論文の概要: Virtual impactor-based label-free bio-aerosol detection using holography and deep learning

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2208.13979v1
• Date: Tue, 30 Aug 2022 04:18:18 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2022-08-31 13:43:13.129933
• Title: Virtual impactor-based label-free bio-aerosol detection using holography and deep learning
• Title（参考訳）: ホログラフィと深層学習を用いた仮想衝突型ラベルフリーバイオアエロソル検出
• Authors: Yi Luo, Yijie Zhang, Tairan Liu, Alan Yu, Yichen Wu, Aydogan Ozcan
• Abstract要約: カビ胞子や花粉などの生物エアロゾルへの曝露は健康に悪影響を及ぼす可能性がある。 本稿では, 仮想衝突装置に集束された粒子状物質のホログラフィック画像を撮影する, 無ラベルバイオエアロゾルセンサを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 12.638229037752586
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Exposure to bio-aerosols such as mold spores and pollen can lead to adverse health effects. There is a need for a portable and cost-effective device for long-term monitoring and quantification of various bio-aerosols. To address this need, we present a mobile and cost-effective label-free bio-aerosol sensor that takes holographic images of flowing particulate matter concentrated by a virtual impactor, which selectively slows down and guides particles larger than ~6 microns to fly through an imaging window. The flowing particles are illuminated by a pulsed laser diode, casting their inline holograms on a CMOS image sensor in a lens-free mobile imaging device. The illumination contains three short pulses with a negligible shift of the flowing particle within one pulse, and triplicate holograms of the same particle are recorded at a single frame before it exits the imaging field-of-view, revealing different perspectives of each particle. The particles within the virtual impactor are localized through a differential detection scheme, and a deep neural network classifies the aerosol type in a label-free manner, based on the acquired holographic images. We demonstrated the success of this mobile bio-aerosol detector with a virtual impactor using different types of pollen (i.e., bermuda, elm, oak, pine, sycamore, and wheat) and achieved a blind classification accuracy of 92.91%. This mobile and cost-effective device weighs ~700 g and can be used for label-free sensing and quantification of various bio-aerosols over extended periods since it is based on a cartridge-free virtual impactor that does not capture or immobilize particulate matter.
• Abstract（参考訳）: カビ胞子や花粉などの生物エアロゾルへの曝露は健康に悪影響を及ぼす可能性がある。 様々なバイオエアロゾルの長期モニタリングと定量化のためのポータブルで費用対効果の高い装置が必要である。 このニーズに対処するために,仮想インパクタによって集束された粒子状物質のホログラフィック画像を撮影し,選択的にスローダウンし,約6ミクロン以上の粒子を撮像ウィンドウに誘導する,移動可能で費用対効果の高いラベルレスバイオアエロソルセンサを提案する。 流れる粒子をパルスレーザーダイオードで照射し、レンズレス移動撮像装置においてCMOSイメージセンサにインラインホログラムを投入する。 この照明は、1つのパルス内で流れる粒子の無視可能なシフトを有する3つの短パルスを含み、同一粒子の3重ホログラムを撮像野を出る前に1つのフレームに記録し、各粒子の異なる視点を明らかにする。 仮想インパクト器内の粒子は、差分検出方式により局所化され、深層ニューラルネットワークは、取得したホログラフィック画像に基づいて、ラベルのない方法でエアロゾルタイプを分類する。 各種花粉(ブムダ, エルム, オーク, 松, シカモア, 小麦)を用いた仮想衝撃計を用いた移動式バイオエアロゾル検出器の成功を実証し, 92.91%のブラインド分類精度を得た。 この移動式で費用対効果の高い装置は700g程度で、粒子状物質を捕獲したり固定したりしないカートリッジフリーの仮想衝撃装置に基づいているため、長期間にわたって様々なバイオエアロゾルのラベルフリーセンシングや定量化に使用できる。

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