新型医疗设备：基于智能手机进行细菌耐药性测试

导读

让昂贵笨重的医疗实验装置，变得低成本且便携，一直我们关注全球创新智慧的一个方向。加州大学洛杉矶分校的团队开发了一种自动化诊断测试阅读器，可以使用智能手机读取细菌耐药性的值。这项技术可以在资源受限（偏远落后，贫困地区）地区，展开细菌敏耐药性检测。

（图片来源于: Aydogan Ozcan/加州大学洛杉矶分校）

耐药细菌对于全球公共卫生的威胁

抗菌药物，可以杀灭细菌，治疗人类相关感染。然而与此同时，细菌也会产生对于抗菌药物的抵抗作用，保护自身不受到威胁，这种抵抗作用被称为“细菌耐药性”，具有耐药性能力的细菌就被称为“耐药细菌”。

然而，耐药细菌对于全球公共卫生构成了严峻威胁。特别是，它们会变成更加普遍的细菌性病原体，造成高死亡率的疾病例如肺炎、腹泻和脓毒症。所以，对于这种细菌防治方面的研究变得很重要且急迫。

落后地区成为细菌耐药性测试的瓶颈

然而，人类从未停止过与这类细菌的传播作斗争，特别实在医疗领域。可是，这种斗争的一部分的挑战来源于落后地区，那些地区缺少实验室、测试设备，难以开展耐药性测试，以及训练能够读取测试结果的技术人员。

加州大学的研究成为这方面的突破

加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种简单廉价的智能手机附件设备，可以进行自动化的细菌耐药性测试。研究人员将这项研究成果发表于自然出版集团下属的《科学报告》杂志上。

(a) 目前的测试方法，由诊断专家手动在光源下检查测试板，来分辨作为细菌生产迹象的浊度。这个方案使用镜子查看测试板。 (b) 新型系统，可以让未经培训的实验室技术人员查看诊断板，只需要为每个板拍摄三张照片，然后使用应用程序将照片上传至本地或者远程服务器，进行自动处理并获取相关诊断结果。(c) 特写的镜像图片。B1, C1, D1, B6, B7, H11具有浊度。(d) 新系统获取的同一个测试板的图像。每个孔的浊度可以根据每个孔的透光度自动确定。 （图片来源于: Aydogan Ozcan/加州大学洛杉矶分校）

加州大学洛杉矶分校亨利·萨缪理工程和应用科学学院，电气和生物工程专业的首席教授 Aydogan Ozcan，对于研究是如此评价的：

“这项研究是十分重要且及时的。耐药性细菌越来越成为全球性威胁，我们许多的一线抗生素对它们是无效的。然而我们的新技术基于智能手机，可以将实验室级别的测试，带向更广泛的应用，特别是在那些资源受限地区。”

设备的组成和测试方法

实验设备具有可用于测试的96孔板，连接到智能手机上。然后，它通过一组LED灯照射样本，不同的孔中含有不同剂量的抗生素，手机的摄像头会感知到每个孔中的光线传播的细微变化。

(a) 设备由定制化设计的硬件附件和诺基亚Lumia 1020智能手机组成，使用LED阵列通过扩散器照射96孔板，光线通过光纤束传输到相关的小区域，手机内置的摄像头通过添加的聚焦透镜对其进行拍照。(b) 设备俯视图 (c) 设备侧面视图（图片来源于: Aydogan Ozcan/加州大学洛杉矶分校）

接着，图像会被送到服务器端，进行自动化的耐药性测试，测试结果会在1分钟左右返回给智能手机。

使用定制化的手机应用程序，在不同的曝光时间下拍摄的三张测试板样本的图片，被上传至本地或者远程服务器，自动化的算法使用蓝色通道查找亮度最大的曝光图片，提取出孔的平均亮度。曝光情况下的三个孔的亮度和测量的亮度的最大化动态范围结合，根据从空白板控制孔获取的最大化的透明度，进行标准化处理。这些孔的亮度阈值，通过上传的测试板的数据库决定，从而决定每个药物的最低抑制浓度和敏感性。研究结果和上传的图像存储在服务器端，也会发送给客户端应用程序供用户查看。（图片来源于: Aydogan Ozcan/加州大学洛杉矶分校）

相关实验和临床意义

研究人员在加州大学洛杉矶分校临床条件下测试了该设备。他们使用的特殊测试板，可针对针对肺炎克雷伯菌17种不同的抗生素以及具有高度耐药性的细菌。在临床测试期间，他们使用了78份来自病人的样本。测试结果显示：这种基于手机的阅读器，能够满足美国食品和药物管理局定义的实验室测试标准，检测精度达到98.2%。

科学家使用最低浓度的抗生素阻止细菌增长，追踪它的耐药性。同时，他们将为每个细菌/药物的组合，制定抗生素敏感或耐药的标准，指导医生进行医疗决策。相关结果表示，受到耐药性细菌感染的病人，应该及时对于治疗情况作出应对，因为耐药性生物不会受到正常剂量的药物控制。

研究的意义

研究人员认为，这种手机阅读器可以减少对于专业医生进行耐药性测试的依赖，同时降低常规测试的门槛，协助全球的细菌耐药性调查。

另外，这项技术还有一项优势，就是能够及时检测出细菌在药物条件下的增长状况，比目前能够测量的时间点（给药24小时后）要早，这样可以让医生更早只知道结果，从而挽救生命。

目前，对于实验室医疗设备进行小型化、便携化、低成本化、易操作化的处理，同设备和物联网等新兴技术结合，是一个重要的创新发展趋势。之前，我也介绍过几款相关产品。所以，让医疗设备"走出"医院实验室，对于提高医疗的效果和效率，将医疗设备普及到医疗资源落后的地区，都有着十分重要的意义。

参考资料

【1】http://phys.org/news/2016-12-combat-antimicrobial-resistance-smartphones.html

【2】Steve Feng et al. High-throughput and automated diagnosis of antimicrobial resistance using a cost-effective cellphone-based micro-plate reader, Scientific Reports (2016).

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