基于智能手機的顯微成像系統在寄生蟲診斷中的研究進展

余振芳，李云飛，羅 兵，羅心怡，耿東晛

（1.四川省分析測試服務中心，四川 成都 610015；2.四川省科學器材公司，四川 成都 610015）

引言

寄生蟲病每年會導致數百萬人患病或死亡，對人類健康和社會經濟造成了嚴重影響，這類疾病主要發生在發展中國家[1]。根據世界衛生組織（world health organization, WHO） 的數據，2021 年僅瘧疾就造成約61.9 萬人死亡[2]，被忽視的熱帶疾?。╪eglected tropical diseases, NTD）包括血吸蟲病、土壤傳播蠕蟲病、非洲錐蟲病、囊蟲病、淋巴絲蟲病等也影響著全球數百萬人[3]。準確、快速地診斷寄生蟲感染對有效防治寄生蟲病至關重要。然而，由于中低收入國家缺乏操作熟練的專業技術人員和專門的顯微鏡診斷設備，寄生蟲病的診斷因此受到嚴重影響[4-6]，導致寄生蟲病難以得到有效管理。

智能手機給現代社會帶來了巨大的便利和影響。它是一種先進的移動電話，具有一些突出的特點，如互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor，CMOS）緊湊型數碼相機，快速處理器、長效電池，可全球定位系統導航，互聯網接入等[5-7]。因為智能手機具有多個內置傳感器，如成像相機等，所以研究人員對開發不同類型的智能手機診斷設備表現出極大的興趣，并取得了一定的研究成果?；谥悄苁謾C的診斷設備在資源有限的地區尤其受到關注，有望成為用于各種診斷目的的昂貴實驗室儀器的替代品[5,7-8]。但基于智能手機的診斷設備在寄生蟲病診斷中的應用仍存在一定問題。本文綜述了智能手機顯微鏡的硬件開發及其在診斷寄生蟲病應用方面的研究進展，討論了它們在診斷寄生蟲病中所具有的優勢及面臨的挑戰。

1 基于智能手機的顯微鏡設備進行寄生蟲病診斷

近年來，有大量研究集中在用于寄生蟲病診斷的各種基于智能手機的診斷方法和設備的設計及應用。借助全球手機網絡覆蓋范圍的擴大，手機成像能力和計算能力的進步，可用于診斷寄生蟲病的簡單、高分辨率的診斷儀器正在快速出現?；诠鈱W設置，用于實現手機顯微鏡的技術可分為外部光學附件技術、透鏡設計分析技術和片上光學設計技術3 種，圖1 所示為不同技術的光學設置。

