On-Chip Imaging of Schistosoma haematobium Eggs in Urine for Diagnosis by Computer Vision

Peer reviewe

Verkkokurssin rakenne ja käytettävyys

Tutkimuskohteenani verkkopohjaisen, neljästä verkkokurssista muodostuvan markkinoinnin sivuainekokonaisuuden toteutus, joka koostuu neljästä verkkokurssista. Tutkimuksessa tarkastelen kurssien rakennetta ja käyttöliittymää. Tutkimus on käytettävyystutkimus, jossa käsitellään verkkokurssin käytettävyyttä, käyttöliittymää, toteutustapoja, rakennetta ja toimintatapoja verkkokurssilla. Tutkimuksessa vertailen opettajan ja opiskelijan roolien muutosta perinteisessä ja verkko-oppimisympäristössä. Perehdyn yleisesti oppimisteorioihin, hypertekstiin, käyttöliittymään ja verkkopohjaisiin oppimisympäristöihin liittyviin käsitteisiin. Verkkokurssin käyttöliittymää tarkastelen 4 näkökulmasta: graafinen ulkoasu, rakenne, käytettävyys ja ohjeet. Tarkastelen myös käyttäjien erilaisuuden ja yksilöllisten ominaisuuksien vaikutusta verkkokurssin suunnitteluprosessiin. Tutkimusaineistona käytettiin opiskelijoiden täyttämiä kyselylomakkeita ja kurssin aikana saatua palautetta. Opiskelijoille lähetettiin kurssin alussa kyselylomake, joka kartoitti heidän valmiuksiaan ja odotuksiaan, ja kurssin lopussa toinen, joka kartoitti kurssin toimintatapojen toimivuutta, ongelmia, rakennetta ja käytettävyyttä. Tutkimuksen tulokset ovat olleet hyvin positiivisia: verkkokurssit ovat hyvä vaihtoehto perinteiselle lähiopetukselle, ne lisäävät joustavuutta, vapautta aika- ja paikkasidonnaisuudesta, yksilöllisyyttä ja itsenäisyyttä. Opiskelijoiden osaamisen ja kokemusten hyödyntäminen ja huomioiminen suunnittelussa antavat edellytykset luoda toimiva kurssikokonaisuus, joka ei vaadi käyttäjältään teknistä osaamista ja edistää oppimista. Opiskelijalähtöisyyden säilyttäminen kurssisuunnittelun perustana luo edellytykset luoda toimiva ja opiskelijoiden tarpeita vastaava verkkokurssi.fi=Kokotekstiversiota ei ole saatavissa.|en=Fulltext not available.|sv=Fulltext ej tillgänglig

