Geisel-Professor verpasst Mikroskopen ein digitales Makeover

DALI Lab hilft dabei, das Gehirn eines Computers mit dem Design eines Mikroskops zu kombinieren.

Mikroskope sind bei der Krankheitsdiagnose unverzichtbar und werden täglich von Pathologen eingesetzt, die Gewebesplitter vergrößern, um verräterische Anzeichen von Infektionen, Bluterkrankungen und Krebs zu erkennen.

Anstatt nun Proben zu verwenden, die auf Objektträgern montiert sind, wird ein neues intelligentes Mikroskop, das vom Dermatopathologen Aravindhan Sriharan von Dartmouth Health und Studenten des Digital Applied Learning and Innovation Lab entwickelt wurde, es Ärzten ermöglichen, Störungen anhand digitaler Bilder zu diagnostizieren.

Durch die Kombination des Gehirns eines Computers mit dem Design eines medizinischen Mikroskops ist RavaOne: The SmartScope bereit, die traditionelle Mikroskopie mit sich schnell entwickelnden Gesundheitstechnologien zu integrieren, die auf künstlicher Intelligenz basieren und die Möglichkeiten der Telemedizin erweitern, sagt Sriharan, der Assistent ist Professor für Pathologie und Labormedizin an der Geisel School of Medicine.

Wie so viele andere Bereiche steht auch die Pathologie kurz vor einer Transformation durch KI-Algorithmen, die Diagnosen genauer, effizienter und erschwinglicher machen können. Um den Sprung zur Einführung dieser Werkzeuge zu schaffen, müssen Pathologen auf die Arbeit mit digitalen Bildern umsteigen.

Ein ausgebildeter Pathologe, der nur wenige Sekunden braucht, um mit einem herkömmlichen Mikroskop eine Routinediagnose zu stellen, würde wahrscheinlich mehrere Minuten damit verbringen, durch hochauflösende Bilder auf einem Monitor zu scrollen, wenn er nur einen Computer verwenden würde.

„Die digitale Pathologie am Computerbildschirm durchzuführen ist unglaublich mühsam“, sagt Sriharan. „Medizinische Mikroskope wurden über 200 Jahre hinweg immer wieder weiterentwickelt, um eine Sache wirklich gut zu machen, aber Computermonitore sind Generalisten“, sagt er.

Für Sriharan lag die Lösung darin, einen Computer mit einem Mikroskop in Aktion zu kombinieren, ähnlich wie eine Smartwatch Funktionen vereint.

Foto von Katie Lenhart/Video von Chris Johnson

„Eine Smartwatch hat von außen den Formfaktor einer Armbanduhr, ist aber im Inneren im Wesentlichen ein Computer. Und sie kann Dinge tun, die weder ein Computer noch eine Armbanduhr allein tun können“, sagt Sriharan, der seine Idee dem DALI vorstellte Labor.

Lauren Goyette, 23, studiert Ingenieurwesen und interessiert sich für Produktdesign. Sie begann im vergangenen Herbst als Designerin an dem Projekt zu arbeiten.

„Pathologen gehen mit Mikroskopen so effizient um, das ist sehr beeindruckend“, sagt sie. Die Herausforderung bestand für Goyette darin, den Übergang in die Welt der digitalen Mikroskopie schnell voranzutreiben. Sie arbeitete an der Herstellung des SmartScope-Chassis im 3D-Druck.

Ausgestattet mit einem Okular und einem Tisch für den Glasobjektträger behält das SmartScope die vertraute Form eines Labormikroskops bei.

Der Unterschied besteht darin, dass der SmartScope-Tisch anstelle eines Laborobjektträgers mit gefärbtem Gewebe einen „Dummy“-Objektträger enthält. Wenn ein Benutzer diesen Objektträger bewegt, verfolgen eine Kamera und ein Computersystem seine Position. Diese Bewegung ist mit dem digitalisierten, hochauflösenden Bild einer Gewebeprobe verbunden, das sich bewegt, während der Benutzer durch das Okular blickt, und so das Erlebnis eines herkömmlichen Mikroskops widerspiegelt.

„Allein die Anzeige eines Bildes war ein wichtiger Meilenstein“, sagt Alex Carney (23), der auch die ganze Zeit als Entwickler an dem Projekt beteiligt war. Anschließend arbeitete er daran, die große Bilddatei reibungslos über das Sichtfeld des Benutzers zu bewegen, während dieser den Objektträger auf der Bühne bewegte.

