精確、同步、快速檢測人類眼淚中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物對于監(jiān)測眼部和全身健康狀況至關(guān)重要。利用可穿戴比色生物化學(xué)傳感器有望實(shí)現(xiàn)對眼淚中關(guān)鍵生物標(biāo)志物的快速和同步檢測。但是，在數(shù)據(jù)收集、解釋和共享方面存在挑戰(zhàn)，阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

為了克服這些挑戰(zhàn)，近期，中國石油大學(xué)（華東）張冬至教授、董炎副教授等人提出了一種人工智能輔助可穿戴微流控比色傳感器系統(tǒng)（AI-WMCS），用于快速、和同時(shí)檢測人類眼淚中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物，包括、H+（pH）、Ca2+和蛋白質(zhì)。

要點(diǎn)

1、本研究提出了一種人工智能輔助的可穿戴微流控比色傳感系統(tǒng)（AI-WMCS），用于快速、、同時(shí)檢測人類眼淚中的關(guān)鍵生物標(biāo)志物，包括、H+（pH）、Ca2+和蛋白質(zhì)。

2、該傳感器由一個(gè)柔性PDMS微流控比色傳感貼片和一個(gè)嵌入智能手機(jī)中的基于深度學(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，前者用于收集眼淚并促進(jìn)比色反應(yīng)，后者可實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)據(jù)采集、解釋、自動校正和顯示。

3、通過訓(xùn)練多通道卷積循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN-GRU）可以校正測量中不同pH和顏色溫度引起的濃度數(shù)據(jù)誤差，從而提高預(yù)測濃度的準(zhǔn)確性。

4、測試集的決定系數(shù)（R2）顯示，1D-CNN-GRU預(yù)測pH值和3D-CNN-GRU預(yù)測其他三種生物標(biāo)志物的準(zhǔn)確度分別高達(dá)0.998和0.994。

5、這種校正大大提高了預(yù)測濃度的準(zhǔn)確性，只需使用微量淚液（約20μL）即可準(zhǔn)確、同時(shí)、快速地檢測出四種關(guān)鍵的淚液生物標(biāo)記物。

6、這項(xiàng)研究展示了柔性微流控比色生物傳感器和深度學(xué)習(xí)算法的強(qiáng)大集成，為健康監(jiān)測領(lǐng)域帶來了革命性的發(fā)展機(jī)遇，有望推動個(gè)人精準(zhǔn)醫(yī)療與遠(yuǎn)程診療的進(jìn)步。

傳統(tǒng)的電化學(xué)淚液傳感器存在哪些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)是如何通過本文提出的比色傳感器系統(tǒng)得到解決的？

1、制造成本和復(fù)雜性：

傳統(tǒng)傳感器集成了多個(gè)組件，如電化學(xué)感應(yīng)電極、電源和無線數(shù)據(jù)傳輸單元，其制造過程復(fù)雜且成本較高。

比色傳感器系統(tǒng)使用柔性微流控貼片，簡化了制造流程，降低了成本。

2、可靠性和舒適性：

電化學(xué)傳感器長時(shí)間佩戴時(shí)可能不穩(wěn)定，增加了眼部感染的風(fēng)險(xiǎn)。

比色傳感器系統(tǒng)采用的微流控貼片更柔軟、更舒適，減少了眼部的潛在不適和感染風(fēng)險(xiǎn)。

3、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：

電化學(xué)傳感器可能受到淚液pH值變化和環(huán)境光線條件的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性下降。

比色傳感器系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)算法，特別是CNN-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動校正pH值和色溫變化帶來的誤差，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4、用戶友好性：

電化學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)讀取和解釋可能較為復(fù)雜。

比色傳感器系統(tǒng)與智能手機(jī)集成，通過云服務(wù)器數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（CSDAS）簡化了數(shù)據(jù)的采集、解釋和顯示過程，提高了用戶友好性。

5、實(shí)時(shí)與連續(xù)監(jiān)測能力：

傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器因電源和電路復(fù)雜性難以實(shí)現(xiàn)對淚液生物標(biāo)志物的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。

本文提出的比色傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡化，能夠快速響應(yīng)淚液變化，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了其連續(xù)監(jiān)測的潛力。

綜上所述，比色傳感器系統(tǒng)通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和深度學(xué)習(xí)算法，有效地克服了傳統(tǒng)電化學(xué)淚液傳感器的多項(xiàng)挑戰(zhàn)。