通过光盘诊断的开源分享

描述

问题：COVID 测试速度慢、成本高、扩展性差

• 印度是一个拥有超过 13.5 亿人口的国家，由于测试成本高、制造缓慢导致缺乏本土测试套件、最终用户的技能、无法获得昂贵的测试设备，如 RT-PCR 等
• 设计一种诊断 COVID 19 的方法，该方法使用容易获得的电子设备（如 CD DVD 播放器），该设备采用具有成本效益的样品制备方法来提供快速可靠的结果。

我们的解决方案：以极低的成本测试大量样品

• 我们的软件使用 CD/DVD 光盘阅读器技术对 CD/DVD 光盘上准备的生物测定进行定量分析，以检测 COVID 19，可以快速执行抗体/抗原测试、比色测试等，具有高特异性和灵敏度，但最重要的是在成本相对可以忽略不计。
• 我们的方法的成本非常低，因为它使用了全球普遍可用的硬件：任何可以运行 Linux 的计算机，任何 CD/DVD 播放器的计算机设计者，可能需要一个便宜的适配器来连接两者。它甚至可以通过 USB在 Raspberry Pi model 1 上运行。
• 一种准备光盘表面的方法，用于在 CD/DVD 表面上进行检测，使用特殊蛋白质（由肽键连接的短氨基酸链）测试 COVID 19。尽管最重要的是诊断技术，而不是我们对其进行的生物测试，这也确保了它在未来市场中的可用性和必要性。

我们提出的解决方案涉及对光盘 (CD/DVD) 的聚碳酸酯层进行表面改性，然后开发一种类似于微量 ELISA 三明治格式的测定法来检测 SARS COV-2，并通过 CD/DVD 光盘完成测定法的表征读者技术。为此选择的检测和捕获分子是一种小肽。

免责声明：我们仍在测试蛋白质的效率并等待同行评审和验证的结果。此阶段完成后，我们将共享所有测试结果。最初我们开发了 COVID 软件，但我们可以执行其他生物分析测试和许多其他诊断测试，这将作为开发中的长期低成本解决方案国家。

项目概览

设置

使用物品清单：

• 带电源的树莓派
• CD（或 DVD/蓝光）阅读器
• USB 到 IDE/SATA 适配器（在此示例中，CD 阅读器是 IDE）及其电源和电缆。
• 显示器、电源线、HDMI线
• 键盘、鼠标
• 配电电缆

我们的队伍

我们是一个由以下人员组成的团队：

• Gourav Samal （印度 NIT Rourkela 材料工程本科生）担任项目负责人。
• Stephane Gourichon（法国巴黎索邦大学）担任软件工程师和项目激励者。École Polytechnique (ParisTech) 工程师学位，Ph.D. 索邦大学计算机科学专业，拥有丰富的工业/嵌入式系统软件经验，包括交通、国防、安全和健康。
• Ashwin Gopinath教授（美国麻省理工学院）作为我们的生物学专家和顾问。波士顿大学电机工程博士，加州理工学院生物工程系研究科学家。获得罗伯特·德克斯分子编程奖。
• Vamsi Krishna Gotti （Awalk，创始人兼首席执行官）。印度 NIT Rourkela 电子与仪器工程本科生 拥有系统设计、固件开发和 Web 应用程序开发方面的经验。
• Guna Sai（印度 NIT Rourkela 材料工程本科生）担任团队支持成员。
• 我们中的一些人在巴黎COVID -19 编程马拉松 HEC/Polytechnique/SciencesPo 上认识了彼此。由于封锁，我们都在家中远程工作。

首先要做的事情：让我们完成一些基础知识，这对于理解该项目非常重要，让我们了解 DVD 驱动器的工作原理。请访问此链接以获取详细说明、核心概念和一些极客奖励材料。

参考文献列表

考虑到该主题的复杂性和跨学科性质，目前该领域的人员已经熟悉 ELISA 测试，但不熟悉基于 CD/DVD 驱动器的诊断。因此，我们提供了一个链接，其中包含一系列科学文章和补充材料，这将进一步帮助他们理解和解释所获得的结果。使用此链接下载此项目中使用的所有补充文档，这些文档位于一个文件夹中。