圖1 不同類型移動手機顯微鏡的光學設置Fig. 1 Optical set-up for different cell-phone microscopes

1.1 基于外部光學附件技術的手機顯微鏡

目前，大多數已報道的手機顯微鏡設計是基于外部光學附件技術，通常需要使用額外的硬件。硬件附件通常包括一個夾子式附件，用于將商用物鏡或低成本透鏡等硬件安裝到手機上。2009 年，美國加州大學伯克利分校研究人員[9]最早采用外部光學附件技術將便攜式顯微鏡安裝在手機上，制成亮視野手機顯微鏡。光學附件包含1 個數值孔徑（numerical aperture，NA）為0.85、60×消色差物鏡，1 個廉價的20×目鏡和白色LED 光源。該手持式顯微鏡系統使用標準物鏡和目鏡來實現標準放大，使用手機攝像頭來代替傳統顯微鏡系統中的人眼，其在無任何數字圖像處理技術下實現了1.2 μm 的空間分辨率，可用于（瘧疾和鐮狀細胞樣本的成像（見圖2（a）～（d））。盡管此設備展示了在瘧疾感染的血涂片的成像和分析中的應用，但受系統分辨率的限制，它無法識別薄涂片中寄生蟲的形態和物種，并且目鏡的NA 限制了非相干500 nm 波長光（綠色）的分辨率，因此它必須與標準物鏡結合使用。雖然可通過使用NA 更高的物鏡來提高圖像質量，以實現薄涂片中瘧原蟲形態和種類的辨別，但是由于此裝置需要將一個標準顯微鏡連接在手機上，導致該裝置很笨重[10-12]。并且由于手機內置鏡頭的直徑小于人眼瞳孔的平均直徑，從而減小了系統的數值孔徑和可實現的分辨率。2011 年，Zhu 等[13]開發了一種基于智能手機的大視場熒光成像系統，用于分析藍氏賈第鞭毛蟲囊腫。該系統采用電池驅動的發光二極管作為光源，用于激發位于外置透鏡焦點處的樣本，外置透鏡充當準直鏡。相機聚焦在無限遠處，將樣本重新成像在傳感器上?；趬嚎s采樣理論對捕獲的圖像進行數字信號處理來提高分辨率。該裝置可對體積超過0.1 mL 的樣本進行成像，適用于檢測和定量血液或其他樣本中的低濃度病原體或稀有細胞。利用含有標記的藍氏賈第蟲囊腫作為病原體的樣本來探索其在水質監測中的潛在應用。該顯微鏡能夠以高特異性和靈敏度來對大樣本量快速成像，從而有望成為用于水質監測的一種很有前途的工具。2015 年，D’ambrosio 等[14]設計了一種智能手機的視頻顯微鏡，使智能手機顯微鏡并不局限于靜態成像。該顯微鏡使用單個微絲蚴運動而不是通過分子標記或染色形態學來計數全血樣本中的Loa loa 微絲蚴。統計分析表明，該方法的假陰性率為千萬分之一，可以忽略不計[5]。該設備被稱為Cellscope Loa，它使用一個反轉的iPhone 5s 相機鏡頭與一個iPhone 5s 手機相機用于成像。在該系統中，反轉的相機鏡頭充當物鏡，而相機鏡頭充當筒鏡。樣品放置在物鏡前焦點處，成像于位于筒鏡后焦距處的傳感器上。該設備使用智能手機對未經處理的血液樣本進行視頻成像，并使用微絲蚴自動定量算法對樣本進行分析，最終結果在2 min 內通過應用程序顯示出來。與手工計數相比，該設備在33 名潛在Loa loa 感染患者的厚血涂片中顯示出高靈敏度和特異性，表明其具有現場篩查寄生蟲感染的潛在應用價值。雖然該系統具有成本低，視場大，像質高的優點，但也存在分辨率低等問題。這種智能手機視頻顯微鏡有可能用于寄生蟲的快速現場診斷，同時因為它夠表征寄生蟲的運動模式，也可用于寄生蟲和寄生蟲幼蟲階段的辨別。2017 年，Bogoch 等[15]介紹了一種基于手機的血吸蟲感染顯微鏡，并在加納一所農村學校進行了測試。該設計采用了一個3D 打印的光機附件，并與智能手機結合。該附件包括用于樣本均勻照明的2 個擴散片、1 個定制設計的顯微鏡載玻片托盤、1 個外置透鏡、2 個作為照射光源的白光發光二極管以及2 節用于驅動光源的電池。在該系統中，外置透鏡安裝在距樣本1 倍焦距處，用作準直鏡。相機聚焦在無限遠處，將樣本重新成像到傳感器上。他們還將該設備與奧林巴斯CX21FS1-5 顯微鏡（10×和20×物鏡）進行了性能比較。研究結果顯示，手機顯微鏡靈敏度適中。盡管該裝置的靈敏度僅為72.1%，但其特異性和陽性預測值為100%，研究中沒有出現假陽性[5,16]。2015 年，Pirnstill 等[17]將手機制成了高質量、低成本的移動光學偏振成像設備（見圖3（a））。