我国正加速步入老龄化社会。根据国家统计局公布的数据显示，截至2022年底，我国60岁及以上老年人口数量已超2.8亿，占全国总人口的19.8%。跌倒在老年人群中发生率较高，是对老年人最常见的伤害，而频繁的夜间排尿（夜尿症）显著增加了老年人跌倒的风险。夜尿症通常需要使用人工合成的抗利尿药物（如去氨加压素）进行治疗。然而，这类药物可能引发抗利尿激素紊乱综合征（SIADH），导致体液潴留，同时破坏体液钠离子的平衡，降低尿酸水平，严重时会导致嗜睡、昏迷、急性心功能不全和急性肾衰竭等严重的不良反应，在高龄患者中发生率较高。因此，对于服用抗利尿激素的患者，需要监测体内钠离子和尿酸水平，以确保用药的安全性。然而，当前的检测技术通常依赖采血，往往存在诸多不便，并伴有感染风险。
基于微针的组织液传感技术具有微创、无痛、感染风险低、患者依从性高等优点。然而，目前组织液检测仍面临诸多难题，如采样量低、耗时长、成分复杂等。这些问题为开发便于居家使用的快速体内钠离子和尿酸检测技术带来了极大挑战，也增加了对使用去氨加压素不良反应进行预警的难度。
据麦姆斯咨询介绍，深圳大学和北京医院的研究人员设计了一种卷积神经网络（CNN）增强的智能可穿戴微针阵列比色传感器（WMNC），用于检测组织液钠离子和尿酸水平变化。该研究成果已经以“A smart lab on a wearable microneedle patch with convolutional neural network-enhanced colorimetry for early warning of syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion”为题发表于Aggregate期刊。
图1 可穿戴微针贴片-用于抗利尿激素紊乱综合征智能早期预警示意图
该传感器由负压驱动的微针阵列贴片和内置比色传感纸芯片组成，可实现高效的组织液提取和快速比色检测。该技术利用3D微结构打印技术构建了双通道空心微针阵列，并集成小型真空管和比色纸芯片，制成可穿戴式微针传感器。测试结果表明，该微针阵列贴片具有良好的力学性能、穿刺能力和活体组织液提取性能。
图2 WMNC传感器的设计、集成和表征
在比色纸芯片上构建的钠离子、尿酸显色体系，能够实现对钠离子（检测范围90-176 mM，检测限51.45 mM）和尿酸（100-650 µM，检测限31.95 µM）的准确检测。
图3 WMNC传感器的比色检测效果
进一步地，借助自主开发的CNN模型，WMNC传感器能够有效消除非标准环境下环境光对比色结果的影响，显著提升了比色结果分类的速度与精确度（钠离子显色识别准确度99.17%，尿酸显色识别准确度98.42%）。随后，将该CNN增强的WMNC传感器在抗利尿激素紊乱的活体大鼠中进行了验证，表明了该传感器具有良好的组织液钠离子、尿酸检测性能。
图4 自研CNN模型的钠离子、尿酸分类识别性能
图5 WMNC传感器在活体大鼠中的比色检测性能评价
该论文第一作者为深圳大学医学部生物医学工程学院的谢媛婷博士，通讯作者为深圳大学医学部生物医学工程学院的张学记讲席教授和苏磊教授，北京医院的王建龙教授。
这项研究成果有望推动组织液微针快速提取及即时检测技术的发展，拓宽比色技术在非标准化环境中的应用，为居家个性化、简便、无痛检测提供创新技术支撑。
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