基于微流控芯片的手持变焦显微成像系统可用于女性健康检测

阴道是女性体内必不可少的微生态区域。它是女性生殖道的组成部分，也是其与外界连接的唯一通道，因而它的稳定性与女性健康密切相关。据统计，在美国，每年因阴道分泌物异常而就诊的人次约高达1000万次。但细菌性阴道炎是一种非常私密的疾病，且复发率非常高，中国女性往往因传统观念不愿或没有时间去医院检查，从而造成非常严重的后果。因此，开发一个允许女性在家完成阴道炎症检测的系统至关重要。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自江苏大学的研究人员设计了一种自吸式微流控芯片，该芯片可以实现自动进样，从而节省采样时间，并能够实现样品的充分混合。此外，研究人员还发明了一种手持式微型显微镜装置，它具有适配智能手机的光学放大系统和变焦范围为2mm的聚焦系统。同时，研究人员还开发了一种用于阴道分泌物细菌快速鉴定的APP。总体而言，该项工作设计的检测系统只有手掌大小，具有高分辨率和便携性，可用于即时检测（POCT）中阴道分泌物的快速检测。

自吸式微流控芯片的设计

研究人员设计的芯片尺寸为2cm × 5cm，其结构的设计以能够更好地混合样品为宗旨。如图1所示，a为采样区（直径为3mm），b为用于样品扩散的混合区（直径为2mm），c为用于将微生物均匀混合的缓冲通道（宽度为2mm），d为观测区域（直径为2mm）。

图1 微流控芯片的结构设计

光学系统设计

光学系统的结构如图2所示。它由一个微透镜组（由多个具有37倍放大功能的高倍微透镜组成）、一个智能手机闪光灯和一个全反射棱镜组成。为了实现光学放大的功能，研究人员使用智能手机的闪光灯作为光源。当光源垂直照射在全反射棱镜上时，光路发生变化，使得反射光路通过样品载玻片和微透镜组，最终得到由智能手机拍摄的放大后的样品显微照片。

图2 手持式显微鉴定系统示意图：（A）系统操作流程示意图；（B）手持式显微镜内部原理示意图。

球菌和杆菌的鉴定

在对手机采集的样本图片进行基础图像处理后，研究人员对细菌轮廓进行特征提取和圆度计算。通过对550张模拟样本图像的分析，可以得出球菌鉴定算法的准确率为90.76%，鉴定误差为6.12%。但是，即使在临床医学实践中，鉴定误差也是不可避免的。因而，只要鉴定出的球菌数量大于或等于实际球菌数量，该算法也可以作为确定阴道分泌物水平的有效方法。

图3 细菌鉴定、APP设计及鉴定误差：（a）细菌的图像处理；（b）APP界面和图像处理流程；（c）基于手机算法对球菌进行鉴定的误差。

阴道炎症水平诊断的灵敏度

为了研究女性阴道分泌物的水平，研究人员模拟并设置了四组实验，并对100个样品进行了检测。实验结果显示鉴定算法的计数结果与观测人员计数的结果呈线性关系，且算法对阴道炎症的鉴定结果与观测人员一致，鉴定准确率达95%。

图4 临床样本：（a）四组临床样本的原始图像；（b）鉴定和计数后的图像。

综上所述，研究人员设计了一种基于微流控芯片的手持变焦显微成像系统。该系统和智能手机结合可以清楚地看到球菌和芽孢杆菌的形态差异，其分辨率可以小于3μm。同时，研究人员设计的APP鉴定算法也能准确判断炎症程度，准确率达95%。此外，使用所提出的检测系统对临床样本进行检测，结果与临床诊断一致。总的来说，用这种方法检测女性阴道环境的健康状况是可行的，可以达到在家快速检测的目的。不过，对于算法的优化，研究人员还需要在未来进行进一步的研究。

审核编辑：彭静