該設計是基于暗場顯微鏡和交叉偏振顯微鏡的傳統瘧疾的診斷方法，利用具有雙折射效應的瘧色素對比度增強實現瘧疾診斷。瘧色素作為瘧疾生物標志物，是瘧原蟲消耗血紅蛋白的結晶產物，可在受感染的血液樣本中檢測到不同的數量。在檢測瘧疾時，偏振顯微鏡的檢測靈敏度大約是傳統光學顯微鏡的2 倍。該系統由2 個偏振片（用于偏振成像）、LED 光源和廉價的塑料透鏡構成的附件組成，通過將塑料透鏡放置在iPhone 背面相機的焦點處，可實現40×到100×的放大率。這種配置類似于經典的無限共軛顯微鏡設計。在該系統中，廉價的塑料透鏡組件充當物鏡，而相機鏡頭充當筒鏡。樣品放置在物鏡前焦點處，則在筒鏡后焦距處重新成像到傳感器上（圖3（b））。然而，由于廉價塑料透鏡的使用，該設備的分辨率低于參考臺式顯微鏡，存在場曲和其他附加像差。該團隊利用這個系統進行了瘧疾的亮場和偏振成像（圖3（c）～（d）），研究結果表明，使用非偏振圖像，在紅細胞重疊區幾乎不可能區分感染的紅細胞和單個紅細胞。而交叉偏振光方法卻能突破這一限制，其圖像可清楚地顯示樣品中瘧色素的存在，其分辨率與參考偏振顯微鏡的圖像相似。但是該系統無法對早期環狀滋養體進行成像，這是由于瘧色素是在瘧原蟲環狀體的后期形成[5,12,18]。2019 年，Snow等[19]采用外部光學附件技術研制了一種便攜式、經濟高效的熒光顯微鏡，用于現場樣品檢測。其光學附件包括1 個焦距為5 mm 外透鏡、長通濾波片、LED 光源和用于驅動光源的電池。在該系統中，外透鏡充當物鏡用于放大，手機后置攝像頭充當筒鏡將放大的樣本圖像重新成像到傳感器上。他們還開發了一個Android 應用程序，其將捕獲的圖像發送到分析服務器上，以便使用定制圖像處理算法自動檢測和計數圖像上的孢子數。該程序可在2 min 內完成圖像處理，并將孢子計數結果發送回手機屏幕上。研究結果表明，該設備的檢測極限計算為每只蜜蜂0.5×106個孢子，而陽性感染的孢子濃度極限趨于1×106個。這種簡單的寄生蟲計數方法可使蜂群免受抗生素過度使用及其相關負面影響。但是，它也存在一些局限性，如不能區分檢測Nosema 孢子的種類，或無法在其生命周期的任意階段看到寄生蟲的所有形態以便進行更深入的研究。2019 年，Priya 等[20]提出一種新方法，通過一種低成本的離心機，以125 000 r/min 的速度在1.5 min 內分離血液成分，然后用智能手機顯微鏡對血樣進行顯微成像，從而實現低成本的瘧疾診斷?；谕獠抗鈱W附件技術，將1 個1 mm 的球透鏡安裝到智能手機上。在該系統中，球透鏡作為物鏡用于放大，相機作為筒鏡將樣本重新成像到傳感器上。由于球透鏡的使用，系統捕獲的圖像存在失真、散焦，具有高噪聲比和強度變化。為了提高圖像的質量，他們采用OpenCV庫來獲得均勻的背景并采用背景減法運算來降低噪聲。但是當顏色在特定范圍內時，該軟件會過濾掉致病細胞，并在進行細胞計數時不考慮細胞的大小和形狀。2020 年，Hasselbeck等[21]采用倒置的智能手機相機鏡頭和聚焦機械結構構建了一種基于智能手機的低成本顯微鏡，用于診斷如瘧疾等疾病。在該系統中，倒置的智能手機相機鏡頭安裝在距樣本1 倍焦距處，充當準直鏡，而相機聚焦在無限遠處，將樣本重新成像到傳感器上（圖3（b））?；谠撛碓O計的手機顯微鏡的放大倍數由物鏡的焦距與相機透鏡焦距之比決定。相比于傳統顯微鏡，由于該系統中使用的2 個透鏡的焦距在相同的數量級，使得其分辨率受到限制，從而可能導致其在特異性和敏感性方面的診斷不太可靠?；诠鈱W附件技術設計的智能手機顯微鏡需要在手機上安裝額外的硬件附件來實現顯微鏡成像。這種方法的局限性在于此類設備體形龐大，并且不同手機型號需要不同附件[5,10,16]。2021 年，四川省分析測試服務中心Yu 等[22]采用外部光學附件技術，將手機制作成一個大視野明場顯微鏡，用于瘧疾和缺鐵性貧血細胞樣本的成像（圖4（a）～（c））。該光學附件包含1 個微型平場消色差透鏡和1 個iPhone手機白屏作為光源。在該成像系統中，外置透鏡作為物鏡用于放大，相機內置透鏡聚作為筒鏡將樣本的像重新成像到傳感器上（圖4（d））。盡管該系統具有對缺鐵性貧血樣本和瘧疾感染的血涂片樣本進行成像和分析的能力，但采用iPhone白屏作為照明光源增加了儀器的成本和重量，并且系統可實現的分辨率無法識別瘧原蟲的形態和種類。因此，需要進一步降低成本，提高系統的分辨率以滿足在發展中國家現場診斷寄生蟲疾病的需求。