A direct microlens array imaging system for microscopy

Abstract This work presents the development of a new optical imaging system. Previous objections have claimed that it is easier to build a single good quality field lens than a large number of good microlenses and it is therefore better to use a field objective. The possible benefits from a field lens are here traded for a more compact and cost-efficient design that would be suitable for field diagnostics. The new imaging setup described in this work is based on a microlens array capable of capturing light field data and no other refractive optics are used. Hundreds of lenses with a diameter range 100 to 200 µm are used to capture small elementary images containing a small part of the sample. The design uses a single light source aperture enabling signal separation between the elementary images from the neighboring lenses. Prior art uses, for example, physical structures behind lenses for signal separation, making the suggested approach less complex. Further, the possibility for using printed microlens arrays for imaging instead of expensive glass lenses is studied. The captured light field data consisting of elementary images must be rendered for human viewing. A new method is developed where the rendering is based on gathering the resulting pixel values on a plane set freely in object space, enabling single pass rendering with possibilities to apply statistics to the contributing data improving the rendering quality. Commonly used projection or mosaicing based integration approaches do not allow this. The developed system has its resolution limited by the camera sensor pixel size and objects a few micrometers in size can be resolved. The results show that the imaging setup can be used to capture semi-microscopic images without expensive magnifying optics and it is useful in selected applications. For example, it is shown that the eggs of parasites causing Schistosomiasis can be detected automatically in a microscope sample. It is estimated that the system could be mass produced at low cost. The new system has no moving parts making it less susceptible to mechanical failures and it is compact in comparison with conventional microscopes. It could be a part of a point of care solution needed in diagnostic fieldwork.Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa kuvataan ja tarkastellaan uutta mikrolinsseihin perustuvaa mikroskooppista kuvantamismenetelmää. Aiemmin mikrolinssejä on käytetty tavanomaisten mikroskooppien ominaisuuksien laajentamiseen. Tässä työssä perinteiset mikroskooppiobjektit korvataan linssimatolla, kompaktin ja kustannustehokkaan rakenteen saavuttamiseksi. Käyttökohteena laitteelle on kenttädiagnostiikka. Uusi kuvausjärjestelmä perustuu mikrolinssimattoihin, joilla pystytään näytteistämään valokenttää. Muuta taittavaa optiikka ei käytetä. Sadat halkaisijaltaan 100-200 µm olevat linssit kuvaavat kukin pienen osan näytteestä. Linssien välisten signaalien sekoittumisen estämiseen käytetään hyvin kontrolloitua valonlähdettä. Aiemmin esitetyissä ratkaisuissa käytetään esimerkiksi fyysisiä rakenteita yksittäisten linssien takana. Nyt esitetty ratkaisu on yksinkertaisempi. Työssä esitetään uusi menetelmä osakuvista muodostuvan datan rekonstruktioon. Tuloskuvien muodostamiseksi pikselien arvot kerätään rekonstruktiopinnalle, joka on sijoitettu vapaasti esineavaruuteen. Tämä mahdollistaa laskennallisesti tehokkaan tuloskuvan muodostuksen, sekä tilastollisten menetelmien käytön tuloksen laadun parantamiseen. Kehitetyn järjestelmän resoluutiota rajoittaa kameran pikselikoko ja sillä voidaan havaita muutaman mikrometrin kokoisia kohteita. Tulokset osoittavat, että kuvausmenetelmä sopii mikroskooppisten kohteiden kuvaamiseen ilman kalliita suurentavia linssejä. Menetelmän käyttökelpoisuutta havainnollistetaan, muun muassa, automaattisella Schistosoma parasiitin munien tunnistuksella virtsanäytteestä. Uusi kuvausjärjestelmä on mahdollista toteuttaa edullisesti, siinä ei ole liikkuva osia ja se on pieni verrattuna tavanomaiseen mikroskooppiin. Esitetty ratkaisu soveltuu yhdeksi vaihtoehdoksi kenttädiagnostiikan tarpeisiin

Mobile Diagnostics Based on Motion? A Close Look at Motility Patterns in the Schistosome Life Cycle

Imaging at high resolution and subsequent image analysis with modified mobile phones have the potential to solve problems related to microscopy-based diagnostics of parasitic infections in many endemic regions. Diagnostics using the computing power of “smartphones” is not restricted by limited expertise or limitations set by visual perception of a microscopist. Thus diagnostics currently almost exclusively dependent on recognition of morphological features of pathogenic organisms could be based on additional properties, such as motility characteristics recognizable by computer vision. Of special interest are infectious larval stages and “micro swimmers” of e.g., the schistosome life cycle, which infect the intermediate and definitive hosts, respectively. The ciliated miracidium, emerges from the excreted egg upon its contact with water. This means that for diagnostics, recognition of a swimming miracidium is equivalent to recognition of an egg. The motility pattern of miracidia could be defined by computer vision and used as a diagnostic criterion. To develop motility pattern-based diagnostics of schistosomiasis using simple imaging devices, we analyzed Paramecium as a model for the schistosome miracidium. As a model for invasive nematodes, such as strongyloids and filaria, we examined a different type of motility in the apathogenic nematode Turbatrix, the “vinegar eel.” The results of motion time and frequency analysis suggest that target motility may be expressed as specific spectrograms serving as “diagnostic fingerprints.

The webcam image sensor (<i>Live! Cam Sync</i>, Creative Labs) is located so that it is accessible to both fluid samples and specimens on microscope slides mounted under a coverslip.

<p>The sensor exposed after removal of optics (A). The webcam after exposure of the sensor and protecting the surrounding with polyacrylamide resin (B) and after attaching a screw-cap (with an opening cut out for the sensor) of a 10 ml plastic centrifuge tube to form a sedimentation chamber (C).</p

On-chip contact images of helminth eggs and larvae in stool samples.

<p>(A) Individual <i>Schistosoma mansoni</i> eggs in stool sample from experimentally infected mouse from on-chip image obtained with the exposed sensor of sensor of a mobile phone (Sony-Ericsson C905). Note that the lateral spine can be seen in some eggs. In (B) <i>S. mansoni</i> eggs are seen in an ordinary microscope using 20×objective (Leica DMRB with AxioCam digital camera). <i>Trichuris trichiura</i> eggs are seen in images obtained on-chip (C) and under conventional microscope (D) microscope using 10×objective. On-chip images were obtained with <i>S. mansoni</i>. <i>Strongyloides</i> larvae (E) by on-chip imaging using a webcam sensor (<i>Live! Cam Sync</i>, Creative Labs).</p