腦洞大開!科學家讓人工智能跟狗學癌癥檢測

▎藥明康德內容團隊編輯

狗,憑借極為靈敏的嗅覺,能幫我們尋找失蹤人員,搜查違禁物品,甚至還能聞出人有沒有生病,,有一組科學家想得更遠,他們希望這些人類的好朋友還能成為人工智能(AI)的好教練,教AI學會分辨人的“癌味兒”

近日,他們發表研究論文對這一想法進行了概念驗證:兩條訓練有素的醫療檢測犬向機器學習算法“傳授”如何從人的尿液樣本中檢出前列腺癌,研究結果發表在PLOS ONE,


醫療檢測犬Florin和Midas(圖片來源:參考資料[1])

狗能聞出癌味兒其實不算新聞。早在幾十年前,人們就注意到,有些寵物狗在主人還沒有覺察出任何癥狀時就能聞出異常。著名的醫學雜志《柳葉刀》就報道過這樣的病例:有人發現自家的狗突然對她腿上的痣特別感興趣,狗的異常表現促使她去醫院做了檢查,結果發現,那顆“痣”原來是皮膚癌!

這樣的病例還不少,后來人們陸續發現,專門受訓的醫療檢測犬可以從人的呼吸、唾液、血液、尿液、糞便中,聞出肺癌、前列腺癌、乳腺癌、膀胱癌、卵巢癌等多種癌癥,科學家們分析指出,這是因為疾病導致人分泌出的揮發性物質組成發生變化,人類的鼻子聞不出異樣,狗卻能察覺出“癌味兒”


圖片來源:123RF

更令人稱奇的是,狗嗅檢癌癥的準確性驚人。曾有研究者讓醫療檢測犬聞了近900份尿液樣本,判斷其中是否有前列腺癌,識別出病例的敏感性高達99%,比儀器分析還靈。真是了不起的癌癥篩查小能手!

“狗并不會查看一長串化合物列表,它們是通過氣味特征來判斷的,這意味著它們以某種我們不知道的方式找出了癌癥的本質,”麻省理工學院(MIT)的科學家Andreas Mershin博士認為,“只會查看成分列表的分析工具可做不到這一點,”

受狗的啟發,Mershin博士與同事們腦洞大開,決定開發一種AI,讓人工神經網路模仿狗的診斷


領銜這項研究的Andreas Mershin博士(圖片來源:mershin.org;Credit:David Sella)

為此,他們從英國醫療檢測犬項目中請來了4歲的 Florin,一條 雌性拉布拉多 ;以及 7歲的 Midas,一條 雌性匈牙利維茲拉犬 ,

研究人員收集了50份男性尿液樣本,其中12份來自已確診的前列腺癌患者,他們先用其中5份癌癥樣本和15份陰性樣本對狗進行訓練。當Florin或Midas判斷容器里的尿液來自癌癥患者,它們就會盯住容器或坐在樣本前不動。如果判斷正確,它們能贏得應有的獎賞。


Florin正在檢查轉盤上的尿液樣本,選對了有東西吃(圖片來源:參考資料[2];Credit:John Akehurst,MEDICAL DETECTION DOGS)

訓練之后,研究人員用剩余的尿液樣本對兩條狗進行了測驗,它倆取得了頗為優異的成績:在7份陽性樣本中準確地鑒定出5份,敏感性達到71%;在21份陰性樣本中,分別做出16次和14次正確的決定,特異性達到70%~76%

“我們沒有讓它們的成績達到99%,盡管如果加大訓練,它們確實可以做到。”研究人員解釋說,因為這個準確度已經足夠讓機器學習算法好好學一學了


圖片來源:123RF

接下來,研究人員利用氣相色譜-質譜(GC-MS)分析了每份尿液中的揮發性化合物,同時還利用測序技術分析了尿液中自然存在的微生物,尋找前列腺癌陽性樣本與陰性樣本之間的區別。對于狗能區分出來的尿液樣本,兩組分析結果表明確實存在一系列差異,

然后,研究人員使用狗的診斷數據訓練了一個人工神經網路,讓AI學習識別數據中影響狗狗判斷的特定部分,也就是陽性樣本和陰性樣本之間的特異性差別,從而建立了一種結合多種參數的綜合診斷方法


研究人員在這篇論文中總結道:“ 我們的研究表明,即使只提供少量氣味復雜的樣品,狗也能區分出不同,并學習和提高 檢測技能,而我們的挑戰是把狗智能移植到機器上, ”

Mershin博士表示,在驗證了方法的可行性后,他們會進一步加大訓練,以期把這種算法應用到智能行動電話中,打造出可以方便檢測多種癌癥的“電子鼻”,并最終達到與狗鼻子相媲美的準確度

參考資料

[1] Guest C. et al. (2021) Feasibility of integrating canine olfaction with chemical and microbial profiling of urine to detect lethal prostate cancer. PLoS ONE https:http://doi.org/10.1371/journal.pone.0245530

[2] Dogs are teaching machines to sniff out cancer. Retrieved Feb. 20, 2021 from https:http://www.the-scientist.com/news-opinion/dogs-are-teaching-machines-to-sniff-out-cancer-68469

本文來自藥明康德內容微信團隊,歡迎轉發到朋友圈,謝絕轉載到其他平臺,如有開設白名單需求,請在“學術經緯”公眾號主頁回復“轉載”獲取轉載須知。其他合作需求,請聯系[email protected]

covid19病毒專題

癌癥突破

智慧之光

| | | 血檢 | | | | | | | | | | | | | | | | | |


0 条回复 A文章作者 M管理員
    暫無討論,說說你的看法吧