圖2 手機顯微鏡的光學結構圖、示意圖和樣本圖Fig. 2 Mobile phone microscope optical structure and sample images

圖3 移動手機偏光顯微鏡的原型、示意圖及樣本圖Fig. 3 Mobile-optical-polarization imaging device prototype and sample images

圖4 手機顯微成像裝置結構圖、示意圖和樣本圖像Fig. 4 The designed cell-phone based microscope structural diagram and sample images

1.2 基于透鏡設計技術的手機顯微鏡

基于外部光學附件技術設計的智能手機顯微鏡需要一個定制設計的附件，用于將包括標準顯微鏡或低成本單透鏡等硬件連接到手機上。當需要成像功能和其他高級功能時，通常需要將智能手機連接到具有多個光學元件的指定系統，甚至連接到標準顯微鏡[9]。雖然這種類型的設計基本具備了傳統臺式顯微鏡的全部功能，但往往會導致成本高，設計復雜。為了避免以上缺點，透鏡光學設計技術提供了一種相對簡單且低成本的替代方案，可產生與其他報道的基于智能手機顯微鏡系統相當的分辨率，即采用將折射元件如球透鏡直接安裝在智能手機攝像頭上，可獲得一個強大的手持式顯微鏡，用以識別寄生蟲（圖1（c））。該光學系統的空間分辨率和視場（field-of-view，FOV）依賴于透鏡尺寸，較小的透鏡具有較大的空間分辨率，但提供的FOV 較小，反之亦然[6]。2013 年，Bogoch 等[23]通過在智能手機攝像頭上安裝1 個3 mm 的球透鏡，構建了1 個手持式顯微鏡，并用它來識別學齡兒童尿液和糞便樣本中的土壤傳播蠕蟲和血吸蟲卵（圖5）。他們采用雙面膠將球透鏡臨時安裝在手機攝像頭上，并用雙面膠將顯微樣本粘在膠帶上，膠帶上有一個孔來放置球透鏡。樣本與球透鏡之間的距離大約為1 mm。與傳統顯微鏡相比，該系統取得了中低等的結果，且產生的圖像質量較差，這是由于使用的球透鏡導致了圖像畸形失真。盡管該設備顯示出中低等的靈敏度和特異性，且FOV 較小，但它確實是一種廉價的便攜式顯微鏡。隨著靈敏度的提高，此設備可滿足發展中國家現場診斷土壤傳播蠕蟲疾病的需求[24]。為了進一步提高基于透鏡設計技術的智能手機顯微鏡的分辨率，Switz 等[25]通過在智能手機的攝像頭上安裝一個倒置的手機相機鏡頭模塊，在大約10 mm2的大視場范圍內實現了分辨率≤5 μm，從而獲得了糞便樣本中土壤傳播蠕蟲卵的高質量圖像。寄生蟲卵成圖像的一個主要問題是它們在三維平面中的不同焦深處的散射。 Sowerby 等[26]通過在智能手機攝像頭上安裝一個12 mm 的雙凸透鏡對蛔蟲卵進行成像，并利用ImageJ 軟件將不同焦深的圖像組合成了擴展的復合景深圖像來解決這個問題。通過顏色、形狀和大小將蛔蟲卵與其他漂浮物體區分開來。盡管該系統比傳統顯微鏡揭示的內部細節更少，但該系統為線蟲卵的單視場復合景深圖像和早期診斷提供了足夠的分辨率。2018 年，Agbana 等[12]開發了一種低成本、高分辨率的基于智能手機的光學成像設備，并用它來檢測Giemsa 染色的細胞。他們在2 片箔片中安裝一個球透鏡，并用透明膠帶將其固定在手機攝像頭上，使用LED 燈作為照明光源。研究表明，采用直徑為0.5 mm 的球透鏡可實現8.5×放大倍數，有利于瘧疾寄生蟲的形態鑒別。雖然該系統具有成本低、分辨率高等優點，但存在視場小，圖像質量差等問題。Shrestha 等[27]開發了一種基于智能手機的顯微鏡，該顯微鏡由一個直徑為1 mm 藍寶石球透鏡、球透鏡和手機攝像頭之間的鋁制安裝板以及白色發光二極管作為光源組成。該智能手機顯微鏡可同時對蔬菜和水樣本中的賈第鞭毛蟲和隱孢子蟲囊腫進行成像和量化。但是該系統存在FOV 和放大率依賴于球透鏡的尺寸，圖像中心區域比外圍區域更清晰等問題，這是由于使用藍寶石球透鏡作為主要成像元件造成的。但基于智能手機的顯微鏡可作為預篩查水和蔬菜中的隱孢子蟲和賈第鞭毛蟲的一種廉價的替代工具來替代價格昂貴，體積龐大的傳統顯微鏡，但其對藍氏賈第鞭毛蟲檢測的特異性需進一步提高。綜上，基于外置透鏡技術的智能手機顯微鏡具有設計方法簡單、便攜、成本低而且無需持續供電等特點，這有助于其成為世界上資源受限地區寄生蟲現場診斷的診斷工具。然而，設備的成像性能（如分辨率、放大倍數等）受到透鏡質量（如像差）的限制，并且在光路中也很難加入實現如熒光顯微鏡等功能所需的其他組件[4,10]。

