树莓派与智能手机血吸虫检测仪对比

血吸虫检测仪：用于诊断泌尿系统血吸虫病的智能手机与树莓派低成本诊断设备对比

一、引言

A. 血吸虫病

血吸虫病在全世界76个国家和地区呈地方性流行，约7.79亿人面临感染风险，目前有2.52亿人感染。作为一种贫困疾病，该病带来了重大的公共卫生和经济负担。血吸虫病由Schistosoma属的血吸虫引起，通过传播媒介（淡水螺类）传播，这些螺类生活在溪流中，当人类在无桥梁的情况下往返社区并接触水源进行洗衣、洗澡以及儿童玩耍、游泳或涉水等日常活动时，便可能感染寄生虫。

肠道血吸虫病（曼氏血吸虫）和泌尿系统血吸虫病（埃及血吸虫）在非洲呈地方性流行 [3‐6]，其中尼日利亚的疾病负担最重。目前从全球到国家层面的战略旨在通过采取干预措施消除这种可预防的疾病，这些措施包括使用经批准药物进行大规模药物治疗（MDA），以及病媒控制和卫生项目。为实现消除目标，对干预措施进行充分的监测和监控，诊断至关重要。目前，世界卫生组织推荐的泌尿系统血吸虫病诊断标准是对尿样通过过滤、沉淀或离心处理后进行显微镜检查 [7]。然而，该方法费力、耗时、成本高、设备笨重，且受限于专业人员短缺、缺乏必要的维护技能、可更换部件以及相关的人为误差/主观性，限制了其在偏远地区农村社区 [7, 8]。因此，一种适用于现场、快速且易于使用的诊断方法对于及时检测病例、绘制社区图谱以及监测干预措施的趋势或进展以实现消除目标至关重要。本文报告了我们INSPIRED（贫困相关寄生虫病包容性诊断）项目第一阶段的成果，该项目汇集了来自荷兰、尼日利亚和加蓬高校的生物医学科学家、工程师、公共卫生专家和产品设计师组成的多学科团队。

本文讨论并比较了基于树莓派和智能手机的两种平行设计路径在泌尿系统血吸虫病自动化诊断设备上的结果。

B. 技术发展、挑战与机遇

光学和计算机技术的快速发展使得基于智能手机和树莓派的显微镜成为现场诊断血吸虫病的有前景替代方案 [9]。其可获得性和便携性使其适用于典型实验室环境之外的使用 [7, 10,11]。此外，通过集成数据驱动算法，可对过滤尿样中的埃及血吸虫虫卵进行自动检测与定量，从而弥补现场护理环节缺乏经验丰富的显微镜操作人员以及数据存储方面的挑战。根据算法的性能，诊断可达到足够的性能和操作实用性。除了自动化样品分析、检测和感染负荷估计外，该成像平台还可实现无缝数据共享，有助于疾病绘图，推动有效的防控和消除工作。这相较于传统人工显微镜检查具有额外优势，后者的数据需手动生成、记录和归档。

尽管该领域已有大量满足众多技术和医疗标准的技术创新，但在资源受限环境中实施手持式显微镜设备仍面临挑战 [12]。基于智能手机的显微镜由于光学系统的固有像差以及数值孔径的限制，提供的图像质量相对较低 [13]。此外，视场（FoV）有限，导致需要对样本进行多次测量，从而降低了诊断设备的性能 [14]。一种由智能手机光路与智能手机微物镜（位置如图1所示以反向方式放置）组成的光学装置已显示出令人期待的结果。这种光学配置提供了相对更大的视场（整个传感器平面），分辨率主要受摄像头传感器像素大小的限制 [15]。

