혁신적 스마트폰 알고리즘, 정확한 질병 진단 가능케 해

• 새로운 스마트폰 이미징 알고리즘으로 비전문 사용자도 HIV, 난소암 항원, 결핵 DNA 등 복잡한 분석 분석 가능
• 작은 분산과 높은 다이내믹 레인지를 가진 평균 픽셀 강도 생성으로 작동

스마트폰은 비교색도 테스트, 측면 유동 분석, 세포 측정 분석, 휴대폰 현미경 등 다양한 응용을 위한 고성능 평가 장치로 부상했습니다. 강력한 처리 능력, 정교한 센서, 무선 연결성을 작은 기기에 결합하므로 실행 가능한 옵션입니다.

이 장치들은 이제 셀카용이 아닙니다. 특정 환경에서 의학적 상태 진단을 위한 매력적인 옵션이 되었습니다. 경험 없는 사람들도 데이터 수집해 의료 전문가에게 보낼 수 있게 합니다.

이러한 스마트폰 기능들을 염두에 두고 플로리다 애틀랜틱 대학 연구자들이 비전문 사용자가 분광법으로 알려진 본질적으로 복잡하고 강력한 기술로 평가되는 분석을 분석할 수 있게 하는 새로운 스마트폰 이미징 알고리즘을 개발했습니다.

어떻게 했을까?

기존 휴대폰의 온보드 카메라 하드웨어는 충분히 똑똑하지 않아 기기 유용성을 제한합니다. 이런 한계를 해결하고 정확한 결과를 얻기 위해 외부 하드웨어가 사용됩니다.

오늘날 모든 휴대폰 카메라는 양적 이미지 기반 평가 대신 더 나은 사진 외관을 위해 설계되었습니다. 게다가 많은 생화학 분석법에 반복 가능하고 견고한 스마트폰 유사물이 없습니다.

이 연구에서 연구자들은 더 작은 분산과 더 넓은 다이내믹 레인지를 가진 평균 픽셀 강도(MPI)를 생성하는 스마트폰 기반 이미지 전처리 기법을 개발했습니다.

스마트폰 이미지가 기본적으로 RGB 픽셀 강도 그룹으로 저장되는 반면, 새 방법은 HSV(색상, 채도, 명도) 공간의 채도 매개변수를 사용해 현장 진단(point-of-care diagnosis)을 가능하게 합니다.

참조: Analyst (RSC) | doi:10.1039/C8AN02521E | FAU

채도 분석은 다양한 조도, 음영, 주변 조명 변화 같은 주요 제한 요인들에 의해 변경되지 않습니다. 사실 이 방법은 이미지 기반 현장 진단 테스트의 실용성, 재현성, 사진 촬영 잡음 제거를 개선하면서 장비 오버헤드를 줄입니다.

결과

팀은 10,000장 이상 사진을 분석했고, 그들의 알고리즘이 다양한 현장 운영 시나리오에서 다른 모든 기존 방법을 지속적으로 능가함을 발견했습니다. 12, 12, 5MP 카메라를 가진 삼성 갤럭시 엣지 7, 아이폰 6, 모토 G 3개 스마트폰으로 모든 이미지를 촬영했습니다.

진단 분석 이미지가 휴대폰 카메라로 촬영되고 관심영역(ROI)이 HSV로 변환됨. 이후 MPI 분석 적용해 샘플 농도와 흡광도 결정 | 연구진 제공

그들은 알고리즘 성능 측정, 카메라 거리/움직임/기울기 민감도 테스트, 다양한 조건에서 이미지 캡처, 농도 반응과 히스토그램 특성 검토를 수행했습니다. 또한 주변 조도, 채도 특성, 검출한계, RGB(적녹청) 색공간과의 관계도 분석했습니다.

채도 분석을 전통적 RGB 방법들과 비교한 후 연구자들은 주변광 잡음 존재 하에서 그들의 기술이 경험적·분석적으로 성능을 향상시킴을 확인했습니다.

이상적 이미지 캡처 조건도 시연했습니다: 단순한 흰색 배경, 일관된 백색광, 스마트폰 영각 변위 제로, 샘플까지 최소 거리.

그들은 효소면역분석법(ELISA)이라 알려진 분석 생화학 분석법에 알고리즘을 적용했습니다. 항체, 단백질, 펩타이드, 호르몬 같은 물질 식별과 정량화 위해 특별 개발된 것입니다. 결과에 따르면 채도 분석이 HIV에 대한 정확한 비장비 검사를 가능하게 했습니다.

참고: GPS 없이 스마트폰 위치 찾는 선형 알고리즘

연구자들은 진단 과정을 빠르고 정확하며 저렴하게 만들기 위해 알고리즘을 추가 개선할 계획입니다.