Einfache und preiswerte Lösungsvarianten

Das Smartphone als Mikroskop

Der Nachweis weit verbreiteter Krankheitsbilder, ausgelöst durch Parasiten wie Malaria tropica (Plasmodium falciparum), die erbliche Veränderung von Erythrozyten (Sichelzellenanämie), sowie der Nachweis von Krebszellen benötigen mikroskopische Untersuchungen und die Bewertung durch medizinisches Fachpersonal. Um diese Krankheitsbilder schneller und sowohl personell als auch finanziell mit geringerem Aufwand zu erkennen, bieten sich Smartphone-Mikroskope an. Ein Smartphone-Mikroskop für diagnostische Zwecke kann eine wichtige Rolle in der globalen Gesundheitsversorgung spielen, da die Gesundheitskosten weltweit steigen und medizinisches Personal nicht überall ausreichend vorhanden ist. Smartphones hingegen sind weltweit verfügbar und bieten durch leistungsstarke Kamerasysteme die Möglichkeit mit einer Vorsatzoptik als Mikroskop genutzt zu werden. Auch für den Bildungsbereich (z.B. Biologieunterricht) sind derartige Systeme von Interesse.

Als einfachste und günstigste (circa 5 €) Methode, die sich zur Hellfeld-Untersuchung von biologischen Proben eignet, wurde die Verwendung eines Smartphone-Kameramoduls erkannt. Dieses wird umgekehrt als Mikroskop-Objektiv vor das optische System des Smartphones gehalten. In Bild 1 ist ein mögliches Optikdesign für das Smartphone-Mikroskop mit umgedrehtem Kameramodul dargestellt:

Optikdesign_Smartphone-Mikroskop

Bild 1: Möglicher Strahlengang eines Smartphone-Mikroskops mit umgedrehtem Kameramo-dul. Als Objekt wurde ein Präparat angenommen welches sich hinter Glas (Dicke 0,17 mm) befindet.

Die patentierten Kameramodule des Samsung S3 Mini und des iPhones 5S sind als Vorsatzoptik geeignet. Für diese Module wurden mehrere Halterungen konstruiert, die mit einem 3-D-Drucker herstellbar sind. Die Halterung mit der besten Funktionalität ist in Bild 2 dargestellt. Das Design erlaubt eine vertikale Verschiebung der Objektebene, um das Präparat in den Fokus des Objektivs (Vorsatzoptik) zu stellen.

Optikhalterung

Bild 2: Auf die Optikhalterung kann ein Smartphone gelegt werden. Durch Drehen an den Sterngriffen wird das Präparat fokussiert.

Der in Bild 2 dargestellte Aufbau wurde zur Untersuchung von gefärbten biologischen Präparaten ausgelegt. Eine Auswahl an damit aufgenommen Bildern von Standard-Präparaten ist in Bild 3 dargestellt. Als Vorsatzoptik wurde das Kameramodul eines iPhones 5s verwendet und als Smartphone diente das Sony Z3 compact.

Präparate

Bild 3: Untersuchung biologischer Präparate (gefärbt) mit dem Smartphone-Mikroskop. Vorsatzoptik: Kameramodul iPhones 5s; Smartphone: Sony Z3 compact. Dargestellt sind: [A] Kopfhaut vom Menschen; [B] Niere der Katze; [C] Rückenmark der Katze; [D] Bauchspeicheldrüse vom Schwein; [E] Lunge der Katze; [F] Vene, Katze oder Kaninchen; [G] Hoden der Maus; [H] Arterie, Katze oder Kaninchen.

Es ist uns gelungen mit einem iPhone 5s Kameramodul als Vorsatzoptik sowie einem Sony Z3 compact 362 LP pro mm aufzulösen, siehe Abbildung 4 [A]. Diese Auflösung ist ausreichend um zum Beispiel rote Blutkörperchen (Erythrozyten) im Blut eines Menschen (siehe Abbildung 4 [B]) darzustellen und zu untersuchen.

USAF-Chart

Bild 4: An das Smartphone (Sony Z3 compact) wurde das Kameramodul des iPhones 5s als Mikroskop-Objektiv gehalten. [A] Aufnahme eines USAF-Charts (USAF-Auflösungstesttafel) und [B] Blut vom Menschen.

Viele biologische Objekte, wie zum Beispiel Zellen, sind für das sichtbare Licht weitestgehend transparent. Die Abbildung derartiger Objekte mit einem Hellfeldmikroskop liefert daher nur kontrastarme Bilder. Um die Abbildungsqualität zu verbessern, können transparente Proben eingefärbt werden. Diese Präparat-Färbung ist jedoch zeitintensiv und tötet in der Regel die zu untersuchenden lebendigen Zellen ab. Aus diesem Grund wurde die Kompatibilität zweier phasensensitiver Methoden mit einem Smartphone untersucht. Zu den Methoden gehören die Holographie sowie das Phasenkontrast-Mikroskop. Der für eine Hologramm-Aufnahme mit dem Smartphone verwendete Aufbau ist in Abbildung 5 dargestellt. Dabei kann die Entfernung zwischen Objekt und umgedrehten Kameramodul verändert werden. Das Pinhole hat einen Durchmesser von 40 µm und die LED emittiert im grünen Spektralbereich. Als Vorsatzoptik wurde das Kameramodul des iPhones 5s verwendet.

