ایجاد قابلیت تشخیص الکترونیکی در تلفن های هوشمند
در یک مطالعه محققان از تشخیص سرطان پروستات توسط سگ برای استفاده از الگوریتم یادگیری ماشین با هدف اینکه ماشین ها نیز روزی سرطان را با دقت سطح سگ کشف کنند، استفاده کردند.
سگ ها با حس بویایی افسانه ای خود در شناسایی بوهای مشخص سرطان ازنفس، ادرار و مدفوع مهارت دارند. با وجود اینکه سگ ها می تواند با حس بویایی خود سرطان را بو بکشد، اما برای تشخیص عادی این بیماری، همیشه در دسترس نیستند.
درعوض، آندریاس مرشین از بهترین دوست انسان می خواهد که به الگوریتم های یادگیری ماشین را برای استشمام این بیماری ها آموزش دهد و قصد دارد این فناوری را درون جیب شما بگذارد.
مرشین، دانشمند محقق مرکز بیت ها و اتم های MIT، می گوید هدف نهایی وی ساخت قابلیت بینی الکترونیکی در تلفن های هوشمند است.
مرشین می گوید: تشخیص سیگنال سرطان توسط بینی های الکترونیکی مفهوم جدیدی نیست، اما دقت چیزهایی که تاکنون تولید شده است، با دقت سگ ها برابری نمی کند.
برای رسیدن به این توانایی، مرشین و تیم بین رشته ای او یک روش اثبات مفهوم را برای ترکیب بویایی سگ با تجزیه و تحلیل بوی سرطان پروستات توسط ماشین درمطالعه ای که در 17 فوریه ( 29 دی 1399) در PLOS ONE منتشر شده است، آغاز کردند.
سرطان پروستات دومین سرطان شایع در مردان است که تقریبا از هر 9 مرد در یک دوره از زندگی یک نفر را مبتلا می کند.
ابزاری که عمدتا برای تشخیص بیماری مورد استفاده قرار می گیرد، آزمایش آنتی ژن مخصوص پروستات است، اما این آزمایش نیز اغلب در تشخیص بیماری ناکام می ماند یا منجر به تشخیص های نادرست می شود.
محققان برای جستجوی گزینه های تشخیصی بهتر، به دنبال نشانگرهای زیستی بویایی سرطان پروستات دربوهای شیمیایی نمونه ادرار هستند.
یک تیم توانست سرطان پروستات را با تجزیه و تحلیل بوی ادرار با دقت حدود 86 درصد تشخیص دهد.
ایده استفاده از سگ برای تشخیص سرطان برای اولین بار در سال 1989 در ملانوما مطرح شد و از آن زمان به بعد، در بیشتر موارد مهارت های تشخیص سرطان سگ، از تجزیه و تحلیل بوی مبتنی بر ماشین پیشی گرفت- در مطالعه ای در سال 2015، توله سگهای بو کشنده بیماری، سرطان پروستات را از نمونه ادرار با دقت 98-99 درصد تشخیص دادند.
مرشین به این دانشمند می گوید که نه تنها قدرت استشمام بیماری سگها بلکه این واقعیت را تحت تأثیر قرار داده است که برخی از توله سگها، که برای تشخیص نوع خاصی از سرطان آموزش دیده اند، قادر بوده اند انواع بدخیم دیگری از سرطان را علی رغم شباهت کم بو در سرطان های مختلف، تشخیص دهند.
حتی برخی از حیوانات خانگی آموزش ندیده نیز، سرطان را در صاحبان خود تشخیص داده اند.
مرشین می گوید: “[سگها] از لیست مولکولها اطلاعی ندارند. . . . آنها مطابق با ویژگی بو هستند، به این معنی که آنها به نوعی جوهر سرطان را کشف می کنند. این مسئله ذهن من را منفجر کرد. هیچ ابزار تحلیلی تا به امروز نمی تواند این کار را انجام دهد زیرا با لیست مواد تشکیل دهنده مطابقت می دهد. دانستن اینکه هر چیزی از چه چیزهایی ساخته شده است، همان چیزی نیست که بدانید بوی آن چیست. ”
مرشین و همکارانش با الهام از دندان های نیش به دنبال ایجاد نوعی هوش مصنوعی بودند که از تصمیمات سگی تقلید کند.
مرشین، که گروه تحقیقاتی بدون برچسب MIT، به دلیل بی توجهی به مرزهای بین رشته های علمی به این اسم نامگذاری شده است، را رهبری می کند، می گوید: “سوال خاصی که ما [در این مطالعه] سعی می کنیم به آن پاسخ دهیم این است که موانع و چالش های برداشتن بینی سگ و عملکرد آن و اتصال آن به تلفن هوشمند شما چیست؟”
آنها برای مطالعه خود، محققان از 12 مرد مبتلا به سرطان پروستات Gleason 9 درجه بالا و 38 مرد که نمونه برداری منفی داشتند، ادرار دریافت کردند.