圖5 3 mm 球形透鏡的智能手機顯微鏡的原理圖與實物圖[24]Fig. 5 Schematic diagram and prototype of mobile phone microscope using a 3 mm ball lens[24]

1.3 基于片上光學設計技術的智能手機顯微鏡

使用傳統物鏡和目鏡的手機顯微鏡體積龐大且笨重。為了研制一種基于手機的手持式微型顯微鏡，提出了一種省去諸如傳統透鏡之類的龐大而笨重的光學元件的全息方法，為手機顯微鏡提供了一種緊湊而輕便的附件。2010 年，Tseng等[28]采用片上光學設計技術研制了一種全息顯微鏡用于識別藍氏賈第鞭毛蟲（圖6 所示）。他們使用電池供電的LED 燈垂直照射樣品，對樣品進行部分非相干照明，其中樣品是從側面機械加載的。樣品散射和折射的光與未散射的光干涉產生了樣本中每個細胞的在線全息圖，然后由嵌入手機中的傳感器進行記錄。再通過迭代全息重建算法獲得樣本的振幅和相位圖像。照相手機上的傳感器芯片在每個像素都有濾色器，這種濾色器被稱為拜耳模式，能夠捕捉全息圖的顏色信息。全息顯微鏡出現的問題之一是，并非所有像素在準單色照明下都能接收到足夠的光，因此會導致全息圖像的失真。在對細胞進行全息重建之前，他們通過將拜耳圖像轉換為單色等效圖像來克服這一問題，實現了1.5～2.0 μm 的空間分辨率。為了將智能手機轉換成全息顯微鏡，需要對硬件進行重大修改，如定制一個全息成像平臺來代替嵌入手機中的透鏡[6,12,16]?；谄瞎鈱W設計技術可以實現更緊湊的設計，并消除光學校準的需求[16,29]。此外，與傳統顯微鏡技術相比，這種技術允許FOV 和分辨率之間的關系解耦，這是由于沒有鏡頭來限制數值孔徑，從而可在不犧牲系統分辨率的情況下顯著改善成像的視場[6,11,16]。 他們使用該系統對紅細胞和白細胞進行成像并檢測血涂片上是否存在寄生蟲[30]。但所獲圖像無法實時查看，通常需要功能強大的臺式電腦或云端對獲得的全息圖進行計算，從而將原始全息圖進行重建合成轉換為顯微圖像[11-12,16,26,31]，并且圖像的空間分辨率受到CMOS傳感器像素大小的限制[32]。更重要的是，此全息顯微鏡需要將樣本直接放置在傳感器上，這需要拆除相機模塊以移除內置鏡頭[6,11-12,16]，使得其在標準載玻片上制備的樣品和生物組織在成像中的應用存在困難，且使用后需要對傳感器進行清潔。這些弊端阻礙了基于片上光學設計技術的智能手機顯微鏡在寄生蟲診斷應用中的發展。

圖6 基于手機的無透鏡全息顯微鏡設備原理圖及原型[28]Fig. 6 Lens-free on-chip holographic microscope optical setup and prototype [28]

