集成人工智能的微型流式细胞仪EZ DEVICE

背景与挑战

免疫细胞分析在癌症治疗、感染监测和血液病诊断中具有重要意义，但传统流式细胞仪体积庞大、成本高昂，且依赖专业操作人员。现有商业设备如BD FACSDiscover™虽能提供高精度数据，但其价格和复杂性限制了在资源有限地区的应用。

创新设计

EZ DEVICE整合了微流控芯片、激光二极管、CMOS图像传感器和AI算法，实现了从样本预处理到检测的全自动化。其核心包括：

微流控芯片：包含预混合、白细胞标记和检测三个功能区，通过蛇形通道促进抗体标记。

光学系统：采用532 nm和586 nm激光激发荧光信号，配合可切换滤光片实现多色检测。

AI算法：基于YOLO v4模型进行图像分割和目标识别，通过二值化处理提升低亮度颗粒的识别准确率。

图 1.（a） 用于免疫细胞比例分析的 EZ DEVICE 微流控芯片示意图，包括预混、白细胞标记和图像检测区域。（b） 微流控芯片的照片。

图 2.（a） 实验装置示意图和 （b） 用于免疫细胞比例分析的 EZ DEVICE 平台的照片。

图 3.在 AI 对象识别和分割过程中获取的图像。（a） 手动计数结果的不同微珠图像，（b） AI 计数结果的不同微珠图像，（c） 手动计数结果的图像，（d） AI 计数结果的图像，（e） 原始显微镜图像，（f） 标准阈值二值化结果，以及 （g） 手动阈值二值化结果。

图 4.EZ DEVICE 芯片对样品颗粒和荧光抗体的染色性能。染色后，使用 IX73 显微镜获取颗粒图像，其中 （a） 明场，（b） U-FBWA 滤光片 （510–550 nm） 和 （c） EZ DEVICE 显微镜检测发射波长为 520 ± 20 nm 的染色颗粒。（d） 通过 DEVICE 细胞术测量染色前后的性能。

性能验证

计数准确性：使用荧光微球（FITC标记）和Jurkat T细胞验证，AI计数与人工计数的一致性达82.3%，误差小于1%。

抗体标记效率：抗MHC I抗体标记效率达99.06%，且能在复杂样本（如THP-1与Jurkat T细胞混合液）中区分CD3表达模式（帽状与扩散分布），反映T细胞活性差异。

抗干扰能力：在干扰物质浓度为目标物25倍的条件下，仍能准确识别目标细胞。

技术优势

EZ DEVICE的微型化设计（28 mm × 30 mm芯片）和低功耗（9 V电池供电）使其适用于床旁检测。通过更换滤光片，系统可适配不同荧光染料，扩展检测靶标范围。此外，AI算法的持续优化（如引入更复杂的卷积神经网络）有望进一步提升单细胞通量和复杂样本的分析能力。

应用前景

临床诊断：快速筛查白血病细胞或循环肿瘤细胞（CTCs）。

免疫治疗监测：实时追踪癌症患者免疫细胞动态。

传染病研究：分析HIV感染后的T细胞亚群变化。未来通过整合更多荧光通道和优化微流控设计，EZ DEVICE有望成为个性化医疗中的核心工具。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.117074