人工智能系统可以像狗一样嗅探疾病

  调查显示,大多数人认为气味是最不重要的。但是,狗用鼻子感觉自己穿越世界的方式。人类已经利用动物的嗅觉来检测违禁品和爆炸物。最近,它还被证明在感知癌症,糖尿病甚至COVID-19方面异常出色。究竟狗如何发现疾病是一个谜,但这并没有阻止研究人员使用基于人工智能的无创诊断工具来模仿这种能力。

人工智能系统可以像狗一样嗅探疾病

  在2月份发表在《PLOS ONE》上的一项研究中,一个跨国团队报告了一种AI驱动的系统,该系统与受过训练的犬一样准确,可以从尿液样本中正确识别出前列腺癌病例。该研究的合著者之一,麻省理工学院研究科学家安德烈亚斯·梅尔辛(Andreas Mershin)希望最终将该技术集成到智能手机中:手机中会有一个微型传感器,并且在云中运行AI软件。他说:“我们发现我们可以重复在机器上对狗进行的训练,直到我们无法分辨两者之间的区别。”

  众所周知,前列腺癌是全世界男性中第二大致命性癌症,很难发现。最广泛使用的测试可检查血液中的一种蛋白质-高水平的前列腺特异性抗原,容易产生假阳性结果,并可漏诊15%的癌症。另一方面,受过训练的狗在2015年发表于《泌尿外科杂志》上的一项研究中,有超过96%的时间能够从尿液样本中识别出患有前列腺癌的患者。

  但是狗可能会感到无聊和疲倦,因此研究人员希望开发出一种更稳定地工作的人造系统。令人困惑的是,没有人确切地知道狗的气味。

  活细胞产生一束化学物质,这些化学物质从皮肤,血液,尿液和呼吸中散发出来。包括Mershin和他的一位同事研发的“纳米鼻子”在内的人造鼻子,已经能够以与狗相同的十亿分之几的浓度检测到这些化学物质。但是,单一化合物或什至一组化合物不一定表示存在癌症。相反,狗通过识别化学混合物中的复杂模式来识别出对癌症呈阳性或阴性的样本。梅尔辛说:“知道某种东西的气味并不知道它是由什么构成的。” “ [狗]没有拾起单个分子或一束分子。他们回应某种感觉。我们训练它们的签名存在于感知空间中。” 换句话说,它存在于大脑中。

  研究小组在化学感应中增加了人工神经网络,这是一种AI算法,例如,可以通过查看示例来学习如何识别人脸。英国组织Medical Detection Dogs的首席执行官Claire Guest和她的团队首先对拉布拉多犬和硬毛vissla进行了培训,以识别出前列腺癌阳性和阴性患者的尿液样本。然后他们训练了神经网络来模仿狗。

  作为第二步的一部分,研究小组通过气相色谱-质谱法对每个样品进行了分析,这是一种化学分析技术,可对化合物进行分子水平的分解。原始数据被输入到AI,经过训练,它可以在71%的时间内发现阳性病例,在70%到76%的时间内发现阴性病例-准确度大致相当于狗的准确率。研究合著者,Imagination Engines公司总裁兼首席执行官AI专家Stephen Thaler表示,AI专注于与狗的诊断有关的关键数据特征和模式。他说:“您展示了健康尿液色谱仪的网络示例,它形成了正常状态的模型。” “然后,当您通过病理样本输入时,它将显示异常所在。”

  杜克大学分子遗传学和微生物学教授Hiroaki Matsunami说,这是揭示狗用来检测癌症的方法的重要的第一步。他说:“作为科学家,我们想解释这一现象。” “这种方法使黑匣子变得晦涩难懂。” 但他指出,如果目标是诊断前列腺癌,那么准确性仍然很低。

  Guest说,人工智能系统的准确性很低,仅与狗一样好,这源于用于训练动物的少量样本。但是,正如2015年《泌尿外科杂志》的研究显示的那样,梅尔辛说,可以训练狗达到96%以上的准确度,并且可以训练AI达到相同的速度。“只要您能养狗,我们就能得到设备。”

  他指的是用设备制造的纳米鼻子传感器,该传感器使用嗅觉蛋白,它们通过与气味分子结合来帮助人类和啮齿动物闻到气味。Mershin计划使用来自Nano Nose的数据来训练AI算法,Nano Nose目前的尺寸仅为iPhone 10的三分之一,并且可以进一步缩小以集成到智能手机中。他说:“该算法与您提供的数据无关”,因此它应该能够检测出任何可能的疾病狗。

  这些疾病可能包括COVID-19。早期的小规模尝试表明,可以训练狗嗅出COVID感染。罗德岛大学化学工程学教授奥托·格雷戈里(Otto Gregory)说:“似乎有证据表明,COVID患者可能会释放出微量的氨,而狗可能会闻到这种气味。”他开发出了极为灵敏的爆炸物探测电子鼻。格雷戈里(Gregory)并未参与这项研究,他的团队现在正在调整传感器以检测呼吸中氨的痕迹,氨的含量可能会以十亿分之几的水平变化。他说,将这种化学检测技术与基于AI的模式识别相结合以像我们的四足朋友一样能够识别疾病,将很有吸引力。

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