腦洞大開!科學家讓人工智能跟狗學癌症檢測
2021年02月21日11:19

  來源:學術經緯

  狗,憑藉極為靈敏的嗅覺,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,是不是感染了新冠病毒。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:讓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
醫療檢測犬Florin和Midas

  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症狀時就能聞出異常。著名的醫學雜誌《柳葉刀》就報導過這樣的病例: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。後來人們陸續發現,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、卵巢癌等多種癌症。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
圖片來源:123RF

  更令人稱奇的是,狗嗅檢癌症的準確性驚人。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。真是了不起的癌症篩查小能手!

  “狗並不會查看一長串化合物列表,它們是通過氣味特徵來判斷的,這意味著它們以某種我們不知道的方式找出了癌症的本質。”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,讓人工神經網絡模仿狗的診斷。

領銜這項研究的Andreas Mershin博士(圖片來源:mershin.org;Credit:David Sella)
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份癌症樣本和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症患者,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)
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)

  訓練之後,研究人員用賸餘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%,儘管如果加大訓練,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
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。對於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。

  然後,研究人員使用狗的診斷數據訓練了一個人工神經網絡,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複雜的樣品,狗也能區分出不同,並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後,他們會進一步加大訓練,以期把這種算法應用到智能手機中,打造出可以方便檢測多種癌症的“電子鼻”,並最終達到與狗鼻子相媲美的準確度。

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