软件

我们开发了一个用于执行生物测定分析的 GUI。

我们针对廉价计算机 Raspberry Pi 编写了一个方便的图形用户界面 (GUI)，也可以在 Linux 台式机上工作，以利用许多现有计算机。

我们在运行 Ubuntu 20.04 和 18.04 以及 ArchLinux 的普通 PC 以及运行 Raspberry Pi OS 10（Raspbian，基于 Debian 10 buster）的 Raspberry Pi model 1 上成功测试了它。

这是 GUI 的样子：

GUI 基于 Python、NumPy、Qt、pyqtgrah 和 libcdio 构建。

如果您有一台运行 Linux 的计算机并且能够以 root 身份安装软件（为 Debian 和 Ubuntu 提供了脚本），说明在 Github 存储库中。

然后您可以使用这个典型的工作流程运行 GUI：

• 打开图形用户界面
• 选择您要使用的 CD-Rom 驱动器（如果已经选择了一个）
• 如果您的驱动器没有物理按钮，则提供方便的按钮“弹出”和“关闭托盘”
• 插入装有您准备好的样本的 CD，然后关闭托盘。
• 点击“开始分析”
• 分析将持续几分钟，并会实时显示图表。

这个动画 GIF 显示进度：

有关更多详细信息，包括安装步骤，请参阅Github 页面自述文件。我们还提供了 bash 脚本以便于安装。

某些驱动器可能需要或多或少的时间来执行分析。有些驱动器可能会卡住很长时间。您可以随时按“停止”键取消分析并保留局部图。

底部的图形随窗口调整大小，是一个交互式 pyqtgraph，您可以在其中缩放。您可以导出 CSV 数据以供参考。

峰的位置和高度用作区分样品和提供诊断的基础。

请查看此文档以执行测试以及如何识别和解释结果。

基于误差的生物测定定量

光盘 (CD) 可以重新用作快速、低成本、高通量筛选平台，用于运行生物测定，而无需修改检测硬件（标准光驱）。我们开发了软件，通过以C1/PIE和C2/PIF错误的形式定位错误位置来识别错误扇区。错误扇区的数量随着分析物浓度的增加而增加。

该方法可用于执行ELISA的定量分析和许多其他类型的定量分析，以及比色法。现在让我们了解什么是ELISA。

酶联免疫吸附试验

ELISA（酶联免疫吸附测定）是一种基于平板的测定技术，设计用于检测和量化肽、蛋白质、抗体和激素。在 ELISA 中，必须将抗原固定到固体表面，然后与连接酶的抗体复合。抗原-抗体复合物是由多种抗原与抗体结合形成的分子。结合的抗原和抗体作为一个单一的对象。

检测是通过与底物一起孵育以产生可测量的产物来评估结合酶的活性来完成的。检测策略中最关键的要素是高度特异性的抗体-抗原相互作用。酶联免疫吸附测定 (ELISA) 原理与其他免疫测定技术非常相似。ELISA 依靠特异性抗体结合靶抗原，以及检测系统来指示抗原结合的存在和数量。为了最大限度地提高检测的灵敏度和精度，必须用高亲和力抗体小心地包被板。（“ELISA 基本原理，它是如何工作的。”[在线]。可用：https://www.bosterbio.com/protocol-and-troubleshooting/elisa-principle。）

现在，这些是 ELISA 测试的生物学细节。对于定量分析，使用称为 ELISA 读取器的设备。要深入了解 ELISA 测试以及 ELISA 读取器的工作原理，请参阅此链接。现在我们将了解我们的软件如何工作以及我们将如何使用 CD/DVD模仿此设备的功能并产生准确的结果。

重要说明现在我们要做的是利用 CD/DVD 驱动器的特性，使用与 ELISA 读取器类似的原理来执行定量分析，即通过测定测量光的吸收率。现在，我们无法直接访问来自传感器的原始信号，因此我们找到了一种间接方法来测量分析物的浓度。这将在接下来的部分中解释。