2 討論和展望

調查了基于智能手機的顯微鏡在寄生蟲診斷領域的最新發展和應用，探討了它們的優勢、局限性及未來發展的需求?；谥悄苁謾C的顯微鏡有可能取代傳統昂貴的實驗室顯微鏡，尤其是在資源有限的地區或需要快速現場檢測各種樣本的地方?；谥悄苁謾C的顯微鏡設備的主要優勢是成本低，廣泛可用和現場診斷潛力，這非常適用于資源有限地區的寄生蟲病的有效管理。由于具有足夠的靈敏度且成本低，基于智能手機的顯微鏡設備在寄生蟲的初步檢測中顯示出巨大的潛力。智能手機顯微鏡設備成功應用的案例包括檢測瘧疾、血吸蟲和土壤傳播蠕蟲等寄生蟲病，這些疾病對生活在傳統診斷手段有限的環境中的人們造成了極大的危害。盡管智能手機在光學顯微鏡領域取得了巨大進展，但在成為實驗室設備的商業替代品之前，它仍然存在一些困難需要去克服，如驗證這些設備的診斷操作特性、耐用性等。盡管存在這些挑戰，智能手機顯微鏡設備仍有潛力來滿足寄生蟲病高發的發展中國家的巨大診斷需求。未來的研究有必要探索這些設備的可用性，尤其是在野外環境中，它不僅適用于寄生蟲病，也適用于其他微生物疾病的診斷。預計在不久的將來，基于智能手機的顯微鏡診斷設備將被廣泛采用，用于寄生蟲病的快速診斷。在智能手機上實現光學顯微鏡功能的根本難題之一是在大視場上實現高分辨率。使用透鏡的智能手機顯微鏡可以配備常規顯微鏡中使用的物鏡/目鏡、球透鏡以及倒置手機相機透鏡。配備傳統物鏡/目鏡組合的手機顯微鏡可獲得高分辨率的圖像，但設備體積龐大，FOV 有限，相比配備球透鏡、倒置手機相機透鏡的成本更高。相比之下，配備球透鏡的手機顯微鏡更便宜、更緊湊，但它們產生的圖像具有顯著的像差，導致圖像質量降低。球透鏡和傳統顯微鏡物鏡無法有效地將光線耦合到手機攝像頭設計可接受的廣角視場中。并且采用低成本球透鏡的顯微鏡系統的FOV 有限，這是由于球透鏡產生嚴重的場曲和球面像差所導致的。另一方面，當傳統顯微鏡的目鏡被設計用于廣角視場[25]，這種目鏡的NA 限制了非相干綠光的分辨率，因此不能單獨應用，而必須與標準物鏡結合使用，這導致該組件比球透鏡顯微鏡更為笨重。此外，這些目鏡比球透鏡更貴，最便宜的目鏡可提供的全角視場遠低于手機攝像頭可接受的視場。因此，使用物鏡結合目鏡設計的智能手機顯微鏡獲取的圖像不能覆蓋整個圖像傳感器，從而降低了FOV。相比之下，倒置的手機相機鏡頭與相機鏡頭本身更匹配，能夠覆蓋整個圖像傳感器，并能有效地增加FOV。與傳統顯微鏡目鏡相比，手機相機鏡頭模塊生產成本更低，像差校正效果更好[11,25]?；谕哥R設計和實現的智能手機顯微鏡面臨著分辨率和FOV 之間的權衡，而無透鏡全息方法可以在較大視場上實現高分辨率圖像，盡管這需要對手機成像硬件進行侵入性修改并對原始全息圖進行全息重建獲得樣本圖像，但和只能對樣本的強度進行成像的非相干顯微鏡系統相比，全息成像方法可顯示樣本的振幅和相位信息。但全息方法需要受檢樣本相對接近圖像傳感器，導致全息方法無法對標準載玻片上制備的樣本進行成像。雖然研究人員已經開發了一些技術來增加FOV 和提高分辨率，但進一步增加FOV 需要減少限制分辨率的人為因素，如像差等。

