長了鼻子的AI---通過嗅覺分析呼吸樣本實現疾病檢測

長了鼻子的AI---通過嗅覺分析呼吸樣本實現疾病檢測?

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導 語

人工智慧（AI）主要是模仿人類的智能，通過深度學習網路，可以探索醫學和人工智慧科學領域的許多新的認知途徑。AI在其視聽能力方面取得了很大進步, 現階段以其能夠看到（如在無人駕駛汽車中）和聆聽（如Alexa和其他家庭助理）的能力而聞名，那麼我們有沒有想過，讓AI長出鼻子，也有嗅覺了？

人類吸入和吸出的許多物質可以揭示以前無法辨認的疾病。 但是嗅覺系統是如何運作的了？來自英國拉夫堡大學的人工智慧（AI）研究人員正在嘗試解答這一難題，他們的數據科學團隊正在開發一種模型，該模型具有僅通過聞人類呼吸就能檢測各種疾病的非凡能力。

嗅覺是人類擁有的五種感官之一，其實不止人類，動物和植物也利用這種感覺來識別空氣中漂浮的一百萬種物質。 當然，人類的嗅覺遠不如大多數動物的，造成這種差異的主要原因是因為動物利用嗅覺生存、尋找食物或伴侶， 嗅覺是這類生物生存的關鍵功能; 如果人類的生存依賴嗅覺，它可能會進化得更好。但是這並不能說明嗅覺對人類來說不重要。

由於鼻孔中存在嗅覺受體，人類對氣味非常敏感。 嗅覺也是一種很複雜的感官知覺，它由兩感覺系統參與，即嗅神經系統和鼻三叉神經系統。但有趣的是，難聞的氣味感覺需要的濃度低於美好氣味的濃度。 這可以簡單地解釋說，難聞的氣味與兩種有利於我們生存的基本情緒有關：厭惡和恐懼。

氣味也有情感成分，它們是我們記憶的直接聯繫。 嗅覺使我們能夠品嘗口味，這也是許多失去嗅覺的人也失去了品味的原因。 這是人類大腦內部結構的一個顯著技巧。

AI 如 何 獲 得 嗅 覺

在該研究開始時，22個計算機科學家團隊開發了一套演算法，能夠根據化學成分預測不同分子的氣味。 該過程的第一階段是檢測和識別大氣中的某些化學物質， 之後，這些機器被開發用於感應揮發性分子並重新產生氣味感。 這種稱為氣相色譜質譜儀或GC-MS的機器能夠分析空氣並發現數千種不同的分子，稱為揮發性有機化合物。

這可以被認為是AI的一個重大突破，因為科學不僅僅是關於像人類一樣思考的機器，而且關於賦予人類能力的機器。

圖1 該過程的簡單表示：從空氣中的化合物或呼吸樣本到檢測到的物質的可視化。

GC-MS機器中的每個峰代表分子的一個片段，它產生的圖案表明存在不同的物質，即使是最小的峰也可以確定。 人體呼吸中的一些混合物揭示了各種癌症的存在，甚至在癌症早期階段也可檢測。 因此，世界各地的實驗室正在嘗試使用GC-MS作為非侵入性診斷工具，以無痛無誤的方式及時識別許多疾病。 但是，該過程需要由專家手動選擇和分析大量數據。 由於數據的複雜性和化合物的數量龐大，人們容易多次出錯，這個過程可能非常耗費時間。

圖2：GC-MS儀器的呼吸樣本數據的3D視圖。

AI 如 何 通 過 嗅 覺 診 斷 疾 病

一個高度敏感的AI嗅覺系統可以感知通過空中傳播的豐富信息。 在GC-MS機器中，首先將空氣樣品中的每種化合物分離，然後粉碎成碎片，從而產生獨特的指紋，從中可以識別化合物。該團隊調整了最新的AI技術，以感知和學習呼吸樣本中的化合物。深度學習網路受人類大腦及其聯繫啟發的建築設計用於分析氣味留下的痕迹。

愛丁堡癌症中心的醫生，護士，放射線技師和醫學物理學家團隊收集了接受癌症治療的參與者的呼吸樣本。 然後由兩組化學家和計算機科學家對樣品進行分析，然後將結果用於深度神經網路。此過程需要適當數量和質量的數據才能進行正確的特徵提取。 當機器開始識別特定的圖案時，停止了餵食，這些圖案顯示了呼吸中的特定化合物。

稱為GPU的特殊設備進一步加速了計算，可以同時處理多個不同的信息。 一個奇妙的例子是識別一組稱為醛類的化學物質。 這些通常與香水有關，但也與人類的壓力條件和疾病有關。

隨著系統分析更多樣本，可以不斷改進此過程。 通過這種技術，研究者可以訓練該系統檢測少量揮發性化合物，在醫學、法醫學、環境分析和許多其他科學領域具有廣泛的應用。

如果AI系統通過嗅覺獲得可以檢測到疾病的標誌物，那麼就有可能實現疾病篩查。 這有很大的潛力，但它也可能引起爭議。因此研究者目前只建議AI可以用作檢測空氣中物質的工具， 它不一定要診斷或做出決定， 最終的結論和決定還是暫時留給人類。

參考文獻：

1. Neuroscience News, 2018. AI is Acquiring a Sense of Smell that Can Detect Illnesses in Human Breath. [Online] Available at: https://neurosciencenews.com/ai-health-olfaction-9303。

2.Julie Reindl, 2017. Artificial Intelligence learns to smell. [Online] Available at: https://www.nextnature.net/2017/02/artificial-intelligence-learns-smell/

作 者 寄 語

其實人類的呼吸可以揭示我們身體狀況的許多特徵，同時醫生通過嗅覺還能進行疾病診斷，比如：

大蒜味：有機磷農藥中毒；

爛蘋果味：糖尿病患者，尤其是酮症酸重度患者 ；

苦杏仁味：氰化物中毒；

氨氣味：腎炎、尿毒症等；

肝臭味：肝硬化、肝昏迷患者

...

關於嗅覺，有通過訓練小狗的嗅覺來識別癌症的研究，如果AI真的能夠獲得嗅覺，尤其像文中拉夫堡大學研究人員進行的也是癌症篩選相關的研究，使得AI作為一種非侵入性的診斷工具，那麼對於癌症的篩查將會有重要意義。

但同時和任何一項AI研究類似，這也是一項有爭議性的工作，比如最後的決策權在誰手裡，AI還是人類？以及其診斷的準確率等問題。

儘管如此，我們還是期待這項技術得到發展，關於「AI通過嗅覺進行疾病診斷」這一話題，您還有什麼看法或者意見了，歡迎您關注我們「醫學AI社」來和我們一起討論！