Датчик на базе искусственного интеллекта для высокочувствительной диагностики сердца может сделать доступ более доступным
Исследовательская группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала метод хемилюминесцентного анализа вертикального потока на основе глубокого обучения (CL-VFA), который позволяет проводить тестирование сердечного тропонина I (cTnI) на уровне клинической лаборатории на портативной и экономически эффективной платформе, устанавливаемой в месте оказания медицинской помощи.
Их работа, опубликованная в журнале Small , демонстрирует, как интеграция биосенсоров на основе хемилюминесценции, высокочувствительной визуализации с помощью портативного считывателя и анализа данных на основе искусственного интеллекта позволяет проводить быструю и высокочувствительную количественную оценку cTnI для выявления инфаркта миокарда (ИМ), также известного как сердечный приступ, в различных клинических ситуациях.
Эта технология потенциально способна сделать доступ к быстрой и надежной диагностике заболеваний сердца более доступным, особенно в условиях ограниченных ресурсов, где отсутствует современная лабораторная инфраструктура.
Сердечно-сосудистые заболевания остаются ведущей причиной смерти в мире, ежегодно унося с собой более 19 миллионов смертей. Раннее выявление инфаркта миокарда имеет решающее значение для снижения смертности и улучшения результатов лечения пациентов.
Однако современные высокочувствительные анализы cTnI основаны на больших и дорогих лабораторных анализаторах, требующих обученного персонала, что ограничивает доступ к жизненно важной диагностике заболеваний сердца, особенно в условиях ограниченных ресурсов , где быстрое принятие клинических решений имеет решающее значение.
Для решения этой проблемы исследователи Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали новую диагностическую платформу для оказания медицинской помощи, которая обеспечивает высокочувствительное тестирование тропонина в компактном, портативном и экономичном исполнении.
Данное исследование проводилось под руководством доктора Айдогана Озкана, профессора кафедры электротехники и вычислительной техники и заместителя директора Калифорнийского института наносистем (CNSI) в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, в сотрудничестве с профессором Дино Ди Карло из кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и профессором Омаи Гарнером, директором Лаборатории клинической микробиологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Первыми авторами статьи являются доктор Гео-Ре Хан, научный сотрудник, и Артем Гончаров, аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
Эта платформа отличается надежной интеграцией вычислительного анализа на основе глубокого обучения и высокочувствительного хемилюминесцентного биосенсора. Это нововведение позволяет обнаруживать cTnI на уровнях всего 0,1–0,2 пг/мл и в широком динамическом диапазоне от менее 1 пг/мл до 100 нг/мл.
Эти характеристики превосходят существующие устройства для оказания помощи, эффективно соответствуя клиническим стандартам для высокочувствительного тестирования тропонина — важного фактора ранней диагностики инфаркта миокарда и стратификации риска. Этот датчик для оказания помощи требует всего 50 мкл сыворотки и отличается оптимизированным рабочим процессом, что потенциально позволяет медицинскому персоналу выполнять тесты с простотой. Он обеспечивает результаты cTnI всего за 25 минут для быстрого принятия клинических решений.
«Эта технология представляет собой важный шаг к демократизации высококачественной кардиодиагностики», — сказал профессор Озкан. «Объединив анализ на основе ИИ, хемилюминесцентное биосенсорное исследование и портативную высокочувствительную визуализацию, мы можем преодолеть разрыв между тестированием в центральной лаборатории и принятием клинических решений в режиме реального времени в отделениях неотложной помощи, сельских клиниках и децентрализованных медицинских учреждениях».
Этот вычислительный датчик работает в два ключевых этапа: фаза иммуноанализа, за которой следует промывка и фаза генерации сигнала хемилюминесценции. Во время фазы иммуноанализа полимеризованный конъюгат на основе фермента связывается с cTnI в сыворотке.
В фазе генерации сигнала хемилюминесцентный материал активируется посредством ферментативной реакции, производя световой сигнал, который улавливается специально разработанным портативным считывателем. Затем алгоритм на основе глубокого обучения обрабатывает эти изображения, чтобы вывести концентрации cTnI в измеренном образце сыворотки.
«Возможность достижения такой высокой чувствительности в портативной системе — это переломный момент в тестировании тропонина в месте оказания медицинской помощи», — сказал доктор Гео-Ре Хан. «Наш подход успешно сочетает надежное биосенсорное CL с обработкой данных на основе ИИ, что делает его одновременно высокоточным и практичным для использования в реальных условиях».
Исследователи тщательно проверили свою сенсорную платформу, используя клинические образцы сыворотки. В слепом исследовании проверки с образцами пациентов их сенсор показал сильную корреляцию с одобренным FDA лабораторным анализатором, продемонстрировав его надежность, клиническую точность и потенциал для диагностических приложений в реальном мире.
Помимо высокой производительности , этот датчик также разработан для доступности. Традиционные настольные хемилюминесцентные анализаторы стоят более ~$10,000–20,000. Напротив, система считывания UCLA, которая построена на основе специального оптического визуализатора, стоит ~$222, в то время как каждый тест стоит ~$4.
Такая экономическая эффективность датчика делает его идеальным решением для расширения доступа к кардиологической диагностике в клиниках первичной медико-санитарной помощи, аптеках и мобильных медицинских пунктах, особенно в условиях ограниченных ресурсов.
«Доступность нашей платформы — ключ к тому, чтобы сделать высокочувствительное кардиологическое тестирование по-настоящему доступным», — сказал профессор Ди Карло. «Значительно сокращая как стоимость оборудования, так и стоимость каждого теста, мы приближаем диагностику лабораторного качества к пациентам, которые в ней больше всего нуждаются».
Исследователи предполагают дальнейшее расширение этой сенсорной платформы на бумажной основе путем интеграции мультиплексного обнаружения нескольких сердечно-сосудистых биомаркеров, что позволит провести комплексную оценку сердечного риска в одном тесте. Высокая чувствительность, портативность, простота и экономическая эффективность этой сенсорной платформы делают ее практической альтернативой традиционному лабораторному тестированию, приближая высокочувствительную диагностику сердца к пациентам.
Благодаря демократизации доступа к надежному и быстрому тестированию биомаркеров это нововведение может улучшить процесс принятия клинических решений, улучшить результаты лечения пациентов и расширить кардиологическую помощь во всем мире, особенно в условиях ограниченных ресурсов и децентрализации здравоохранения.