我國正面臨嚴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險，通常需要依賴合成抗利尿藥物（如去氨加壓素）進行治療，但這些藥物可能引發(fā)抗利尿激素紊亂綜合征（SIADH），導致體液潴留和鈉離子、尿酸平衡紊亂，甚至引發(fā)嚴重不良反應。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警藥物的不良反應。
為了應對這一挑戰(zhàn)，深圳大學蘇磊教授課題組研發(fā)了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）增強的智能可穿戴微針陣列比色傳感器（WMNC），能夠獨立檢測體內(nèi)組織液中的鈉離子和尿酸水平變化。該傳感器利用負壓輔助微針陣列集成紙基比色檢測系統(tǒng)，以實現(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。這項研究的主要貢獻者包括謝媛婷、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、深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院的蘇磊教授和深圳大學的張學記講席教授。深圳大學為該論文的第一通訊單位。
團隊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行打印，實現(xiàn)了高精度的微針和空心通道打印效果，確保其檢測性能、機械強度和重復使用性（如圖2所示）。
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分析物反應，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，同時通過智能手機拍攝的圖像分析獲得了相應的紅、綠、藍（RGB）值。
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，并展示了自主設計的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）模型對非標準環(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，干擾檢測準確性。為此，團隊利用CNN模型學習多種光照條件下的比色圖像，有效減少誤差，實現(xiàn)了對鈉離子和尿酸濃度的快速、準確分類，提高了比色檢測在POCT應用中的可靠性和實用性（見圖4、圖5）。
總結(jié)：本研究介紹了一種集成了CNN增強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警。該傳感器通過負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)療和遠程患者監(jiān)護提供了新的可能性。
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