемая им информация может быть легко интегрирована с другими информация о пациенте и проводимом тесте при взаимодействии с облачной системой интеллектуальных услуг, которая обеспечивает немедленную обратную связь с действиями ».
Чтобы подтвердить эту концепцию, они точно измерили жидкости с помощью иммуноферментного анализа фибронектина плода (ELISA), белка, концентрация которого используется для определения вероятности преждевременных родов у беременной женщины. Кенни Лонг, доктор медицинских наук / докторант в области биоинженерии, чьи исследования были сосредоточены на клиническом применении медицинских технологий, возглавил эту работу.
В число других студентов / постдоков, участвовавших в проекте, входят аспиранты ECE Джон Карлсон, Сауд Аль-Мулла, Бенджамин Кеслер и Патрик Су. Приглашенный ученый Юйхан Ван из Университета Бейхан в Китае был первым автором статьи, а приглашенный ученый Ван Пэн из Университета Хуачжун в Китае внес свой вклад в эту работу.«Без нашего подхода можно приблизительно измерить цвет объекта, используя интенсивность красного, зеленого и синего пикселей на изображении смартфона», — сказал Каннингем. «Однако вы получаете более обширную информацию, когда измеряете весь спектр, и можете расширить обнаруженные длины волн до инфракрасного».
В частности, эта технология использует освещение от группы светодиодов (LED), собранных в цилиндрический пластмассовый стержень. Стержень коллимирует свет и направляет его в контрольную точку перед камерой. Система позволяет пропускать к камере только одну длину волны за раз, но выбранная длина волны линейно изменяется по ширине камеры.
Компонент, используемый в системе, называемый линейным переменным фильтром (LVF), выглядит как кусок стекла толщиной ~ 2×8 мм2, наклеенный поверх пикселей камеры, поэтому он выполняет разделение длин волн без использования вертикального пространства, как это делают обычные спектрометры. .«Мы разработали спектрометр LVF, просто наклеив компонент фильтра на пиксели обычного датчика изображения», — сказал Каннингем. "Это фильтр передачи длины волны, который градуирован от левой стороны к правой стороне, чтобы пропустить синий свет слева, красный свет — справа и любую другую длину волны между ними. Если вы излучаете одну длину волны через всю фильтр, свет будет проходить к датчику изображения только в одном месте. Когда много длин волн проходят за один раз, интенсивности пикселей датчика изображения представляют собой спектр света ".
Технология оказывает особое влияние на развивающиеся страны или сельские районы, где добраться до кабинета врача может быть непросто. Та же методология, продемонстрированная в статье, может быть применена для количественного определения биомаркеров для питания, здоровья сердца, сепсиса, рака, беременности, инфекционных заболеваний, злоупотребляющих наркотиков, гормонов и многих других.
Каннингем несколько раз беседовал с производителями смартфонов о своих открытиях за последние несколько лет и понимает, что для того, чтобы убедить их добавить еще одну камеру к телефону, необходимы привлекательные потребительские приложения. С этой целью их публикация показывает, что компонент может измерять спектр света, рассеянного твердыми поверхностями, чтобы наблюдать тонкие различия, используя цветную бумагу и тест-полоски pH в качестве типичных примеров.«В дополнение к измерению диагностических тестов, датчик может также измерять всевозможные забавные вещи», — сказал Каннингем. «Например, его можно использовать для измерения цвета повседневных предметов, таких как ваша рубашка, или для сопоставления цвета неба с цветом краски в вашей гостиной. Это было бы очень полезно для художников-графиков, фотографов, архитекторов, и гражданские ученые ".
По сути, однако, он надеется воспользоваться ситуацией, когда телефонные компании уже думают об использовании своих устройств для мобильного здравоохранения.«Я думаю, что мобильное здоровье будет означать медицинские диагностические тесты на питание или хорошее самочувствие, услугу, которую могут предоставить крупные производители смартфонов», — сказал Каннингем. «Они ищут способы, которыми здравоохранение может дополнить их возможности.
Мы надеемся найти компании, которые заинтересованы в том, чтобы отличать их телефоны от других, обладая такой возможностью».