由于需要巨大的物流工作，目前西方生产的诊断设备在撒哈拉以南非洲的使用地点价格昂贵、稀缺且难以维护（由于缺乏备件和技术技能） [13]。近年来消费电子市场的组件大规模生产，使得低成本、高效且便携的数字成像设备得以制造 [7]。使用本地采购材料生产这些设备，不仅可以降低成本，还能因目标地区备件的可获得性而改善维护。结合创新制造路径（即本地分布式生产） [12],，我们可以克服进口依赖和不必要的长分销价值链，后者会带来额外成本。3D打印和激光切割等易于获取的制造技术为建立本地生产设施提供了新机遇，这些设施可用于生产并供应设备及备件供本地使用 [13]。

一旦解决了这些挑战，便携式数字显微镜就可以提供并创造获得高质量血吸虫病诊断的机会。因此，有关疾病分布的及时信息也将能够 readily获取，供相关组织和国家项目 [13] 使用，从而加强防控和消除工作。血吸虫检测仪开发的设计目标和挑战将在下一节中讨论。

II. 设计设置

A. 血吸虫检测仪1.0改进的差距、挑战与机遇

一种用于泌尿系统血吸虫病诊断的设备原型——血吸虫检测仪1.0，于 [13] 通过在尼日利亚开展实施研究并让关键利益相关方参与研发过程的迭代设计流程开发而成（见图2）。经过多次设计迭代后，血吸虫检测仪1.0的主体部分在当地车间制造完成，这使得设备更易于在当地进行维修和维护。作者还报告了一种简单的一体化3‐D打印样品架的设计，该样品架可与广泛可用的滤膜材料配合用于尿液过滤。该设备已在拉各斯大学以及尼日利亚拉各斯的城乡结合部地区使用真实尿样进行了测试，以模拟实际中的诊断检测。

从实施与开发研究中，确定并提出了在下一设计迭代中需要进一步考虑的一系列实际设计问题。因此，以下列出的建议构成了本文所述下一设计迭代的基础。

1) 本地制造：在结构设计中，考虑到实际背景，使用塑料替代金属板。为了实现更精细且易于清洁的结构体，3D打印似乎是制造血吸虫检测仪最具前景的选择，因为在尼日利亚及其他中低收入国家，创客空间和提供3D打印服务与资源的小型企业较为普及。

2) 手机：智能手机的优势在于可本地维修。然而，这严重限制了技术设计的可能性。使用树莓派或类似计算机在控制与人工智能算法的实现便捷性方面可能是一个有趣的替代方案，因为它具有较大的开源社区。采用树莓派还将实现模块化设计，并在物理结构体和电池容量方面更加高效。适应新组件或扩展功能将相对更容易。然而，使用智能手机仍然具有许多优势，例如易于使用、易于获取以及熟悉的界面。

3) 尿液过滤：注射器在支架中未固定好，导致尿样溢出。由于布质滤膜的表面积较小，且通过其注入的液体体积较大，滤网承受的压力较高，并且由于样品架没有手柄，容易发生内容物溢出。建议采用既定的世卫组织规程，或至少使用标准滤膜。

根据现场的反馈，启动了下一版设计迭代的设计流程。该项目于2019年2月至7月期间进行。

B. 血吸虫检测仪1.0改进的设计目标

开发一种数字显微镜，该显微镜可提供一体化诊断解决方案（样本制备和诊断），并由智能算法支持（用于检测和定量埃及血吸虫卵），且可在撒哈拉以南非洲地区生产与维护（使用本地可获取的组件和3D打印技术）。

针对具体开发目标，定义了产品范围，该范围涉及产品的核心功能，即泌尿系统血吸虫病的诊断，以及其子功能和组件。三大主要组件组成为产品的结构体、光学系统和电子学。这三个组件相互重叠、相互作用，共同确保血吸虫病诊断的成功执行。因此，我们启动了两条并行的血吸虫检测仪设计路径，一条基于树莓派（血吸虫镜RP），另一条基于智能手机（血吸虫镜SP）。此外，血吸虫检测仪必须被文化接受且值得信赖，同时保持低成本。

