用于心血管疾病现场诊断的深度学习增强双模多重光学传感器

为何快速检测心脏至关重要

当有人出现胸痛或呼吸困难时，医生只有很短的时间窗口来判断心脏是否发生危机。如今，用于检测心肌梗死和心力衰竭的关键血液检查常常耗时、需依赖大型设备，且通常一次只测一个信号。本文描述了一种体积小、成本低的设备，可放置于患者床旁，从一小滴血清中读取多种与心脏相关的血液标志物，并使用人工智能将微弱的光学信号转化为医生可用的明确数值。

两种常见心脏问题，一段交织的故事

心肌梗死和心力衰竭是全球主要死因之一，且二者密切相关。心肌梗死会突然切断部分心肌的血供，而心力衰竭则是在心脏无法有效泵血时逐步发生。许多患者同时受两者影响，这会大幅提高死亡风险和再次入院的可能性。医生依靠三种主要血液标志物来判断病情：肌钙蛋白I（cardiac troponin I），提示心肌细胞损伤；肌酸激酶-MB（creatine kinase-MB），有助识别新发或重复损伤；以及NT-proBNP，当心脏受拉伸、泵血困难时升高。将这三者同时测量，比任何单项检测都能更全面地反映患者状况。

现有实验室与床旁检测的局限

当前测量这些标志物的系统分布在大型中心实验室和较小的现场检测设备之间。医院实验室的大型分析仪灵敏且可靠，但需要专业人员、为每种标志物准备独立的试剂和试剂盒，并且需要较大的血样体积。结果可能需耗时数小时，这与心肌梗死的窄治疗窗相冲突，也使得频繁随访检测变得繁重，尤其对远离大型中心的人群更为困难。现有的床旁设备速度更快，但通常每个试剂盒只能检测一项指标，常缺乏目前对肌钙蛋白所建议的极高灵敏度，且难以在不产生干扰或精度损失的情况下覆盖三种标志物截然不同的浓度范围。

一种以纸为基的一次性卡匣，具备双重成像能力

研究团队围绕一种纸基“垂直流”卡匣构建了掌上光学传感平台。一滴与特殊纳米颗粒标记抗体混合的血清被直接拉过布满微小反应点的薄膜：有的点捕获肌钙蛋白、有的捕获NT-proBNP、有的捕获CK-MB，另有若干作为内置对照。随后同一卡匣用两种光学模式读取。在比色模式下，金纳米颗粒在绿光照射下使某些反应点显暗；在化学发光模式下，加入的化学物质使酶标复合物在暗中发光。研究者将低丰度的肌钙蛋白分配到发光模式，而将高丰度的标志物主要置于比色模式，从而在一次检测内干净地覆盖从低于万亿分之一克每毫升到数十十亿分之一克每毫升的浓度范围。整个检测约需23分钟，仅用50微升血清。

教一台小型计算机读懂复杂图谱

由于纸张流动、样本成分和其它因素会微妙地改变原始信号，团队转向紧凑型神经网络——受大脑电路启发的软件模型来解释图像。基于Raspberry Pi的读取器捕获比色和发光图像，并提取每个反应点及对照的亮度值。对于每种标志物，第一层网络快速将结果放入一个大致范围（例如低于或高于心力衰竭阈值），第二层网络再在该范围内估算准确浓度。系统对这些步骤进行交叉校验；如果范围与数值不一致，则结果被标记为不确定，而不是静默地报告一个可疑数值。在92例真实患者血清样本上进行训练和测试后，模型输出与标准医院测定高度一致，三种标志物的相关系数均高于0.96。

这对日常护理可能意味着什么

从实用角度看，这项工作表明，低成本手持读取器配合一次性纸基卡匣，能够在床旁或小型门诊提供接近实验室级别的多标志物心脏检测。双重光学模式让极低的肌钙蛋白水平与非常高的值能在同一次运行中被测量，而神经网络有助于修正噪声和变异，否则这些问题会削弱单一信号-单标志物方法的效果。尽管仍需更大规模的临床研究和全血测试，但该平台指向一个未来：更多场景中，心肌梗死或心力衰竭高风险人群能被更快速、经济地评估、监测与分诊。

引用: Han, GR., Eryilmaz, M., Goncharov, A. et al. Deep learning-enhanced dual-mode multiplexed optical sensor for point-of-care diagnostics of cardiovascular diseases. Light Sci Appl 15, 190 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02275-9

关键词: 心脏生物标志物, 现场诊断, 化学发光传感器, 深度学习, 心肌梗死与心力衰竭