研究人员用来捕捉皮肤和口腔发光二极管照明的RGB图像的改进智能手机的照片。功劳:何等，2021年光学与激光工程华盛顿大学的研究人员开发了一种方法，利用智能手机衍生的图像来识别皮肤和口腔中潜在的有害细菌。他们的方法在《光学与激光工程》5月刊上发表的一篇论文中有所概述，可以直观地识别皮肤上导致痤疮和伤口愈合缓慢的微生物，以及口腔中可能导致牙龈炎和牙菌斑的细菌。该团队由生物工程和眼科教授·王领导，将智能手机外壳改造与图像处理方法相结合，对传统智能手机摄像头拍摄的图像中的细菌进行照明。这种方法产生了一种相对低成本和快速的方法，可以在家里用来评估皮肤和口腔中是否存在潜在的有害细菌。
“皮肤和口腔中的细菌会对我们的健康产生广泛的影响——从导致蛀牙到减缓伤口愈合，”王说。“由于智能手机的应用如此广泛，我们想开发一种经济高效、简单易行的工具，人们可以用它来了解皮肤和口腔中的细菌。”
使用传统的智能手机图像不容易看到细菌。王说，智能手机摄像头是“RGB摄像头”。它们基本上将视觉光谱中所有不同波长的光汇聚成三种不同的颜色——红色、绿色和蓝色。智能手机生成的图像中的每个像素都是这些颜色的组合。但是细菌除了红色、绿色和蓝色之外，还会发出许多颜色，这是典型的智能手机相机所没有的。
王的团队通过在智能手机外壳的摄像头开口周围安装一个包含10个黑色发光二极管灯的3D打印小圆环，增强了智能手机摄像头的功能。研究人员使用发光二极管增强的智能手机拍摄了两个研究对象面部的口腔和皮肤图像。
“A”是一个研究志愿者鼻梁右侧的RGB自发荧光图像，使用LED改装的智能手机拍摄。“B”是用红色虚线标出的“A”部分的特写。功劳:何等，2021《工程中的光学和激光》，“LED灯‘激发’了一类细菌衍生的分子，称为卟啉，使它们发出红色荧光信号，智能手机摄像头随后可以接收到，”第一作者何庆华说，他是UW的一名生物工程博士生。
图像中的其他成分——如蛋白质或我们身体产生的油性分子，以及皮肤、牙齿和牙龈——在发光二极管下不会发出红光。他们会发出其他颜色的荧光，他补充道。
许多细菌在生长和代谢过程中会产生卟啉。据合著者、UW生物工程博士后李远东说，卟啉可以在细菌大量存在的皮肤和口腔中积累。
“一般来说，你在皮肤表面看到的卟啉越多，例如，你看到的伤口愈合和痤疮的难度就越大，”李说。
发光二极管照明为团队提供了足够的视觉信息，可以通过计算将智能手机图像中的RGB颜色“转换”为视觉光谱中的其他波长。这就产生了一个“伪多光谱”图像，由15个不同的可见光谱部分组成，而不是原始RGB图像中的三个部分。王说，要事先获得这些视觉信息，需要昂贵而笨重的灯，而不是使用相对便宜的发光二极管黑灯。
右图为志愿者面部皮肤的RGB自发荧光图像。左边是同一区域的伪多光谱图像，去除了背景信号的污染。伪多光谱图像上的白色区域表明卟啉含量很高。功劳:何等，光学与激光工程，2021凭借其更强的视觉辨别能力，伪多光谱图像清晰地分辨出皮肤和口腔内的卟啉团。此外，尽管他们定制了这种显示卟啉的方法，但研究人员可以修改图像分析管道，以检测在发光二极管下也发出荧光的其他细菌特征。
“这就是这项技术的妙处:我们可以同时观察不同的组件，”王说。“如果你让细菌产生一种你想检测的不同副产品，你可以用同样的图像来寻找它——这是你今天用传统成像系统做不到的。”
研究人员表示，这项初步研究的成功可能会为评估基本皮肤和口腔健康的新家庭方法奠定基础——例如，为用户提供关于他们是否需要去看牙医或就某些类型的皮肤状况咨询医生的信息。他们的视觉系统和图像分析管道也可能有助于识别其他医疗环境中潜在的问题细菌，例如身体其他部位的伤口愈合。
王说:“这里有很多方向可以走。“我们的身体是复杂的环境，这种方法有很大的潜力来看待许多类型的问题。”
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