选择以下四个主要驱动因素来指导开发重点：

1) 鲁棒性：该产品需要能够承受尼日利亚恶劣的热带环境，例如湿度和高温。此外，为了提高可修复性，该产品应具备在设备部署后的几年中，使用本地可获取的部件构建。

2) 本地生产的潜力：该产品应能够通过大量标准的现成组件与本地可用的分布式生产方法相结合，实现本地生产。

3) 直观性：为了使产品被接受和使用，应优先考虑易用性等操作因素，并提供相应的使用提示。此外，材料的选择和外观应有助于提高产品认可度和接受度。

4) 卫生：由于该设备用于处理尿液，因此在操作过程中必须考虑无菌考虑，以确保产品易于清洁，防止可能的交叉污染。

C. 血吸虫镜RP与SP的技术设计挑战

该产品背后技术的三大主要技术设计挑战是：

1) 准确对准摄像头传感器、微物镜镜头和样本，以减少光学系统的像差。

2) 在单个视场内对过滤后的样本进行成像，提供最佳照明和足够分辨率以实现自动分析。

3) 考虑到3D打印和现成组件，对外壳进行稳健设计和材料选择，以适应尼日利亚农村的环境条件。

III. 设计结果

A. 血吸虫镜RP

血吸虫镜RP（见图3）通过在树莓派上运行的算法来分析血吸虫卵。该设备设计为外壳和开发板均为模块化结构，以便在使用现场设备发生故障时能够快速、方便地更换部件。

1) 光学系统：血吸虫镜RP采用了树莓派摄像头模块V2.1，该模块具有相对较大的传感器尺寸（3.674 × 2.760毫米），并提供对其设置的广泛控制。为了对整个标准13毫米（尿液）滤膜进行成像，在样本与镜头之间放置了一个倒置显微镜物镜（4×），其距离为16厘米，镜头与镜头和摄像头如图3所示。使用显微镜聚光镜将光源聚焦，使得穿过样本的所有光线继续通过物镜。实现这种照明可获得最大对比度。此外，在样本下方放置一个高强度的光源可以减少杂散光的影响，从而降低图像噪声。开发了一种手动对焦机构，该机构由一个螺距为3毫米、旋转3圈的3D打印旋转旋钮组成，用于精确调整摄像头至适当的焦平面，以减轻所采集图像中离焦像差的影响。

2) 电子学：血吸虫镜RP的内部电子设计由多种电子元件组成，其中包括树莓派3B+，其通过Python脚本实现所有软件功能。树莓派3B+与HAT（硬件扩展板）结合使用，使得电源管理模块、I2C引脚扩展板、蜂鸣器、电可擦可编程只读存储器、屏幕连接器、指示灯、LED控制器、风扇控制器和按钮连接器等电子元件能够在更小的空间内方便地布置。这些设计选择形成了一个模块化系统，组件易于维修和升级。然而，一个缺点是组件可能较难防尘以及抵御湿度等环境因素的影响。

3) 结构体：血吸虫镜RP外壳的所有部件设计基于三个主要驱动因素：鲁棒性、卫生以及本地生产的潜力。这些部件包括上盖（容纳显示屏并封闭上框）、上框（容纳镜头支架、摄像头传感器和树莓派）、结构梁（为设备提供结构支撑，并帮助将光学系统与样本保持适当距离）、底座（包含LED、风扇、输入按钮、USB协议）和底板（用于封闭底座）。外壳的设计通过使用Solidworks进行静态负载仿真，并采用有限元方法（FEM），在刚度、材料使用和可打印性方面优化了机械强度和鲁棒性，从而最小化镜头/传感器与样品台之间结构连接的变形，避免视场发生明显偏移。

用户通过五个按钮进行输入，包括一个“电源”按钮、一个“确认”按钮、一个“返回”按钮以及两个用于导航菜单和缩放样本图像的“方向”按钮。血吸虫镜RP通过一块3.5英寸薄膜晶体管（TFT）显示屏（分辨率为320 × 480像素）向用户提供反馈，内容包括患者的诊断结果、算法检测到的样本中虫卵数量以及样本是否在焦。

