Pump-Free Microfluidics for Cell Concentration Analysis on Smartphones in Clinical Settings (SmartFlow): Design, Development, and Evaluation
Notice bibliographique
Résumé
Background Cell concentration in body fluid is an important factor for clinical diagnosis. The traditional method involves clinicians manually counting cells under microscopes, which is labor-intensive. Automated cell concentration estimation can be achieved using flow cytometers; however, their high cost limits accessibility. Microfluidic systems, although cheaper than flow cytometers, still require high-speed cameras and syringe pumps to drive the flow and ensure video quality. In this paper, we present SmartFlow, a low-cost solution for cell concentration estimation using smartphone-based computer vision on 3D-printed, pump-free microfluidic platforms. Objective The objective was to design and fabricate microfluidic chips, coupled with clinical utilities, for cell counting and concentration analysis. We answered the following research questions (RQs): RQ1, Can gravity drive the flow within the microfluidic chips, eliminating the need for external pumps? RQ2, How does the microfluidic chip design impact video quality for cell analysis? RQ3, Can smartphone-captured videos be used to estimate cell count and concentration in microfluidic chips? Methods To answer the 3 RQs, 2 experiments were conducted. In the cell flow velocity experiment, diluted sheep blood flowed through the microfluidic chips with and without a bottleneck design to answer RQ1 and RQ2, respectively. In the cell concentration analysis experiment, sheep blood diluted into 13 concentrations flowed through the microfluidic chips while videos were recorded by smartphones for the concentration measurement. Results In the cell flow velocity experiment, we designed and fabricated 2 versions of microfluidic chips. The ANOVA test (Straight: F6, 99=6144.45, P<.001; Bottleneck: F6, 99=3475.78, P<.001) showed the height difference had a significant impact on the cell velocity, which implied gravity could drive the flow. The video sharpness analysis demonstrated that video quality followed an exponential decay with increasing height differences (video quality=100e–k×Height) and a bottleneck design could effectively preserve video quality (Straight: R2=0.95, k=4.33; Bottleneck: R2=0.91, k=0.59). Samples from the 13 cell concentrations were used for cell counting and cell concentration estimation analysis. The accuracy of cell counting (n=35, 60-second samples, R2=0.96, mean absolute error=1.10, mean squared error=2.24, root mean squared error=1.50) and cell concentration regression (n=39, 150-second samples, R2=0.99, mean absolute error=0.24, mean squared error=0.11, root mean squared error=0.33 on a logarithmic scale, mean average percentage error=0.25) were evaluated using 5-fold cross-validation by comparing the algorithmic estimation to ground truth. Conclusions In conclusion, we demonstrated the importance of the flow velocity in a microfluidic system, and we proposed SmartFlow, a low-cost system for computer vision–based cellular analysis. The proposed system could count the cells and estimate cell concentrations in the samples.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,003 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».