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Explainable Deep-Learning-Assisted Sweat Assessment via a Programmable Colorimetric Chip

人工智能 卷积神经网络 机器学习 计算机科学 深度学习 化学 算法 模式识别(心理学)
作者
Zhihao Liu,Li Jiang,Jianliang Li,Tingting Yang,Zilu Zhang,Hao Wu,Huihua Xu,Jianxin Meng,Fengyu Li
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:94 (45): 15864-15872 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.2c03927
摘要

Multianalytes and individual differences of biofluids (such as blood, urine, or sweat) pose enormous complexity and challenges to rapid, facile, high-throughput, and accurate clinical analysis or health assessment. Deep-learning (DL)-assisted image analysis has been demonstrated to be an efficient big data process which shows accurate individual identification. However, the data-driven "black boxes" of current DL algorithms are suffering from the nontransparent inner working mechanism. In this work, we designed a programmable colorimetric chip with explainable DL to approach accurate classification and quantification analysis of sweat samples. Gel (sodium alginate) capsules with different indicators were adopted to combinate as designed programmable colorimetric chips. We collected 4600 colorimetric response images as the data set and assessed two DL algorithms and seven machine learning (ML) algorithms. Glucose, pH, and lactate in human sweat could be facilely and 100% accurately classified and quantified by the convolutional neural network (CNN) DL algorithm, and the testing results of actual sweat via the DL-assisted colorimetric approach match 91.0-99.7% with the laboratory measurements. Class activation mapping (CAM) was processed to visualize the inner working mechanism of CNN operation, which could help to verify and explicate the design rationality of colorimetric chips. The explainable DL-assisted programmable colorimetric chip provided an "end-to-end" strategy to ascertain the black box of the DL algorithm, promoted software design or principium optimization, and contributed facile indicators for clinical monitoring, disease prevention, and even new scientific discoveries.
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