本文提出一種手持式對流 PCR 系統(tǒng)，可同時實現(xiàn) 8 樣本病原體檢測。針對熒光曲線多樣性，將機器學習用于檢測結(jié)果陰陽性判定，提升了其檢測性能。

對流 PCR 原理見熱對流PCR簡述如圖 1 所示，由聚碳酸酯通過注射成型的光滑試管作為反應容器，反應液配置完成后將 8個反應管放入裝置。

圖 1

如圖 2 所示，裝置尺寸為70 x 70 x 130 mm，由控制器模塊、加熱模塊、光學檢測模塊、藍牙模塊和智能手機模塊組成。

圖2

智能手機與該裝置通過藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸。智能手機端接收到熒光數(shù)據(jù)后進行圖像重構(gòu)以及后續(xù)用于機器學習進行陰陽性分類識別。

除了智能手機，該裝置還可以通過機身按鈕控制反應進行，并通過 LCD 實時顯示曲線。兩種方式相互獨立。

儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。在毛細管頂部放置 8 個發(fā)光二極管，經(jīng)濾光片后激發(fā)毛細管內(nèi)的熒光探針信號。

圖 3

采用 16 根光纖分別從側(cè)壁、底部采集 8 個單元的熒光信號，并將其傳至相機鏡頭前。鏡頭捕捉到圖像后，首先識別反應區(qū)的邊界，得到邊界內(nèi)平均灰度值，減去背景灰度值，表示相對熒光信號強度。

如圖 4 所示，作者探究了底部與側(cè)壁采光時 LED 不同發(fā)光時間的相對熒光曲線。

發(fā)現(xiàn)當LED間隔發(fā)光時，熒光強度無明顯變化；當LED常亮時，熒光強度呈下降趨勢。即無論從底部采光還是側(cè)壁采光，LED 常亮均會導致熒光值下降。

同時驗證了底部采光時的檢測一致性明顯優(yōu)于側(cè)壁采光。

圖 4

由于毛細管內(nèi)部熱對流反應機理、復雜的熱動力學、溫度控制等導致的局部熱對流的不均勻性，導致部分陽性和陰性樣本的熒光曲線高度相似。

圖 5

如圖 5 所示，本文將機器學習與 Ct 值相結(jié)合實現(xiàn)檢測結(jié)果陰陽性判定。相比于傳統(tǒng) Ct 值，該方法可將檢測結(jié)果準確率提升至 97.5% 。

審核編輯：劉清