【作 者】袁宇辰，刘静,2＊

1 清华大学医学院生物医学工程系，北京，100084

2 中国科学院理化技术研究所，北京，100190

0 引言

目前手机已遍布世界各地及各层次人群。随着制作工艺的日趋成熟，成本的逐渐下降，手机功能不再限于打电话和发短信，“手机”一词更多地代表了一种综合性工具。比如，苹果公司推出的iPhone，可将移动电话、可触摸宽屏iPod、具有桌面级电子邮件、网页浏览、搜索引擎和地图功能的因特网通信设备这几类功能融为一体，开创了移动通信设备的新纪元[1]。

与手机的广泛应用形成对比的是，有医学检测“金标准”设备之称的显微设备在当今社会仍属于相对昂贵的仪器，体积庞大、缺乏灵活性的特点，在一定程度上限制了应用面。如果能将显微设备与手机结合，便可克服显微镜笨重不可移动且昂贵的弊端。而且，这一尝试将显微镜作为手机的附件，利用手机大规模生产的成熟工艺，可望将显微设备的制作成本大大降低，甚至达到普通百姓人手一部的可接受价格。

近期，学术界逐级尝试将手机与显微设备结合，其中加州大学伯克利分校于2008年推出Cellscope[2-3]，产生较大的反响。该技术直接将放大镜片安装在手机摄像头上，由此实现了显微设备便携化，能达到2X～50X的放大倍数，其中低倍放大可用于观察口腔、喉咙、牙齿等；中高倍放大则可用于检查皮肤伤口甚至组织细胞。还有，加州大学洛杉矶分校也研究出类似技术[4]，不同之处是这款由三星手机改装的设备更类似于台式显微镜，可将欲观察的载玻片插入“显微镜头”下进行观察，对于血液样本，能检测出病态血细胞或其他反常细胞，还能观察白血球增多。

然而，上述手机显微总体上仍然是常规显微概念的拓展，并未真正发挥手机的无线通讯优势。为真正实现无障碍显微成像，本文基于作者前期提出的崭新概念——手机无线显微成像[5]，实现了一种有重要实际意义的显微平台，其采用了独立的数字摄像头而非手机自身的拍照用摄像头。数据传输采用蓝牙方式，达到无线传输。借助该设备，即使不在现场，也可以利用手机获取图像，应用十分便捷。相比于Cellscope技术，本设备在手机端的数据接收为纯软件方式，没有为手机增加任何外设，因而在真正意义上实现了便携化。

2 手机无线显微系统总体组成与设计

本文所实现的无线显微图像获取系统由手机端、图像采集端和光学放大端等部件组成。

手机端采用了Acer F900手机[6]。这是台湾宏碁集团于2009年推出的一款智能手机，其主要参数见表1。该款手机的最大特点是使用Windows Mobile操作系统，能很好地兼容Visual Studio软件开发环境，因而编程时只需安装支持手机模拟器的扩展包即可[7]。

表1 Acer F900主要技术参数Tab.1 Main technical parameters for Acer F900

Visual Studio是由美国微软公司开发的一套完整的开发工具集，用于生成ASP.NET Web应用程序[8]、XML Web Services[9]、桌面应用程序和移动应用程序。其中包含的Visual Basic[10]、Visual C++[11]、Visual C#[12]和Visual J#[13]全部采用相同的集成开发环境IDE（Integrated Development Environment）[14]，利用IDE可以共享工具且有助于创建混合语言解决方案。此外，这些语言利用了.NET Framework[15]的功能，通过此框架可使用简化的ASP Web应用程序和XML Web Services开发的关键技术。VS是目前支持C/C++语言最好的开发环境，是手机端开发环境的较佳选择。

调试手机端程序时，经常需要截图保存以供后期分析，而手机自身一般没有类似PC中PrintScreen键那样直接截图的功能，需要第三方软件协助。实际使用的是MyMobiler v1.25，这是一款小巧易用的免费手机辅助软件，将手机与PC连接后，软件会自动连接手机，在界面中实时显示手机中的画面。该软件功能强大，不仅能对手机画面全屏截图、录像，而且还能直接在主界面中用鼠标操作手机。

在显微测试方面，实际观察中的光学显微成像部分，本文尝试采用了云光牌袖珍型显微镜和上海永亨XSP-44X.9光学显微镜（图1）两种设备。其中袖珍显微镜体积小巧（见图1中与普通1角硬币的对比图），焦距可调，能达到60 X的放大倍数，并且配有LED照明和验钞灯，主要用于常见物体的拍摄；而台式XSP-44X.9光学显微镜主要用于高倍率显微装片的拍摄。此类显微设备做工良好，价格低廉，实际操作时直接作为光学放大器使用即可。

图1 显微图像获取终端(a) 袖珍显微镜 (b) 永亨XSP44X.9光学显微镜Fig 1. Microscopic image acquiring terminal(a) Mini microscope (b) Optical microscope XSP44X.9

