Design and development of a portable cytometer based on image sensor technology

Abstract

[ANGLÈS] This Thesis focuses on the development of the opto-mechanical design and software interface of an image cytometer capable of analyzing particulate in a small volume sample. The device consists of an incoherent light source, a CMOS image sensor to digitize the sample information and optical elements which retrieve the complete complex Fourier transform of the specimen’s wave front and optically process it for detection. Both brightfield and fluorescence implementations are investigated and demonstrated to be functional for the detection, identification and characterization of mixed particulate compositions in the same volume, over a broad range of specimen concentrations (10^7CFU/ml – 10^2CFU/ml). The Thesis includes an in depth study of the state-of-the-art in related fields, in particular the technologies exploited to construct the prototype. It then describes the design and the development of the image cytometer and the related software for signal processing and sample analysis, from an initial lab demonstrator to a pre-industrial device that can be used for experiments in real settings (hospitals, food production lines, water installments, etc…). The developed image cytometer, very compact and potentially low cost, has been used to detect several cells and microorganisms related to the health diagnosis (infectious diseases), food industry and environmental analysis. These include Jurkat and K562 cells, streptococcus, Bordetella and E. coli microorganisms to levels comparable to those detected by more traditional and cumbersome methods, such as those relying on large flow cytometry equipment.

[CASTELLÀ] Ésta Tesis se enfoca en el desarrollo del diseño opto-mecánico y la interfaz de software de un citómetro de imagen capaz de analizar partículas en pequeños volúmenes de muestra. El dispositivo consiste en una fuente de luz incoherente, un sensor de imagen CMOS para digitalizar la información de la muestra y elementos ópticos que obtienen la transformada compleja de Fourier del frente de onda del espécimen y la procesan para su detección. Implementaciones tanto no-fluorescentes como fluorescentes han sido investigadas y se ha demostrado su funcionalidad para la detección, identificación y caracterización de composiciones mixtas de partículas en un mismo volumen, sobre un amplio rango de concentraciones del espécimen (10^7UFC/ml – 10^2UFC/ml). La Tesis incluye un estudio profundo del “state-of-the-art” en campos relacionados, en particular las tecnologías explotadas para la construcción del prototipo. Luego describe el diseño y desarrollo del citómetro de imagen y el software asociado para el procesado de la señal y el análisis de la muestra, desde un prototipo inicial de laboratorio hasta un dispositivo pre-industrial que puede ser utilizado en escenarios reales (hospitales, líneas de producción de alimentos, depósitos de agua, etc…). El citómetro de imagen desarrollado, muy compacto y potencialmente de bajo coste, ha sido utilizado para detectar células y microorganismos relacionados al diagnóstico de enfermedades infecciosas, la industria alimenticia y estudios ambientales. Estos incluyen células Jurkat y K562, microorganismos estreptococos, Bordetella y E. coli a niveles comparables a los detectados mediante métodos más tradicionales y engorrosos, como aquellos que requieren el uso de equipos de citometría de flujo de gran tamaño.

[CATALÀ] Aquesta Tesi s'enfoca en el desenvolupament del disseny opto-mecànic i la interfície de programari d'un citòmetre d'imatge capaç d'analitzar partícules en petits volums de mostra. El dispositiu consisteix en una font de llum incoherent, un sensor d'imatge CMOS per digitalitzar la informació de la mostra i elements òptics que obtenen la transformada complexa de Fourier del front d'ona de l'espècimen i la processen per a la seva detecció. Implementacions tant no-fluorescents com fluorescents han estat investigades i s'ha demostrat la seva funcionalitat per a la detecció, identificació i caracterització de composicions mixtes de partícules en un mateix volum, sobre un ampli rang de concentracions de l'espècimen (10^7UFC/ml – 10^2UFC/ml). La Tesi inclou un estudi profund del "state-of-the-art" en camps relacionats, en particular les tecnologies explotades per a la construcció del prototip. Després descriu el disseny i desenvolupament del citòmetre de imatge i el programari associat per al processat del senyal i l'anàlisi de la mostra, des d'un prototipus inicial de laboratori fins a un dispositiu preindustrial que pot ser utilitzat en escenaris reals (hospitals, línies de producció d'aliments, dipòsits d'aigua, etc ...). El citòmetre d'imatge desenvolupat, molt compacte i potencialment de baix cost, ha estat utilitzat per a detectar cèl·lules i microorganismes relacionats al diagnòstic de malalties infeccioses, la indústria alimentària i estudis ambientals. Aquests inclouen cèl·lules Jurkat i K562, microorganismes estreptococs, Bordetella i E. coli a nivells comparables als detectats mitjançant mètodes més tradicionals i enutjosos, com aquells que requereixen l'ús d'equips de citometria de flux de grans dimensions.