智能手機顯微鏡已成功應用于檢測瘧疾、血吸蟲病和土壤傳播蠕蟲等寄生蟲病。然而，在使用和擴大智能手機顯微鏡技術之前，仍有幾個問題需要解決：（1）在實際應用條件下，缺乏對這些設備的準確性及其性能的有限臨床驗證，這是智能手機顯微鏡的主要問題[8]。在過去十幾年里，有許多智能手機顯微鏡的相關報道，但大多數報道側重于顯微鏡的光學性能和制造方法，而不是評估這些設備在現場條件下對真實的臨床樣本進行測試的性能。這是由于大多數的研究都是在控制良好的實驗條件下進行的，而不是由在日常公共衛生實踐中使用這些設備的人在實際應用條件下對這些設備進行驗證評估。如果這些設備應用于少資源地區，研究人員應該充分評估它們由非技術人員操作時檢測結果的準確性。如果不在真實環境中測試其應用，則無法確定可能存在的缺陷。因此，如果研究目標是實現一個標準和實用的系統，未來的研究則需要進一步的實際應用來檢查和驗證所開發系統的功能。（2）與傳統的光學顯微鏡非常相似的智能手機顯微鏡應該能夠進行廣泛的診斷，而不是僅適用于單一疾病診斷，如瘧疾診斷[12,16]。（3）盡管智能手機顯微鏡可以成為臺式顯微鏡的經濟高效且便于使用的替代品，但在資源有限的地區和現場分析時，樣本的手動處理和顯微鏡載波片的制備等問題仍有待解決。（4）智能手機電池容量有限是其在醫療設施中現場布署的一個主要瓶頸，但這可以通過汽車電池或太陽能的移動充電設備來解決[11]。（5）在大多數情況下，每種手機顯微鏡設計具有獨特性，僅針對特定品牌和型號的智能手機，這會導致定制的附件或平臺與其他品牌不兼容。這個問題可能會限制智能手機顯微技術在資源有限地區的使用及商業化。因此，需要開發一種適用于各類智能手機的附件，附件里放置智能手機相機前面的透鏡的位置可以改變。（6）盡管智能手機顯微鏡可以成為取代臺式顯微鏡的經濟高效且友好的替代品，但其圖像質量使檢測更加困難。在某些情況下，需要專家來分析詮釋顯微鏡圖像以幫助提高和保證手機顯微鏡技術的可用性和質量。人們利用手機互聯網向寄生蟲學家和實驗室發送圖像，然后將這些原始圖像與成像質量更好、更清楚的參考圖像進行比較，以便能夠快速評估和反饋?；蛘呤褂脤ｉT的算法和軟件來自動分析圖像，從而提高圖像質量和檢測速度。在某些情況下可使用更簡單的軟件，如ImageJ 和Photoshop，但在可能的情況下可使用更先進的技術，如MATLAB 或Python 等匯編語言，甚至使用人工智能（artifcial intelligence，AI）[33-35]。開發自動檢測算法應用于診斷寄生蟲，不僅能布署更多經驗不足的實驗室技術人員來緩解資源有限地區熟練勞動力的短缺，也可以提高寄生蟲檢測的準確性以及提高檢測速度。近年來，圖像處理技術和機器學習技術已開始被用于于寄生蟲診斷，如瘧疾等?？偠灾?，在資源有限地區，盡管基本醫療設施不足，但利用人工智能開發寄生蟲自動檢測的專門算法，為智能手機顯微鏡技術廣泛應用于準確快速地診斷寄生蟲病提供了可能。

3 結論

本文主要介紹了基于外部光學附件、透鏡設計和片上光學設計這3 種方法設計的智能手機顯微鏡的光學結構以及其在寄生蟲診斷領域中的應用研究進展，討論了它們的優點、局限性及未來發展的需求。盡管智能手機顯微鏡已被成功應用于檢測瘧疾、血吸蟲和土壤傳播蠕蟲等寄生蟲病，但在使用和擴大智能手機顯微鏡技術之前，仍存在一些困難需要克服?；谥悄苁謾C的顯微鏡診斷設備的主要優勢是低成本、廣泛可用性和現場診斷潛力，在資源有限的地區，該設備非常適用于寄生蟲病的有效管理。作為一項新興技術，基于智能手機的顯微鏡設備面臨著缺乏實際應用條件下的驗證、持久性等挑戰。盡管存在這些挑戰，這些設備仍有滿足寄生蟲病高發的發展中國家的巨大診斷需求的潛力。未來的研究有必要探索這些裝置的有用性，尤其是在野外條件和臨床環境中驗證其檢測準確性，使其不僅適用于寄生蟲病，也適用于其他微生物疾病的診斷。預計在不久的將來，基于智能手機的顯微鏡設備將被廣泛應用于寄生蟲病的快速診斷。