4) 生产与维护：血吸虫镜RP的大多数组件，例如电子元件、紧固件和结构铝管，均为现成组件，可轻松通过阿里Express或类似的在线商店从中国订购。定制设计的部件包括血吸虫检测仪的外壳（采用3D打印）和印刷电路板。制造一台血吸虫镜RP的成本估计为125欧元（不含增值税及现成组件的运费）。

血吸虫镜RP的某些部件，例如玻璃样品区，需要在每次样本分析后或每天进行清洁，以去除感染尿液造成的交叉污染。其他部件也需要在一定时间后进行清洁，以去除进入设备的灰尘或霉菌。在设备过热或电子元件发生故障的情况下，可能还需要进行纠正性维护。当设备通过WiFi网络连接到互联网并开机时，可自动安装用于添加新功能和提升设备性能的软件更新。

B. 血吸虫镜SP

血吸虫镜SP（见图4）是一种基于智能手机的设计，其主要目标是生成样本的高分辨率图像。为实现所需的高分辨率图像，需要结合光学系统、对焦系统和样品臂。

1) 光学系统：血吸虫镜SP的光学系统由智能手机摄像头和安装在手机镜头与内部框架之间的倒置镜头组成，如图4所示。光源和位于光源上方10 mm处的磨砂透明亚克力扩散板构成了照明系统。该组合可实现样本上均匀光照。光学系统的分辨率取决于微物镜的数值孔径，数值孔径越高，分辨率越高。此外，视场对样本制备的设计有显著影响。互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器尺寸为4.8 x 6.4 mm，但由于镜头边缘分辨率降低导致图像边缘模糊，实际有效成像区域为4 x 6 mm。因此，样品膜的设计尺寸小于有效视场。

智能手机摄像头表面有一层用于保护的玻璃层，因此在摄像头与倒置镜头之间形成了3.68毫米的距离。这一距离使得倒置镜头与样本之间的间距减小至0.5毫米，从而限制了对焦机构的移动范围和步进，以及样本的位置。对焦机构负责执行沿倒置镜头轴线方向移动样品载玻片的高精度任务。该机构由三个主要部件组成：旋钮、螺纹和移动部件。其中螺纹是该系统的主要部件，因为它能够实现样本在垂直方向上的移动。旋钮容纳了螺纹的内螺纹部分。移动部件可在2毫米的距离内移动，其结构为中空，因此可容纳光源，并在其顶部固定扩散器。样品架为U形轨道，起到插入系统的作用，并用于固定样品载玻片。从对焦机构移动它的位置。

IV. 讨论

在两种血吸虫检测仪设计中，产品的三个子系统——结构体、光学系统和电子学——均得到了充分开发（如第三节所述），并且设备的构建实现了四个主要驱动因素：鲁棒性、本地生产潜力、直观性和卫生。

这两种原型设备在这些驱动因素下的性能总结见表I。

本项目的第一项目标是创建一个具有最佳照明和足够分辨率的单视场光学系统。血吸虫镜RP未能完全满足这一标准，因为虽然获得了单个视场（15毫米）图像并可识别埃及血吸虫卵，但作为这些虫卵特征性结构的末端棘刺却无法看清。此问题可通过采用高端配置解决，即使用无限远校正4倍物镜搭配200毫米镜筒和管镜，但这将使设备成本超过500欧元。一种更经济的替代方案是使用两个树莓派相机V2.1镜头，并将其中一个倒置，以提高数值孔径。然而，血吸虫镜SP所获得的图像质量已足以检测到埃及血吸虫卵的棘刺（见图6）。

第二个目标是准确对准摄像头传感器、镜头和样本，以确保产品正常运行，血吸虫检测仪的两种设计均满足了这一要求。然而，由于过滤过程中所用滤膜的表面积较小，尿液沉渣导致滤膜堵塞。该问题可通过使用具有更大表面积的标准滤膜来解决，但所设计的光学系统无法在一个视场内成像整个标准滤膜。因此，沿X轴和Y轴移动样本以获取多个视场将是更优的解决方案。

