低成本成像系統(tǒng)準(zhǔn)備提供自動(dòng)蚊子跟蹤

世界衛(wèi)生組織(WHO)稱，瘧疾、登革熱和黃熱病等由蚊子傳播的疾病每年導(dǎo)致數(shù)十萬人死亡。一種新的低成本成像系統(tǒng)可以更容易地追蹤攜帶疾病的蚊子種類，從而更及時(shí)、更有針對性地做出反應(yīng)。

來自約翰霍普金斯大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人亞當(dāng)·古德溫說:“像我們這樣的遠(yuǎn)程系統(tǒng)可以大大減少在特定地區(qū)監(jiān)測蚊子所需的勞動(dòng)力，從而大大提高了進(jìn)行更多監(jiān)測的能力。”“如果你能提供更多的蚊子數(shù)據(jù)，那么你就能更快地發(fā)現(xiàn)疫情，挽救更多的生命。”

在光學(xué)學(xué)會(huì)(OSA)的期刊《生物醫(yī)學(xué)光學(xué)快報(bào)》(Biomedical Optics Express)上，古德溫及其同事的論文是關(guān)于在低資源環(huán)境下改善醫(yī)療保健的光學(xué)技術(shù)專題期刊的一部分。在這篇論文中，他們描述了這個(gè)新系統(tǒng)，它被設(shè)計(jì)用來從一個(gè)蚊子陷阱里傳送圖像，這些圖像足夠詳細(xì)，讓昆蟲學(xué)家能夠區(qū)分蚊子的翅膀圖案和鱗片的顏色，這些特征表明蚊子是否是攜帶疾病的物種。這些信息可以用來計(jì)劃對該物種最有效的干預(yù)措施。

“新系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的經(jīng)典應(yīng)用，”古德溫說。“它最終可能與計(jì)算機(jī)視覺算法配對，自動(dòng)確定物種，并將信息提供給公共衛(wèi)生系統(tǒng)。”

開發(fā)一個(gè)遠(yuǎn)程成像陷阱

在世界上許多蚊子傳播疾病的地區(qū)，了解哪些蚊子種類的數(shù)量是有問題的，需要不斷地在多個(gè)地點(diǎn)誘捕蚊子。然后，工作人員必須開車到一個(gè)縣或地區(qū)，每周放下或撿起數(shù)百個(gè)捕獸器，將標(biāo)本帶回實(shí)驗(yàn)室，在顯微鏡下進(jìn)行鑒定。

古德溫說:“我們的新光學(xué)系統(tǒng)可以放置在傳統(tǒng)的捕蚊器內(nèi)，對蚊子的數(shù)量、多樣性和分布情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。”“使用成像是特別有吸引力的，因?yàn)橹灰獔D像質(zhì)量高，幾只蚊子可以同時(shí)從一張圖像中識(shí)別出來。”

在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，研究人員著重于準(zhǔn)確識(shí)別埃及伊蚊的能力，這種蚊子可以傳播寨卡病毒、登革熱、基孔肯雅熱和黃熱病。這種入侵物種原產(chǎn)于非洲，但已在世界許多地方建立了自己的地位，包括北美、歐洲和亞洲。他們說，同樣的方法也可以應(yīng)用于其他昆蟲，只要有一種方法可以捕獲并可靠地成像。

利用光學(xué)和相機(jī)傳感器，研究人員優(yōu)化了他們的光學(xué)設(shè)置，以獲得一個(gè)解決方案，同時(shí)需要成像許多蚊子，并有能力看到足夠的細(xì)節(jié)，以確定蚊子的種類。

古德溫說:“我們的新系統(tǒng)在監(jiān)測難以到達(dá)的地區(qū)和商業(yè)入境口岸的埃及伊蚊方面特別有用。在這些地方，外來入侵物種可以從其他國家進(jìn)入。”“它還可能擴(kuò)大目前對已經(jīng)監(jiān)測埃及伊蚊種群的地區(qū)的監(jiān)測行動(dòng)。”

在大多數(shù)情況下，公共衛(wèi)生系統(tǒng)只需要確定蚊子的數(shù)量或種類是否每天或每小時(shí)都有變化，而不是每分鐘都有變化。這意味著相機(jī)傳感器一天最多只需要打開幾次。這將使電力消耗保持在互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的可行范圍內(nèi)。

測試系統(tǒng)

為了測試這個(gè)新系統(tǒng)，研究人員比較了昆蟲學(xué)家對數(shù)字顯微鏡圖像和遠(yuǎn)程成像系統(tǒng)的標(biāo)本進(jìn)行分類的能力。它們的能力在不同的圖像類型之間沒有顯著的差異。雖然昆蟲學(xué)家在顯微圖像和遠(yuǎn)程系統(tǒng)圖像的物種分類上做得不是很好，但在屬分類上做得很好。

古德溫說:“昆蟲學(xué)家不習(xí)慣于從圖像中識(shí)別標(biāo)本，因?yàn)樗麄兺ǔＳH自攜帶標(biāo)本，并在顯微鏡下用鑷子進(jìn)行操作。”“然而，最近利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從圖像中對蚊子進(jìn)行分類的工作確實(shí)顯示出了希望。”

研究人員計(jì)劃繼續(xù)優(yōu)化遠(yuǎn)程陷阱，并計(jì)劃將計(jì)算機(jī)視覺算法和互聯(lián)網(wǎng)連接集成到系統(tǒng)中。“這將使物種信息能夠直接發(fā)送到公共衛(wèi)生系統(tǒng)，以供決策，”Goodwin說。“我們認(rèn)為，這個(gè)系統(tǒng)將在這方面真正大放異彩。”