一种创新的人工智能支持的设备：低成本的快速细胞分析（流式细胞方法）

赖斯大学的一组研究人员开发了一种创新的人工智能支持的低成本设备，该设备将使流式细胞术-一种用于使用激光束分析流体中的细胞或颗粒的技术-负担得起且易于使用。

　　

莱斯大学的乔治·R·布朗工程与计算学院的一个研究团队开发了一种创新的人工智能（AI）驱动的低成本设备，使流式细胞术——一种利用激光束分析流体中的细胞或颗粒的技术——变得更加经济实惠和易于获取。

该原型设备能够以与更昂贵、更笨重的传统流式细胞仪相似的准确性识别和计数未经纯化的血液样本中的细胞，提供结果仅需几分钟，并且成本显著更低、体积更小，使其非常适合用于低资源和农村地区的现场护理临床应用。

莱斯大学生物工程学副教授彼得·利勒霍伊（Peter Lillehoj）和生物工程与化学助理教授凯文·麦克休（Kevin McHugh）领导了这一新设备的开发。相关研究发表在《微系统与纳米工程》杂志上。

流式细胞术最初于20世纪50年代开发，是一种强大的单细胞分选和分析技术，广泛应用于免疫学、分子和癌症生物学以及病毒学等多个医学领域。它是临床诊断和护理的“黄金标准”实验室检测方法，也广泛用于生物医学研究。然而，由于需要大型、昂贵的设备，价格从数万美元到数十万美元不等，并且需要专门培训的人员来操作，其使用目前仅限于最先进的诊断实验室和医疗中心。

“传统流式细胞术在许多资源有限的环境中并不实用，无论是在美国还是全球范围内。”利勒霍伊说，他是这项研究的通讯作者。“通过我们的方法，这种技术可以以极低的成本轻松完成。我们设想我们的创新设备将为许多新的现场护理临床和生物医学研究应用铺平道路。”

利用重力驱动的塞流构建低成本、无泵的流式细胞仪

目前的流式细胞仪依赖于特殊的泵和阀门来控制流体流动，这使得设备昂贵且体积庞大。莱斯大学团队在尝试了多种替代的微流体流动方案后，设计了一种创新的无泵解决方案，这是降低设备成本和尺寸的关键。

在利勒霍伊和麦克休的指导下，研究生德什·迪帕克·迪克西特（Desh Deepak Dixit）和泰勒·格拉夫（Tyler Graf）微调了微流体设备的各种参数，以实现重力驱动的塞流。与流体速度随流体静压变化的流体静压重力流不同，重力驱动的塞流允许样本以恒定速度通过微流体设备，这对于准确的细胞分选和分析至关重要。

塞流是一种两相流动模式，当由一种或两种离散相组成的流体通过管道或通道移动时可以观察到。它主要用于通过工业设备在石油和天然气井、化学反应器和发酵罐中运输大量液体，也受到流体动力学研究人员的关注。“据我们所知，这是重力驱动的塞流首次被用于生物医学应用。”利勒霍伊说。

人工智能助力快速计数未经纯化的血液样本中的特定免疫细胞

该研究的第二个重要创新是使用人工智能（AI），这使得能够快速而准确地计数未经纯化的血液样本中的一种称为CD4+ T细胞的特定免疫细胞群。

CD4+ T细胞计数是身体免疫状态的可靠指标，用于癌症和传染病（如艾滋病和新冠肺炎）的诊断和预后标志物。

研究团队将未经纯化的全血样本与涂有抗CD4+抗体的珠子一起孵育，使它们能够特异性地结合样本中的CD4+ T细胞。然后将样本通过微流体芯片，并用光学显微镜和摄像机记录流动。为了加快图像分析和定量，研究人员通过训练卷积神经网络——一种用于图像分类和目标识别的机器学习算法——仅检测标记有珠子的细胞，从而增加了AI功能。

“从未经纯化的血液样本中识别和定量CD4+ T细胞只是这一平台技术可以实现的一个例子。”麦克休说，他也是德克萨斯癌症预防与研究所学者。“这种技术可以轻松适应用于分选和分析各种生物样本中的多种细胞类型，只需使用标记有不同抗体的珠子。根据我们迄今为止获得的有希望的结果，我们对这一平台在未来转变疾病诊断、预后和生物医学研究格局的潜力非常乐观。”

该研究部分由美国国立卫生研究院（R21CA283852）和莱斯大学（U50807）资助。此处内容仅由作者负责，并不一定代表资助者的官方观点。