最后，这两种产品的设计均十分稳健，所用材料能够抵御尼日利亚农村的环境条件。血吸虫检测仪的最终设计由3D打印材料和现成采购的组件组成。然而，每台设备的各个组件3D打印耗时约40小时。采用激光切割模型将大大减少这一延迟。此外，血吸虫镜RP和血吸虫镜SP的单台生产成本分别为125欧元和480欧元。因此，血吸虫镜SP的价格是血吸虫镜RP的三倍。综上所述，若进一步开发，血吸虫镜RP将成为更适合的泌尿系统血吸虫病低成本诊断设备。

表I 血吸虫检测仪原型在主要设计驱动因素下的性能

主要驱动因素	血吸虫镜RP	血吸虫镜SP
鲁棒性	该结构体由提供稳定性的结构管材组成设计并保护电子元件。此外，带有风扇的位于产品底板的空气过滤器，用于散热电气元件，从而形成防尘产品。	内部框架、外壳及其肋条增强了强度和刚度。样品架采用钢生产以承受由研磨性清洁剂造成的磨损。设计中实现了较大的电力容量，可支持三天诊断而无需充电。
潜在本地生产	部件要么通过3D打印本地生产，要么直接购买现成的，因此，该产品可以以每个单位125欧元的成本轻松制造，损坏的部件可以重新打印或在当地更换。	使用了本地制造和现成的部件设计以及设备的单位成本为480欧元。该产品级组装降低了设备维护成本和时间，高效。
直观性	该设备设计时包含了多个使用提示，例如： ● 样本台底部的一个特定圆圈，用于辅助调焦旋钮上的正确放置 ● 投射在玻璃台上的光圈作为提示，指示正确放置样本的位置对齐 ● 按钮上的图标用于用户指引。	该设备具有使用提示，提示用户如何持握设备用双手以不同的方式固定以确保稳定性。此外，外壳中的两个滑动按钮具有彩色底座指示它们是开启或关闭以及图标指示功能。在周围添加了轻微的蓝色环圆形样本插入孔用于指示位置用户。
卫生	与尿液样本接触的组件易于可拆卸并单独清洗。组件也设计为圆润光滑，便于清洁。	白色是赋予产品卫生感的颜色。由于样品架的设计以及结构体上的孔，样本可以轻松插入，且无需触及其他部件。
数据传输	通过WiFi技术实现数据传输到云。	实时数据可以通过智能手机通过4G网络上传到云数据库。

V. 结论

该项目的目标是开发一种数字显微镜，通过智能算法（用于检测与定量虫卵）的支持，提供一体化诊断解决方案（样本制备与诊断），并可在撒哈拉以南非洲地区使用本地可获取的组件和3D打印技术进行生产和维护。该目标通过沿两条并行设计路径进一步开发血吸虫检测仪1.0来实现：基于树莓派和基于智能手机的血吸虫镜。设计中的三个主要组件组为结构体、光学系统和电子系统，为重点关注部分。两种血吸虫检测仪均能够拍摄过滤后的血吸虫卵的单个视场图像（见图6），并通过摄像头、传感器和镜头的光学校准实现成像。生产中使用的大部分材料均为3D打印，其余为现成可获取的组件，因此在损坏时易于更换。

在下一个设计路径中，由于树莓派设计具有更低的生产成本，将对其进行进一步开发。将采用具有更大表面积的标准滤光片，并结合多视场光学系统。为了降低生产成本，将探索使用激光切割技术进行设备的结构设计。此外，我们将对制备好的样本的成像和分析过程进行自动化，以便能够利用大样本量通过实验室显微镜实现验证。在实验室验证完成后，我们将基于标准伦理批准，在尼日利亚社区开始测试。