基于一種AI輔助可穿戴微流控比色傳感器系統(tǒng)

精確、同步、快速地檢測人體淚液中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物對(duì)于監(jiān)測眼部和全身健康狀況至關(guān)重要。利用可穿戴比色生化傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)淚液中關(guān)鍵生物標(biāo)志物的快速、同步檢測。然而，比色傳感器在數(shù)據(jù)收集、解釋和共享方面存在的挑戰(zhàn)限制了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了克服這些挑戰(zhàn)，來自中國石油大學(xué)（華東）的研究人員開發(fā)了一種人工智能（AI）輔助的可穿戴微流控比色傳感器系統(tǒng)（AI-WMCS），用于快速、無創(chuàng)、同步檢測人類淚液中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物，包括維生素C、H?（pH）、Ca2?和蛋白質(zhì)。該傳感器由一個(gè)柔性微流控表皮貼片和一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)器數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（CSDAS）組成，前者可收集眼淚并促進(jìn)比色反應(yīng)，后者則嵌入到智能手機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)據(jù)的采集、解釋、自動(dòng)校正和顯示。

圖1 AI-WMCS系統(tǒng)的工作原理

為提高準(zhǔn)確性，該研究利用一個(gè)訓(xùn)練有素的多通道卷積遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN-GRU）來校正不同測量中因pH值和色溫變化而導(dǎo)致的濃度數(shù)據(jù)解釋誤差。結(jié)果顯示，經(jīng)校正，預(yù)測pH值的1D-CNN-GRU和預(yù)測其他三種生物標(biāo)志物的3D-CNN-GRU的測試集確定系數(shù)（R2）分別高達(dá)0.998和0.994，證明這種校正大大提高了預(yù)測濃度的準(zhǔn)確性。此外，利用該研究開發(fā)的微流控比色傳感器系統(tǒng)，只需使用微量的淚液（約20 μL）就能準(zhǔn)確、同時(shí)、快速地檢測出四種關(guān)鍵的淚液生物標(biāo)志物。

這項(xiàng)研究展示了柔性微流控比色生物傳感器與深度學(xué)習(xí)算法的有力結(jié)合，為健康監(jiān)測領(lǐng)域帶來了巨大的變革潛力。相關(guān)研究成果以“An artificial intelligence-assisted microfluidic colorimetric wearable sensor system for monitoring of key tear biomarkers”為題發(fā)表在npj flexible electronics期刊上。

柔性微流控比色傳感器貼片

如圖2a所示，新月形PDMS微流控貼片（36 mm × 22 mm）由頂部的PDMS層、比色傳感紙基芯片、PDMS微流控通道層和底部的雙面醫(yī)用粘合層組成。柔性微流控貼片（厚度：1.5 mm）可以通過雙面醫(yī)用粘合層輕松貼合在柔軟的皮膚曲面上，并覆蓋整個(gè)眼下區(qū)域，從而有利于無創(chuàng)、無刺激地收集淚液。在重力作用下，該區(qū)域的淚液會(huì)流向微流控貼片的頂部邊緣。然后，淚液繼續(xù)流過凹形頂邊，進(jìn)入位于中心凹口（長度：35 mm）的微流控通道入口。

圖2 柔性微流控傳感器貼片示意圖

淚液通過入口進(jìn)入微流控通道之后，四個(gè)微通道（800 μm × 800 μm）將淚液輸送到四個(gè)圓形微型儲(chǔ)液器（直徑：6 mm，厚度：800 μm）中。每個(gè)儲(chǔ)液器中都有一個(gè)經(jīng)過發(fā)色試劑處理的濾紙芯片，作為淚液中不同關(guān)鍵生物標(biāo)志物（維生素C、H?、Ca2?和蛋白質(zhì)）的比色傳感元件。與目標(biāo)分析物（維生素C、H?、Ca2?和蛋白質(zhì)）反應(yīng)后，相應(yīng)的比色紙基芯片會(huì)通過顯色化學(xué)反應(yīng)顯現(xiàn)顏色。顯色的RGB值與生物標(biāo)志物濃度相關(guān)。

可穿戴比色生物傳感微系統(tǒng)

