Инновационный анализатор дыхания AI диагностирует болезни от «Запаха»

Искусственный интеллект, нанотехнологии и молекулярная химия пересекаются.

Источник: Shutterstock

Представьте себе возможность узнать, есть ли у вас болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, печеночная недостаточность, болезни Крона, легочная гипертензия, хроническое заболевание почек или какое-либо количество раковых заболеваний на основе простого неинвазивного теста вашего дыхания? Анализаторы дыхания для обнаружения алкоголя существуют уже более полувека – почему бы не применить ту же концепцию для выявления заболеваний? Глобальная команда ученых из университетов Израиля, Франции, Латвии, Китая и Соединенных Штатов разработала систему искусственного интеллекта (ИИ) для выявления 17 заболеваний с выдохом с точностью до 86 процентов.

Исследовательская группа во главе с профессором Хассамом Хейком из Технион-Израильского технологического института собрала образцы дыхания у 1404 пациентов, у которых не было никаких заболеваний (здоровый контроль) или одного из 17 различных заболеваний. Заболевания включают рак легких, колоректальный рак, рак головы и шеи, рак яичников, рак мочевого пузыря, рак простаты, рак почки, рак желудка, болезнь Крона, язвенный колит, синдром раздраженного кишечника, идиопатический паркинсонизм, атипичный синдром Паркинсона, рассеянный склероз, легочная гипертензия, токсикоз преэклампсии и хроническое заболевание почек.

• Помогать подросткам регулировать: будь то по календарю или перерыв на кофе
• Почему отсутствие границ может привести к выгоранию
• Большие захватывающие тематические исследования: история Бесс Мейерсон
• Что делать, если у вас есть рабочая зависимость
• Дебаты по поводу игрового расстройства – это не все веселье и игры

Концепция относительно проста – выявить отпечатки болезней и сравнить их с выдохом человека. Что усложняет, так это исполнение концепции. Например, как определить отпечаток болезни? Это уникальный как отпечаток пальца? Чтобы ответить на этот вопрос, требуется более глубокий взгляд на молекулярный состав дыхания.

Когда мы выдыхаем, высвобождаются азот, кислород, углекислый газ, аргон и водяной пар. Дыхание человека также содержит летучие органические соединения (ЛОС) – органические химические вещества, которые выделяются в виде газов и имеют высокое давление пара при нормальной температуре. Американский биохимик Линус Полинг, один из основателей современной квантовой химии и молекулярной биологии, лауреат Нобелевской премии по химии 1954 года и Нобелевской премии мира 1962 года, изучил 250 летучих веществ человеческого дыхания с использованием газожидкостной хроматограммы в 1971 году. Полинг широко рассматривается как пионер в современном анализе дыхания. Выдыхаемое дыхание содержит приблизительно более 3500 компонентов, в основном состоящих из ЛОС в небольших количествах, согласно исследованию 2011 года, опубликованному в « Летописи аллергии, астмы и иммунологии ».

ЛОС являются общим фактором в процессе обоняния как для анализаторов дыхания, так и для людей. Когда мы вдыхаем, в нос втягиваются молекулы запаха, которые обычно содержат летучие (легко испаряющиеся) химические вещества. Как только молекулы запаха контактируют с обонятельной тканью эпителия, которая выстилает полость носа, она связывается с обонятельными рецепторами и посылает электрический импульс к сферической структуре, называемой клубочком в обонятельной луковице головного мозга. У поверхности обонятельной луковицы около 2000 клубочков. Запах – это интерпретация мозгом структуры запахов, выделяющихся из клубочка. Человеческий нос может обнаружить триллион запахов. В исследовательской команде Хейка нанотехнологии и машинное обучение заменяют биологический мозг в процессе обоняния.

• Что ненавидеть в Суперкубке
• Наши взрослые дети снова живут дома, помогите мне!
• Лучшие советы по управлению стрессом и раком, часть 2
• Продвижение безопасности и самообслуживания в лечении травм
• Мультимодальные подходы могут снизить риск болезни Альцгеймера

Команда ученых Haick разработала систему, которая называется «NaNose» и использует датчики на основе нанотехнологий, обученные обнаруживать летучие органические соединения, связанные с некоторыми заболеваниями, в исследовании. NaNose имеет два слоя. Одним из них является неорганический нанослой с нанотрубками и наночастицами золота для электропроводности. Другой представляет собой органический чувствительный слой с углеродом, который контролирует электрическое сопротивление неорганического слоя на основе поступающих ЛОС. Электрическое сопротивление изменяется в зависимости от ЛОС.

Искусственный интеллект (ИИ) используется для анализа данных. В частности, глубокое обучение используется для выявления закономерностей в данных, чтобы сопоставить поступающие сигналы с химической сигнатурой конкретных заболеваний. Затем система ИИ была обучена более чем 8000 пациентов в клиниках с многообещающими результатами – система обнаружила рак желудка с точностью 92-94% в слепом тесте. Исследователи обнаружили, что «каждая болезнь имеет свой уникальный отпечаток дыхания».

В настоящее время предпринимаются усилия по миниатюризации и коммерциализации инновационных технологий, разработанных командой Хейка в рамках проекта под названием «SniffPhone». В ноябре 2018 года Horizon 2020 Европейской комиссии наградил SniffPhone «Приз за инновации 2018 года» за «Самый инновационный проект».