CD/DVD 光盘中的错误

现在让我们了解什么是 C1/PIE 和 C2/PIF 误差，以及它们如何用于定量分析。

1. C1 错误：这些是最低级别的位错误，通常以每秒错误数来衡量。此块错误率或 (BLER)是光盘质量的指示。

2. C2 错误：这可能是由于母版 CD 刻录不佳、母版媒体质量不佳以及光盘划痕、标记和磨损造成的。C2 错误是读取错误，并不总是光盘的物理缺陷。

3. PIE（仅限 DVD）：Parity Inner errors (PIE) 是有错误的奇偶校验内部行数。如果驱动器无法纠正 PIE，则将其视为 PIF。如果驱动器无法纠正 PIF，则将其视为 POE。

4. POE（仅限 DVD）：奇偶校验外部错误 (POE) 是ECC 块中不可纠正的奇偶校验外部列的数量。

（“CD 复制、DVD 复制、CD 复制英国服务 » 博客存档 » CD 复制 C1、C2 和 CU 光盘错误。”[在线]。可用：http ://www.testa-rossa.com/cd-duplication-c1 -c2-and-cu-disc-errors/. )

注意：有关错误及其生成方式、错误更正方法等的更多详细说明，请访问此链接。对于 DVD 驱动器，PIE 和 PIF 是根据不同的算法生成的。请访问以下链接了解更多详情。标准 ECMA 267 (http://www.ecma-international.org)，p. 26–30

光学现象

现在让我们了解所有这些技术术语如何适用于我们的项目：

用于读取 DVD 和 CD 的传统光盘驱动器包含执行定量化学和生物分析所需的所有组件。该驱动器有两个 650 和 780 nm 的激光器，分别用于读取 DVD 和 CD，一个 Si 光电二极管检测器，以及一个用于扫描整个磁盘表面的精密激光跟踪系统。在开发的 Lab-on-DVD 传感器系统中，从光电二极管提取模拟信号，然后在从光盘读取数字内容期间将其数字化并带入数据采集程序。该信号用于定量检测沉积在光盘读取表面上的化学或生物测定的光学特性的变化。

在没有检测的情况下，激光通过光盘表面传输，从光盘的反射数据层反射，然后返回到光电二极管检测器。当对 CD 或 DVD 光盘的读取面进行检测时，激光会两次穿过传感器薄膜，如上图所示。在传感器薄膜与化学或生物物质相互作用时，传感器薄膜的光学特性发生变化，导致激光拾取头的光电二极管检测器检测到的光量发生变化，并允许对测定响应进行定量。

传统 CD/DVD 驱动器的光学系统将激光聚焦到磁盘内的反射层上，达到 ~1 µm 的光点，并对到达检测器的光提供偏振和相位控制。在从磁盘读取数字数据时，这些特性对于抑制环境光和由磁盘表面的划痕和其他缺陷产生的光很重要。在当前的光盘驱动器应用中，这些特性为基于分析中可能产生的各种光学现象的化学和生物量化提供了机会（见上图 B）。（RA Potyrailo、WG Morris、AM Leach、TM Sivavec、MB Wisnudel 和 S. Boyette，“用于定量化学传感的计算机光盘驱动器的模拟信号采集”，Anal. Chem。，卷。78，没有。16，第 5893–5899 页，2006 年。）

原则

这是最重要的部分，我们项目的基础，它是如何工作的。

现在，对于定量分析（或者可以称之为多重生物筛选），我们开发了一种软件，该软件将根据上述各种光学现象产生的错误计数进行定量分析。由于这些现象取决于多种因素，我们必须控制其中的一些因素以测量所需参数的分析物浓度、蛋白质的存在与否等。因此，圆盘表面的任何不规则都会产生各种影响。这些影响将以错误计数的形式出现，但为此，我们需要了解大小为 ∼200 nm (> λ/4) 的物体才能引起激光反射的显着中断（以创建“可读的” ” 数字信号）在标准光驱中。

生物大分子（通常为几纳米）太小而无法检测；因此，必须放大分子结合信号。我们的意思是，使用现成的检测分子，我们可以通过产生大到足以阻挡/散射激光的分子来放大信号，从而产生光驱可检测到的读取错误。在饱和浓度下，可以用肉眼观察到结合点。有关详细信息，请参阅ELISA 底物和标准 ELISA 程序。