为验证无线获取显微图像的原理，我们采用网络摄像机作为传输显微终端所获图像的中继站。网络摄像机（Webcam）又称IP摄像机，是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机。从本质上来说，一台网络摄像机是由视频捕获设备连接计算机或计算机网络构成，通常使用USB口（连接PC）或Ethernet、Wi-Fi（连接PC网络）来构成。从实际效果上来说，使用网络摄像机可以完全满足图像采集显示端的一切需求。本研究中使用环宇飞扬公司出品的Unifly-501网络摄像机（图2）进行无线视频传输。当然，应该指出的是，实现手机显微的方式并不限于此，我们在文献[5]中给出了更多原理性方案，值得今后进一步尝试。

图2 网络摄像机Unifly-501外观图Fig.2 Picture for network monitor Unifly-501

网络摄像机的硬件连接相对简单，只需连接DC5V电源盒RJ45以太网网线即可。网线另一端连接到以太网交换机、路由器或IP共享器上，可根据实际使用环境而定。软件配置同样很便捷，接上电源后等待约1min，LCD液晶面板上即会显示本机当前的IP地址、子网掩码及网关（出厂默认为静态IP192.168.0.234，子网掩码255.255.255.0，网关192.168.0.1）。手机端的Internet Explorer经实践并不支持网络摄像机的实时视频显示功能，但换用Opera Mobile 10即可。具体操作可按以下步骤：(1) 启动Opera Mobile，在地址栏中输入http://192.168.0.234，如图3a所示；(2) 选择“服务器推送模式”，需要的用户名和密码默认为admin、123456；(3)之后即可通过手机屏幕观看实时拍摄的显微视频了。根据需要，手机无线显微系统可设计出欢迎界面，如图3(b)所示。

图3 手机输入用户名和密码界面(a)及欢迎屏幕(b)Fig.3 User name and password input screen (a) and welcome screen (b) on the mobile phone

3 手机无线显微系统实际性能测评

在普通物体观测方面，我们首先选择了一组典型对象进行观察，包括印刷文字(图4a)、植物叶片(图4b)和人体指纹(图4c)三种材料。实验步骤如下：(1)将观测对象置于平坦桌面上（指纹除外）；(2)将显微镜直立，物镜向下，贴紧观测材料；(3)根据需要打开LED照明；(4)将网络摄像头镜头对准显微镜目镜，调整焦距使摄像头输出清晰的图像。观测效果见图4，原始观察对象的细节放大后在手机屏幕上显示一目了然。可见，本文构建的手机无线显微平台成功实现了显微图像的远程读取及显示。

在评估新系统应用到生物学试验时的工作性能方面，我们以小鼠肿瘤组织为例，通过无线方式获得其显微图像。研究中，观测的具体对象是Calb/c小鼠B16F10黑色素瘤肺转移组织切片Cycliu D1免疫组化染色装片。实验中使用台式光学显微镜，采用了100X、400X和1000X三种不同的放大倍数，结果如图5所示。图中比较清晰地显示了肺组织各种放大层面上的细节，特别是图5(c)中黑色斑点显示了黑色素瘤区域。此外，该图中左侧白色区域实际是小鼠肺组织中的一根气管。这些结果同样证明了新颖无线显微成像方法的可行性。

图4 通过手机无线方式获取的几类常见对象的显微图像Fig.4 Wirelessly obtained microscopic images for several typical objects via mobile phone

4 小结

本文以无线方式实现了一种崭新概念的手机显微技术。该方法不仅很好地继承了已有手机显微技术所具备的便携、低成本以及受众广泛的优势，还体现出自身独特的无线优点。通过无线方式获取图像，观测人员无需近距离操作观测对象。这一方面极大地扩展了产品适用范围，使观测显微成像具有了更高的时间、空间灵活性；另一方面，还增加了使用安全性，使以无线方式随时便捷地观察具有危险性的对象如SARS、HIV病毒等成为了可能；与此同时，也使得产品的使用更加灵活，手机端无需设置任何硬件外设，只需安装配套软件即可，不作观察时完全不影响手机作为通讯工具的正常使用。总之，本文在“手机无线显微”这一领域作了有益尝试，并取得一定进展。该方向目前还有很大的开发空间[5]，尚有许多理论与技术问题值得深入研究。手机显微成像无疑可以在很多方面满足人们以其他方式难以达到的需求，例如如何简便有效地观察自己的耳道或口腔内部；如何快速而准确地判断一瓶放置一段时间的果汁是否已发生变质；研究人员在正常工作时间以外仍需要对培养的细胞组织等进行观察，能否不去实验室加班；能否定期远距离观察研究中的传染性危险生物样品。诸如此类的种种问题，促使人们寻求更便捷、成本更低的显微设备，而手机显然是最好的载体。当然，本文实现的也只是其中的一种典型技术途径，进一步的扩展可衍生出更多的手机无线显微技术。随着科学技术的日益进步，手机无线显微技术将在今后会得到更多开拓和发展。

图5 手机无线获取生物组织切片的显微图像Fig.5 Wirelessly obtained microscopic images on biological tissue slice via mobile phone

致谢

感谢本实验室张晓丁同学在网络摄像技术方面的帮助；感谢贾得巍硕士提供的黑色素瘤肺转移组织切片材料。本研究部分受国家自然科学基金(No.81071255)及清华大学裕元医学科学研究基金资助。

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