„Das Ziel besteht darin, ein Produkt zu entwickeln, das jemand problemlos mehrere Stunden am Tag für echte Arbeit verwenden kann – echte Forschung und Diagnose. Wir arbeiten immer noch daran und sind sehr nah dran, aber das war die größte Herausforderung.“ dieses Projekt", sagt Carney, der zu Beginn nicht damit gerechnet hatte, wie sehr das Projekt seine Mathematik- und Softwarekenntnisse verbessern würde.

Diese Technologie hat das Potenzial, die Diagnostik zu verändern, indem sie es Anbietern auf der ganzen Welt ermöglicht, sofort zusammenzuarbeiten.

Das Team erhielt positive Rückmeldungen von Nutzern, die ihren Prototyp im Wintersemester testeten.

„In die einfachen, aber dennoch hochentwickelten Absichten des SmartScope wurden viele Gedanken und Details gesteckt, wobei die wesentlichen Funktionen eines Mikroskops erhalten blieben“, sagt Jessica Bentz, Assistenzprofessorin für Pathologie an der Dartmouth Hitchcock University und der Geisel School of Medicine .

„Ich war von der Klarheit der Bilder bei jeder Vergrößerung beeindruckt“, sagt Bentz, der auf das Drehkreuz des SmartScope aufmerksam machte, mit dem Benutzer zwischen den Vergrößerungen wechseln können – ein praktischerer Ersatz für das rotierende Linsenkarussell, das herkömmliche Mikroskope für diesen Zweck verwenden. Es sei eindeutig mit einem ergonomischen Vorteil für den Benutzer entworfen worden, sagt sie.

„Das SmartScope verbindet gekonnt den wachsenden Einfluss digitaler Bildgebung und KI als Werkzeug für die diagnostische Pathologie mit der Vertrautheit, an einem mikroskopischen Instrument zu sitzen“, sagt Bentz.

„Diese Technologie hat das Potenzial, die Diagnostik zu verändern, indem sie es Anbietern auf der ganzen Welt ermöglicht, sofort zusammenzuarbeiten“, sagt Jorie MacDonald (25), Informatikstudentin, die im Frühjahr als Projektmanagerin zum Team stieß.

„Sie müssten keinen physischen Objektträger verschicken und hoffen, dass er den Zoll passiert und das Labor erreicht, ohne irgendwie beschädigt zu werden; Sie senden einfach eine Datei“, sagt sie.

Das Gerät ist zum Patent angemeldet und wird den Grundstein für PixCell bilden, ein neues Startup, das von Sriharan gegründet wurde. „Das SmartScope kann endlich das Versprechen der KI in der Krankheitsdiagnostik verwirklichen“, sagt er.

Sriharan glaubt, dass die Technologie die Gesundheitsversorgung nicht nur in Ländern verändern kann, die den Wandel anführen, sondern auch in Regionen mit begrenzten Ressourcen und Fachwissen. Das Gerät würde Anbietern vor Ort dabei helfen, Fälle zu überprüfen, um diejenigen zu identifizieren, die sofortiger Aufmerksamkeit bedürfen, und sie an Kollegen und Freiwillige auf der ganzen Welt weiterzuleiten.

Pathologen können KI-Algorithmen ausführen, um die Ergebnisse teurer und zeitaufwändiger Labortests an den von ihnen untersuchten Bildern zu simulieren, wodurch Patienten Zeit und Geld sparen. Die Algorithmen können auch dabei helfen, den wahrscheinlichen Krankheitsverlauf abzuschätzen und wirksame Behandlungen zu empfehlen.

„Wir können tatsächlich erstklassige Medizin – nicht verwässert, sondern hochtechnologisch und auf dem neuesten Stand – zu den Menschen bringen, die sie am meisten brauchen“, sagt Sriharan.

Zu den weiteren Mitgliedern des DALI-Teams, die an der Entwicklung des RavaOne: SmartScope gearbeitet haben, gehören Andy Kotz '24, Ziray Hao '22, Atharv Agashe '25, Elizabeth Frey '24, Victor Muturi '23, Lauren Kidman '25, Daniel Lubliner '25, Annie Qiu '24, Emily Chen '24, Ulgen Yildrim '24, Alejandro Lopez '23, Joy Miao '23 und Kelly Song '23.

Harini Barath kann unter [email protected] erreicht werden.