Aufbau_Smartphone

Bid 5: Aufbau um mit dem Smartphone ein In-Line-Hologramm aufzunehmen.

Das aufgenommene Hologramm sowie dessen Rekonstruktion ist in Bild 6 dargestellt. Um das ursprüngliche Bild (Bild 6 [B]) zu rekonstruieren, wurde ein Matlab-Skript verwendet, welches auf dem Faltungsansatz basiert. Zur Rekonstruktion des Bilds werden die Pixelgröße des verwendeten Sensors, die verwendete Wellenlänge und der Abbildungsmaßstab mit einbezogen. Das aus dem Hologramm rekonstruierte Bild einer USAF-Auflösungstesttafel erreicht eine Auflösung von 228 Linienpaaren pro mm.

Hologramm

Bild 6: Mit Sony Z3 compact und iPhone 5s Kameramodul aufgenommenes Hologramm [A] und dessen Rekonstruktion [B].

Eine weitere phasensensitive Methode ist die Phasenkontrast-Mikroskopie. Dieses Verfahren wurde für Smartphones ebenfalls realisiert und erlaubt Phasenobjekte direkt auf dem Smartphone-Display bei verbessertem Kontrast sichtbar zu machen. Der verwendete Aufbau besteht aus 11 gedruckten Bauteilen. Er ermöglicht die Entfernung zwischen Kondensor und Präparat sowie zwischen Präparat und Objektiv durch Drehen an den Schrauben einzustellen. Das Smartphone wird auf die Auflage gelegt und zwischen Smartphone-Kamera und Objektiv ist die Phasenplatte angebracht.

Schematischer_Aufbau

Bild 7: Schematischer Aufbau des Smartphone-Phasenkontrast-Mikroskops.

Mit dem Aufbau in Bild  7 konnten die in Bild 8 8 [A] und [C] dargestellten Phasen-kontrastbilder aufgenommen werden. Die Hellfeldmikroskopie-Bild sind in Abbildung 8 [B] und [D] dargestellt.

Aufnahmen

Bild 8: Aufnahmen mit dem Smartphone-Phasenkontrast-Mikroskop [A], [C] und mit dem Smartphone-Mikroskop (iPhone 5S Kameramodul als Objektiv) [B], [D]. [A] Zeigt Speichel und [C] einen Rinder-bandwurm (Glieder quer).

Der Vergleich der Bilder in Abbildung 8 [A] mit [B] und [C] mit [D] zeigt, dass mit dem Smartphone-Phasenkontrast-Mikroskop im Vergleich zum Smartphone-Mikroskop ein höherer Kontrast erzielt werden kann. Da wir nicht sicherstellen konnten, dass die Ringblende exakt auf die Phasenplatte abgebildet wird, handelt es sich hier (Abbildung 8 [A] und [C]) um eine Mischform aus Dunkelfeld- und Phasenkontrastmikroskop. Jedoch konnte gezeigt werden, dass mit einem Smartphone auch Phasenobjekte bei gutem Kontrast dargestellt werden können.

Autoren:

Alois HerkommerProf. Dr. Alois Herkommer
Herr Herkommer promovierte 1995 an der Universität Ulm im Bereich der Quantenoptik. Anschließend arbeitetet Herr Herkommer bei Carl Zeiss in Oberkochen am Optikdesign von Hochleistungs-Lithografie- und Messsystemen. Seit 2011 ist Herr Herkommer Professor am Institut für Technische Optik und befasst sich unter anderem mit neuen Design und Simulationsmethoden für medizinische Anwendungen.

Carsten ReichertM.Sc. Carsten Reichert
Herr Reichert studierte von 2010 bis 2013 Medizintechnik und von 2013 bis 2015 Photonic Engineering an der Universität Stuttgart. Seit 2016 ist Herr Reichert wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Technische Optik und befasst sich vorwiegend mit dem Optikdesign, der Konstruktion und der Programmierung von Baukastensystemen.

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Kommentare & Pingbacks

2 Gedanken zu “Das Smartphone als Mikroskop

  1. Das ist jetzt schon die zweite Seite, auf der ich das Smartphone als Mikroskop sehe. Aber mal ganz ehrlich, taugt es was, das nachzumachen? Oder sollte man lieber direkt zum USB-Mikroskop greifen? Danke im Voraus und Grüße

    • Lieber Mikroskop-Freak,

      Sie vergleichen ein optisches Konzept (zwei Handy-Objektive gegenüber angeordnet) mit einer Schnittstelle zum Datenaustausch (USB). Wir sind von dem optischen Konzept begeistert und haben daher die Autoren gebeten, auf unserer Website vom Handy-Mikroskop zu berichten. Wir können und wollen diese Lösung nicht mit anderen Mikroskopen vergleichen.
      Viele Grüße aus dem VDI!

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