為了證明AI-WMCS微系統(tǒng)對(duì)淚液生物標(biāo)志物的出色傳感性能，研究人員用不同成分的關(guān)鍵生物標(biāo)志物（維生素C、H?、Ca2?和蛋白質(zhì)）和不同pH值的人工淚液樣品對(duì)AI-WMCS微系統(tǒng)進(jìn)行了測試。如圖4a-d所示，根據(jù)圖3所示的校準(zhǔn)曲線計(jì)算出的四個(gè)傳感器的濃度加標(biāo)回收率在81.76 - 205.86%之間，遠(yuǎn)大于使用CSDAS系統(tǒng)計(jì)算出的范圍（在95.03-113.13%之間），這表明淚液樣品中四種生物標(biāo)志物濃度數(shù)據(jù)的預(yù)測準(zhǔn)確度要高得多。圖4e-h顯示了從AI-WMCS微系統(tǒng)讀取的四種目標(biāo)生物標(biāo)志物濃度與真實(shí)濃度值之間的相關(guān)性，與未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)相比，所有四個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的皮爾遜系數(shù)都有顯著提高。此外，研究人員還制備了三種人工淚液樣本進(jìn)行分析，并將結(jié)果與不同標(biāo)志物的市售檢測方法進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，對(duì)于每種生物標(biāo)志物，本文提出的AI-WMCS微系統(tǒng)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法的結(jié)果沒有顯著差異，進(jìn)一步證明了AI-WMCS微系統(tǒng)在顏色數(shù)據(jù)分析和解釋方面的卓越性能，從而顯著提高了預(yù)測濃度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 人工淚液中維生素C、pH值、Ca2?和蛋白質(zhì)的定量比色分析

圖4 AI-WMCS傳感器系統(tǒng)的性能

此外，為了驗(yàn)證AI-WMCS微系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的傳感性能，該研究將該微流控傳感器貼片貼附在人類受試者眼下區(qū)域來收集淚液。如圖4i所示，柔性傳感器貼片可緊貼受試者眼下柔軟的皮膚曲面，并保持平滑。傳感器貼片上的微流控通道將收集到的淚液輸送到微型儲(chǔ)液器中，并在那里進(jìn)行比色反應(yīng)。待顏色穩(wěn)定后（反應(yīng)1分鐘），智能手機(jī)會(huì)捕捉傳感器的圖像，并通過Web瀏覽器的用戶界面將圖像上傳到CSDAS系統(tǒng)。云服務(wù)器中的CSDAS系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從捕捉到的傳感器圖像中提取顏色數(shù)據(jù)，并通過自動(dòng)pH值和色溫校正完成顏色數(shù)據(jù)到濃度值的解釋。然后，傳感器系統(tǒng)會(huì)將得出的濃度數(shù)據(jù)顯示在用戶界面上，方便數(shù)據(jù)讀取。為了驗(yàn)證所開發(fā)的傳感器系統(tǒng)在真實(shí)淚液測試中的能力，研究人員使用AI-WMCS傳感器系統(tǒng)測試了五名健康志愿者的真實(shí)淚液。獲得的所有四種目標(biāo)分析物（維生素C、pH值、Ca2?和蛋白質(zhì)）的濃度都在其生理濃度范圍內(nèi)，展示了AI-WMCS傳感器系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中檢測真實(shí)淚液樣本的能力。

圖5 CSDAS系統(tǒng)的工作原理

綜上所述，本研究提出了一種用于無創(chuàng)、快速、準(zhǔn)確和同步監(jiān)測淚液中多種關(guān)鍵生物標(biāo)志物（維生素C、pH值、Ca2?和蛋白質(zhì)）的AI輔助可穿戴微流控比色傳感器系統(tǒng)（AI-WMCS）。AI-WMCS系統(tǒng)由用于無創(chuàng)淚液采集和比色反應(yīng)的PDMS柔性微流控比色傳感貼片和智能手機(jī)上的用戶友好型云服務(wù)器數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（CSDAS系統(tǒng)）組成，后者用于比色數(shù)據(jù)采集、解讀、pH值和色溫自動(dòng)校正以及數(shù)據(jù)顯示。CSDAS系統(tǒng)中嵌入了一個(gè)訓(xùn)練有素的多通道CNN-GRU深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)校正預(yù)測濃度數(shù)據(jù)中的誤差，從而顯著提高了淚液中所有四種關(guān)鍵生物標(biāo)志物（維生素C、pH值、Ca2?和蛋白質(zhì)）的預(yù)測濃度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。總而言之，基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的AI與柔性微流控比色裝置相結(jié)合的策略，為通過無創(chuàng)監(jiān)測人類淚液中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物來評(píng)估眼部和全身健康狀況提供了一種前景廣闊、方便快捷、成本低廉的策略，為推進(jìn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供了研究方向。

審核編輯：彭菁