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深圳大學(xué):可穿戴微針貼片-用于抗利尿激素紊亂綜合癥智能早期預(yù)警

更新時間:2024-10-25點(diǎn)擊次數(shù):174

我國正面臨嚴(yán)重的人口老齡化問題,跌倒已成為65歲以上老年人因傷害死亡的主要原因。夜間頻繁排尿(夜尿癥)顯著增加了老年人跌倒的風(fēng)險,通常需要依賴合成抗利尿藥物(如去氨加壓素)進(jìn)行治療,但這些藥物可能引發(fā)抗利尿激素紊亂綜合征(SIADH),導(dǎo)致體液潴留和鈉離子、尿酸平衡紊亂,甚至引發(fā)嚴(yán)重不良反應(yīng)。傳統(tǒng)抽血檢測方法在獲取鈉離子和尿酸時存在不便及感染風(fēng)險,而基于微針提取組織液的生物傳感技術(shù)為微創(chuàng)、無痛的體內(nèi)鈉離子檢測提供了新思路。然而,目前組織液提取量較低、耗時長且成分復(fù)雜,給鈉離子和尿酸的即時檢測帶來了挑戰(zhàn)。因此,研發(fā)如何實(shí)現(xiàn)快速、高效的組織液提取及便捷的鈉離子和尿酸檢測技術(shù),具有重要的臨床價值,尤其在使用去氨加壓素時可有效預(yù)警藥物的不良反應(yīng)。


圖1. 可穿戴微針貼片-用于抗利尿激素紊亂綜合征智能早期預(yù)警示意圖



為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),深圳大學(xué)蘇磊教授課題組研發(fā)了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)增強(qiáng)的智能可穿戴微針陣列比色傳感器(WMNC),能夠獨(dú)立檢測體內(nèi)組織液中的鈉離子和尿酸水平變化。該傳感器利用負(fù)壓輔助微針陣列集成紙基比色檢測系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)高效、無創(chuàng)的組織液(ISF)采集與分析。相關(guān)成果以“A smart lab on a wearable microneedle patch with convolutional neural network-enhanced colorimetry for early warning of syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion"為題發(fā)表在《Aggregate》期刊上。這項(xiàng)研究的主要貢獻(xiàn)者包括謝媛婷、李凱迪、劉靜、周映、張創(chuàng)杰、于艷。通訊作者為北京醫(yī)院的王建龍教授、深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)部生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的蘇磊教授和深圳大學(xué)的張學(xué)記講席教授。深圳大學(xué)為該論文的第一通訊單位。

團(tuán)隊(duì)使用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch®S140,精度:10μm)對雙通道空心微針陣列進(jìn)行打印,實(shí)現(xiàn)了高精度的微針和空心通道打印效果,確保其檢測性能、機(jī)械強(qiáng)度和重復(fù)使用性(如圖2所示)。



圖2. 可穿戴微針陣列比色(WMNC)傳感器的設(shè)計(jì)、組裝和表征



通過特定的酶催化系統(tǒng),比色紙作為傳感單元與鈉離子和尿酸等目標(biāo)分析物反應(yīng),產(chǎn)生明顯的顏色變化(如圖3所示)。研究結(jié)果表明,在特定濃度范圍內(nèi),顏色變化與分析物濃度呈線性關(guān)系,同時通過智能手機(jī)拍攝的圖像分析獲得了相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)(RGB)值。


圖3. WMNC 傳感器的比色檢測效果



研究人員探討了不同照明條件對WMNC傳感器比色分析結(jié)果的影響,并展示了自主設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)模型對非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境光源下顯色結(jié)果的分類能力。結(jié)果表明,不同色溫和照度會顯著影響檢測結(jié)果的RGB值,干擾檢測準(zhǔn)確性。為此,團(tuán)隊(duì)利用CNN模型學(xué)習(xí)多種光照條件下的比色圖像,有效減少誤差,實(shí)現(xiàn)了對鈉離子和尿酸濃度的快速、準(zhǔn)確分類,提高了比色檢測在POCT應(yīng)用中的可靠性和實(shí)用性(見圖4、圖5)。


圖4. 評估光照條件對比色分析的影響




圖5. 自研CNN模型的鈉離子、尿酸分類識別性能



總結(jié):本研究介紹了一種集成了CNN增強(qiáng)型比色法的智能可穿戴微針貼片傳感器,用于抗利尿激素分泌綜合征的早期預(yù)警。該傳感器通過負(fù)壓輔助的空心微針陣列和內(nèi)置比色傳感單元,在多種光照條件下能高效、快速、準(zhǔn)確地檢測間質(zhì)液中鈉離子和尿酸的變化,為個人化醫(yī)療和遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)提供了新的可能性。