请注意，我们在测定中使用阳性和阴性对照，以便我们可以检查假阳性、测定的有效性并优化测定程序。

我们用不同浓度的染料标记了圆盘的表面。该软件将扫描光盘并根据 y 轴上的错误计数及其在 x 轴上的逻辑位置（称为扇区号）/播放时间生成图表。下面给出了一个例子。

重要说明：我们可以通过使用已知浓度的样品/分析物绘制校准曲线来标准化测试结果。然后扫描实验样品，根据校准曲线拟合数据，求出分析物的浓度。

使用我们的软件，可以在圆盘本身的表面上进行 ELISA 测试和更多实验，并且具有高灵敏度。可以使用下面给出的公式确定 CD 上发生反应/结合事件的位置（如果它显着干扰激光读取过程）。

如下图所示，典型的 700-MB CD-R 包含 79.7 分钟音频数据的可编程区域半径为 58 毫米，25 毫米为中心部分的半径。这个可编程区域是我们的实验区域。检测只能在这部分开发，否则会导致读取光盘时出错。

对于 DVD，可以使用相同的公式，将常数替换为符合 DVD 规格的常数。该公式也可以使用逻辑位置而不是播放时间以不同的格式编写。

对于标准尺寸的单面 DVD，总数据存储容量为 4.7 GB，数据记录在半径为 24 毫米至 58 毫米的区域。等式 1 和 2 都是必需的，因为我们可以根据相应的物理位置（即扇区距光盘中心的径向距离）转换误差分布图。这消除了数据的扩展，因为光盘外部的扇区多于内部。

光盘上的生物测定

可以在 CD/DVD 的表面上执行不同种类的生物测定。对于这个项目，我们只考虑在光盘（CD、DVD 等）的表面进行 ELISA。CD、DVD 的表面由聚碳酸酯材料制成，这使得它们适合执行 ELISA 测试，因为已经进行了广泛的研究以优化测试参数。然而，我们必须注意，其他一些测试，如用于病毒检测的基于抗体/抗原的测试、检查水污染水平以及更多测试，可以使用前面描述的相同原理和光学现象进行。可能性是无限的。

专门针对 COVID 19 的检测，我们找到了一种合适的蛋白质，可作为检测分子/抗原/抗体。我们需要大量的临床试验才能100%确定实际数字，并优化试剂的检测参数和用量。到那时我们将无法提供确切的蛋白质，因为我们尚未收到经过验证的结果。就过去的研究而言，这种使用基于误差的分析方法可以检测出超过80%的灵敏度。

请在此链接中找到在光盘上准备 ELISA 测定的详细步骤。请谨慎行事，因为该主题非常敏感，因为它与传染病的诊断有关。尽管您也可以使用此软件进行非常简单的实验。

经常问的问题

问：当有如此多的驱动器时，人们如何进行任何有意义的测量，其中大多数驱动器的固件如此古怪，甚至都不是测量设备？

答：这是我们想法的概念证明。我们正在努力通过使用定制硬件（即经过少量修改的 CD/DVD 驱动器和一些额外的硬件来标准化结果）来获得更好的灵敏度和特异性。我们还计划提供具有已知属性且适合运行此类测试的光盘。

问：光盘卡住、驱动器可能不同、驱动器无法识别等运行时错误怎么办？

一种。这可以使用我们在材料清单和之前的特定文档中提到的推荐硬件来解决。这些可以通过其他方式解决；视情况而定。

结论：

• 我们的软件有助于以极低的初始投资成本和每个样本试剂成本提高 COVID 19 和其他生物测定的测试。
• 它为技术/非技术用户提供了一个平台，可以轻松地进行生物测定的定量分析。

得到教训

• 无论人们来自哪里，无论他们来自哪里，甚至在家中也可以聚在一起用廉价的电子产品制造出真正令人惊叹的东西。
• CD/DVD 等消费电子产品堪称现代工程奇迹。但是，它们的工作方式、对它们完整功能的访问权限都无法公开获得，也没有得到很好的记录。

未来的计划

• 我们正在构建另一个原型，它使用 DVD 驱动器和一些额外的硬件来从驱动器中获取原始数据，并在执行分析时提供更好的灵敏度。
• 在护理点环境中制作独立的诊断系统，提供廉价和高吞吐量的诊断。