Ожидается, что рыночные возможности для медицинских анализаторов дыхания будут расти. Согласно прогнозам Grand View Research, к 2024 году рынок анализаторов дыхания в мире вырастет до 11,3 млрд. Долл. США – доля доходов от алкогольных напитков составляет большую часть. В настоящее время анализаторы дыхания используются для обнаружения алкоголя, наркотиков, а также для диагностики астмы и желудочно-кишечных заболеваний. Прогнозируется увеличение клинических применений благодаря внедрению «передовых технологий для обнаружения оксида азота и оксида углерода в дыхании», заявляет Grand View Research. Согласно исследованию, сегмент медицинского применения, как ожидается, будет расти благодаря способности анализаторов дыхания обнаруживать летучие органические соединения (ЛОС), которые могут помочь в «ранней диагностике состояний, включая сердечно-легочные заболевания и рак легких и рак молочной железы», и действовать как « биомаркеры для оценки прогрессирования заболевания ».

Применяя междисциплинарные инновационные технологии в области искусственного интеллекта, нанотехнологий и молекулярной химии, диагностика широкого спектра заболеваний может быть такой же простой и неинвазивной, как анализ дыхания с использованием портативного устройства в не столь отдаленном будущем. ,

Copyright © 2019 Cami Rosso. Все права защищены.

Рекомендации

Нахлех, Морад К., Амаль, Хайтам, Джерисы, Рэйнен, Броза, Йоав Й., Абуд, Манал, Гарра, Алаа, Ивги, Ходайя, Хатиб, Салам, Бадарнех, Шифа, Хар-Шай, Лиор, Гласс-Мармор, Леа, Лейбкович, Изабелла, Миллер, Ариэль, Бадарный, Самих, Винер, Раз, Финберг, Джон, Коэн-Каминский, Сильвия, Перро, Фредерик, Монтани, Давид, Жирр, Барбара, Гарсия, Жиль, Симонно, Жеральд, Нахуль, Фарид, Барам, Шира, Салим, Раид, Хаким, Марван, Грубер, Мааян, Ронен, Охад, Маршак, Тал, Даук, Илана, Натив, Офер, Бахут, Захер, Ши, Да-ты, Чжан, Вэй, Хуа, Цин-Лин, Пан, Юэ-Инь, Тао, Ли, Лю, Ху, Карбан, Амир, Койфман, Эдуард, Райнис, Това, Скапарс, Робертс, Сивинс, Армандс, Анканс, Гунтис, Лиепниеце-Кареле, Инта, Кикусте, Илзе, Ласина, Иев, Толманис, Иварс, Джонсон, Дуглас, Миллстон, Стюарт З., Фултон, Дженнифер, Уэллс, Джон У., Уилф, Ларри Х., Гумберт, Мар, Лея, Марсис, Пелед, Нир, Хейк, Hossam. «Диагностика и классификация 17 заболеваний от 1404 субъектов посредством анализа паттернов выдыхаемых молекул». ACS Nano. DOI: 10.1021 / acsnano.6b04930. Ноябрь 2017

Скуделлари, Меган. «Алкотестер различает 17 болезней одновременно». IEEE Spectrum . 5 января 2017 г.

Лаваль, Олувасола, Ахмед, Вагар М., Найсен, Тамара М.Е., Гудакр, Ройстон, Фаулер, Стивен Дж. «Анализ выдыхаемого дыхания: обзор« захватывающих дух »методов для автономного анализа». Метаболомика . 19 августа 2017 г.

Сирасу, Мика, Тухра, Казушиге. «Запах болезни: летучие органические соединения человеческого организма, связанные с болезнями и расстройствами» . Журнал биохимии. 1 сентября 2011 г.

Нобелевская премия. «Линус Полинг». Получено 1-29-2019 с сайта https://www.nobelprize.org/prizes/peace/1962/pauling/facts/.

Полинг, Линус, Робинсон, Артур Б., Тераниши, Рой, Кэри Пол. «Количественный анализ пара и дыхания мочи методом газожидкостной перегородочной хроматографии». PNAS . Октябрь 1971 г.

Филлипс, Майкл. «Дыхательные тесты в медицине». Scientific American. Июль 1992 г.

Попов, Тодор А. «Анализ выдоха человека». Летопись аллергии, астмы и иммунологии. 22 января 2011 г.

Бушак, Леча. «Как пахнет нос? Внутренняя работа нашего ощущения запаха ». Medical Daily. 5 марта 2015 г.

Уильямс, Сара К.П. «Нос человека может обнаружить триллион запахов». Наука. 20 марта 2014 г.

SniffPhone. ”SniffPhone получает награду за инновации 2018 года”. Получено с https://www.sniffphone.eu/

Гранд Вью Исследования. «Отчет о размерах рынка анализаторов дыхания, доле и тенденциях по технологиям (топливный элемент, полупроводниковый датчик, инфракрасная спектроскопия), по приложениям (обнаружение алкоголя, медицинские исследования) и прогнозам сегментов, 2018–2024 годы». Июнь 2018. Получено с https: / /www.grandviewresearch.com/industry-analysis/breath-analyzer-market