GS Bahram Javidi. Giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ thống Hình ảnh và Cảm biến Quang học Đa chiều tại Đại học Connecticut ở Storrs cùng các đồng nghiệm đã phát triển một Hệ thống xét nghiệm với kính hiển vi ba chiều kỹ thuật số, có thể được khai thác sử dụng ở những khu vực thiếu cơ sở chăm sóc sức khỏe hoặc trong các bệnh viện có phòng thí nghiệm, tồn đọng quá nhiều xét nghiệm.

Đồng phát triển thiết bị là Tiến sĩ Bruce T. Liang, Timothy O'Connor và Tiến sĩ Jian-Bing Shen. Liang là trưởng khoa y trường đại học, O'Connor là sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật y sinh và Shen là bác sĩ tại trung tâm y tế trường đại học.

Các nhà nghiên cứu công bố những phát hiện ban đầu trong một bài báo có tiêu đề, "Học sâu về hình ảnh ba chiều kỹ thuật số về tế bào hồng cầu cho Sàng lọc di động, nhanh chóng Covid-19 tại hiện trường," xuất bản trên tạp chí Quang học của Hiệp hội Quang học số ra ngày 15/5.

 Nguyên lý thiết bị: Ánh sáng từ diode laser chiếu sáng các tế bào hồng cầu, sau đó được phóng đại bởi thấu kính của kính hiển vi. Tấm kính tạo ra phản xạ từ cả mặt trước và mặt sau của nó. Hai chùm tia phản xạ tự giao thoa tạo thành hình ba chiều kỹ thuật số.

Ánh sáng từ diode laser chiếu sáng các tế bào hồng cầu, sau đó được phóng đại bởi thấu kính của kính hiển vi. Tấm kính tạo ra phản xạ từ cả mặt trước và mặt sau của nó. Hai chùm tia phản xạ tự giao thoa tạo thành hình ba chiều kỹ thuật số.

Javidi, trong cuộc phỏng vấn với The Institute cho biết, dự án xuất phát từ mong muốn ngăn chặn sự lây lan của coronavirus ở các khu vực châu Phi, châu Á và những vùng có nguồn lực hạn chế.

Ông nói: “Tôi muốn nhanh chóng xét nghiệm virus từ một giọt máu bằng giải pháp sử dụng công nghệ, có khả xác định bệnh nhanh chóng, di động và giá thành chấp nhận được”.

Nhóm nhà nghiên cứu đã đáp ứng được mục đích này. Hệ thống sử dụng các linh kiện giá rẻ, có thể dễ dàng mua ngoài thị trường, một camera, một diode laser, một thấu kính hiển vi, một tấm kính phản xạ và cảm biến hình ảnh CMOS. Phần thân của kính hiển vi được chế tạo, sử dụng máy in 3D.

 Thiết bị xét nghiệm máu phát hiện lây nhiễm Covid-19 của nhóm nghiên cứu GS Bahram Javidi.

Một số bệnh có thể làm thay đổi tế bào hồng cầu của con người. Javidi, không phải là bác sĩ, tự hỏi tình huống này có xảy ra với coronavirus hay không. Ông cho rằng: “Các dấu hiệu sẽ rất nhỏ - ở cấp độ nano, nhưng có những thay đổi trong tế bào hồng cầu.

Ông trao đổi nhận thức này với các bác sĩ tại trung tâm Y tế UConn. Các nhà huyết học nghiên cứu Covid-19 cho biết, có những thay đổi trong tế bào máu của bệnh nhân, như mức hemoglobin và hematocrit thấp hơn đáng kể.

Ngoài ra, đối với các bệnh nhân dương tích với Covid-19, tế bào máu có những thay đổi hình thái học. Những nghiên cứu gần đây với bệnh nhân Covid-19 nhận thấy sự khác biệt mang tính thống kê về kích thước và hình dạng của những tế bào hồng cầu, đặc biệt ở những người bị nhiễm virus nặng.

Nhóm nghiên cứu của Javidi quyết định ứng dụng kính hiển vi ba chiều kỹ thuật số, được sử dụng trong chụp ảnh tế bào, phân loại tế bào và xác định bệnh tật. Kính hiển vi 3D kỹ thuật số “DHM” hoạt động không có vết, khả năng tái lấy nét kỹ thuật số và chỉ chụp một lần, là một công cụ rất mạnh để điều nghiên các mẫu sinh học.

Công nghệ này có độ phân giải dọc tốt, cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về hình thái tế bào. DHM sử dụng phần mềm máy tính để xử lý phần lớn hình ảnh, nên rất dễ sử dụng. Công nghệ DMH được sử dụng để xác định bệnh sốt rét, bệnh tiểu đường, bệnh thiếu máu hồng cầu hình liềm và rất nhiều bệnh khác thông qua các mẫu máu.

Trong kính hiển vi ba chiều của nhóm nghiên cứu, ánh sáng từ diode laser đi qua mẫu máu và sau đó được phóng đại bởi một thấu kính và đập vào một tấm kính phản xạ nghiêng. Một phần ánh sáng phản xạ từ mặt trước của tấm kính và một phần từ mặt sau, tạo ra hai bản sao ánh sáng truyền qua mẫu máu.

Hiệu ứng này tạo ra một hình ba chiều, được cảm biến hình ảnh CMOS ghi lại. Thuật toán máy tính sẽ làm việc với hình ảnh ba chiều để tạo lại cấu hình 3D của tế bào mẫu máu. Bằng kỹ thuật số, cấu hình các tế bào riêng lẻ được tái tạo từ hình ảnh ánh sáng truyền và tương tác qua mẫu máu, sau đó được đưa vào mạng Học sâu để phân loại.

Do không có đặc điểm nào của tế bào máu là dấu hiệu của sự lây nhiễm, nhóm nghiên cứu đã đo một số đặc điểm khác nhau và đưa dữ liệu này vào mạng Học sâu để phân loại.

Nhóm Javidi phối hợp với các bác sĩ tại trung tâm y tế của trường đại học để lấy mẫu máu. Nghiên cứu đã thử nghiệm hơn 1.400 tế bào hồng cầu, 840 tế bào trong số đó của 10 bệnh nhân có kết quả xét nghiệm dương tính với vi rút, 630 tế bào của 14 nhân viên y tế có kết quả âm tính. Hệ thống kính hiển vi phát hiện được 80% bệnh nhân có vi rút và 13 trong số 14 nhân viên y tế không có vi rút.

Theo ông Javidi, những kết quả ban đầu rất khả quan, nhưng cũng có những hạn chế đối với nghiên cứu. Hiện chưa rõ hiệu quả trong xét nghiệm để phát hiện sớm lây nhiễm, do các mẫu được lấy từ những bệnh nhân, lây nhiễm virú ở mức độ trung bình. Kết quả ban đầu cho thấy cần phải tiếp tục xét nghiệm các mẫu máu của bệnh nhân Covid-19 các cấp độ khác nhau, đồng thời cả nhưng nhóm bệnh nhân bên ngoài nước Mỹ để mạng lưới Học sâu có nhiều cơ sở dữ liệu cho xét nghiệm. GS Javidi cũng hy vọng có được nguồn tài trợ từ Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ và có các cộng tác viên nước ngoài.