بخشی از این نمونه های ادراربرای تشخیص به سگهای تشخیص پزشکی در انگلستان توسط فلورین، لابرادور سگ ماده چهار ساله و میداس، سگ ماده هفت ساله وایزلا Wirehaired، ارسال شد.
محققان پس از آموزش حیوانات، 5 نمونه سرطانی و 15 نمونه غیر سرطانی، از نمونه های باقیمانده برای آزمایش مهارت های Midas و Florin استفاده کردند.
در هر بار آزمایش، سگ یک چرخ فلک را که شامل سه نمونه منفی سرطان و یک نمونه سرطان مثبت بود، بررسی کرد.
سگ پس از بوکشیدن از هر ظرف ادرار، انتخابی را انجام داد – فلورین با ایستادن و خیره شدن نمونه ای مثبت را نشان داد، در حالی که میداس در مقابل انتخاب خود نشست. این انتخاب صحیح، توله سگ را به شایستگی رساند.
هر دو سگ به طور دقیق از هر 7 نمونه سرطان پروستات پنج مورد را شناسایی کردند. از بین 21 نمونه منفی سرطان، فلورین 16 بار و میداس 14 بار تصمیم درست گرفت.
به طور کلی، سگها 71 درصد حساسیت و 70-76 درصد این ویژگی را نشان دادند.
مرشین می گوید دلیل اصلی دقت متوسط میداس و فلورین این بود که آنها به خاطر تعداد محدود نمونه ادرار موجود، آموزش محدودی دیده اند.
سانتیاگو مارکو، فیزیکدانی که تجزیه و تحلیل داده های حسگرها را در موسسه مهندسی زیستی کاتالونیا و موسسه علوم و فنون بارسلونا مطالعه می کند، با این تعداد کم از نمونه های آزمایش، به انتخاب سگها بر اساس تشخیص سرطان متقاعد نشده است.
مارکو، که در این مطالعه نیز دخیل نبوده است، می گوید: “مشخص نیست که آنها پشتیبانی بسیار قوی برای این ادعا دارند که بویایی سگ به اندازه کافی حساس یا حتی خاص است یا خیر.”
مرشین می گوید که با آموزش های بیشتر، مهارت های این حیوانات بهبود می یابد. وی می افزاید: “ما سعی نمی کنیم این سگها به 99 درصد برسند- که البته می توانیم. بسیاری از سگها با COVID و مالاریا و پارکینسون و سرطانهای مختلف با دقت 99 و حتی 99.8 درصد آموزش دیده اند. “
مرشین می گوید که، با توجه به هدف مطالعه از شناسایی امکان رویکرد یادگیری ماشینی گروه، سطح دقت سگ کافی بود.
از سگ به کامپیوتر
محققان ترکیبات فرار سازنده رایحه هر یک از نمونه های ادرار را جمع آوری کرده و با استفاده از کروماتوگرافی گازی- طیف سنجی جرمی (GC-MS) این مواد شیمیایی را تجزیه و تحلیل کردند.
آنها دریافتند که مقادیر چندین ترکیب فرار در نمونه های سرطان، افزایش یا کاهش می یابد، اما مواد شیمیایی متمایز از موارد شناسایی شده توسط سایر مطالعات متفاوت است.
مرشین می گوید که فقدان آشکار نشانگرهای زیستی سازگار برای سرطان پروستات، مسئله تشخیص بیماری را بر اساس ترکیبات خاص یا مجموعه ای از ترکیبات برجسته می کند.
وی می گوید، به جای اینكه تصمیمات خود را بر اساس مواد شیمیایی خاص قرار دهند، آنچه را كه “رایج” است در مورد نمونه، شناسایی می كنند.
این گروه از تشخیص سگها برای آموزش نوعی هوش مصنوعی به نام شبکه عصبی مصنوعی[1] (ANN) که به عنوان اولین گام در جهت ایجاد بینی های الکترونیکی با قابلیت مشابه است، برای ارزیابی مواد شیمیایی فرار شناسایی شده از ادرار توسط GC-MS استفاده کردند.
استفان تالر، رئیس و مدیرعامل Imagination Engines و یکی از نویسندگان این مطالعه می گوید، شبکه ANN نمونه های سرطان را با دقت بالایی شناسایی کرد. اما به دلیل کوچک بودن حجم نمونه، محققان می گویند نتایج آنها باید با آزمایش بزرگتری تأیید شود.
