一种可以媲美狗鼻子的疾病嗅探设备

但是训练这样的狗需要时间，而且它们的可用性和时间都是有限的。科学家们一直在寻找一种方法，用一种小巧的设备，将狗的鼻子和大脑惊人的嗅觉能力自动化。现在，麻省理工学院和其他机构的一组研究人员提出了一种系统，可以检测空气样本中的化学物质和微生物含量，灵敏度甚至比狗的鼻子还要高。他们将其与机器学习过程相结合，可以识别携带疾病样本的独特特征。

研究人员说，这一发现有一天可能会导致一种小到可以集成到手机中的自动气味探测系统，今天发表在《公共科学图书馆·综合》杂志上，由英国医学探测犬的克莱尔·盖斯特、麻省理工学院的研究科学家安德烈亚斯·梅尔辛以及约翰·霍普金斯大学、前列腺癌基金会和其他几所大学和组织的其他18人共同发表。

“到目前为止，大约15年来，狗已经被证明是我们所尝试过的任何疾病中最早、最准确的检测器，Mershin说。他说，在某些情况下，它们在对照测试中的表现超过了目前最好的实验室测试。“到目前为止，狗狗比其他任何技术都更早地发现了许多不同类型的癌症。”

更重要的是，狗狗显然能找到迄今为止人类研究人员无法找到的联系:当训练它们对一种癌症患者的样本做出反应时，一些狗狗就能识别出其他几种癌症——尽管这些样本之间的相似性对人类来说并不明显。

这些狗可以识别“没有任何相同的生物分子特征的癌症，气味中没有任何相同的特征，”Mershin说。使用强大的分析工具，包括气相色谱-质谱(GCMS)和微生物分析，”如果你分析皮肤癌、膀胱癌、乳腺癌和肺癌的样本，这些都是狗狗能够检测到的，它们没有任何共同之处然而，狗可以从一种癌症中归纳出其他癌症。。

在过去的几年里，Mershin和他的团队已经开发了一种微型探测器系统，并在继续改进，该系统将哺乳动物的嗅觉受体稳定地作为传感器，其数据流可以通过典型智能手机的功能实时处理。他设想有一天，每一部手机都将内置气味探测器，就像现在手机中无处不在的摄像头一样。他说，这种探测器配备了通过机器学习开发的先进算法，有可能比典型的筛查制度更早地发现疾病的早期迹象，甚至还可以警告烟雾或气体泄漏。

在最新的测试中，该团队测试了50份来自确诊前列腺癌患者的尿液样本，以及已知没有前列腺癌的对照组，使用的是英国医疗检测犬(Medical Detection dogs)训练和处理的狗，以及小型化检测系统。然后，他们应用机器学习程序来梳理样本之间的任何相似点和不同点，这可以帮助基于传感器的系统识别疾病。在测试相同的样本时，人工系统能够与狗的成功率相匹配，两种方法的得分都超过70%。

Mershin说，这种微型探测系统在探测和识别不同分子的微小痕迹方面的灵敏度实际上是狗鼻子的200倍，这一点已经通过DARPA授权的对照试验得到了证实。但是在解释这些分子方面，“这是百分之百的愚蠢。”这就是机器学习的用武之地，试图找到狗狗可以从气味中推断出的难以捉摸的模式，但人类还无法从化学分析中掌握。

“狗不懂任何化学反应，”Mershin说。“他们不会在脑海中看到分子列表。当你闻一杯咖啡时，你看到的不是一串名称和浓度，而是一种完整的感觉。这种气味的感觉正是狗能挖掘的”。

虽然用于检测和分析空气中分子的物理设备已经发展了好几年，但大部分注意力都集中在减小其尺寸上，直到现在，分析仍然缺乏。“我们知道，就检测的极限而言，传感器已经比狗做得更好，但我们之前没有展示过的是，我们可以训练人工智能来模仿狗，他说。“现在我们已经证明了我们可以做到这一点。我们已经证明，狗的行为在一定程度上是可以复制的。”

研究人员说，这一成就为进一步研究提供了坚实的框架，以将技术发展到适合临床使用的水平。Mershin希望能够测试更大的样本集，也许是5000个，以更详细地确定疾病的重要指标。但这种检测并不便宜:他说，收集、记录、运输和分析携带疾病和无疾病尿液的临床测试和认证样本，每个样本的成本约为1,000美元。

在回忆他是如何参与这项研究时，Mershin回忆起一项关于膀胱癌检测的研究，在这项研究中，一只狗总是把对照组的一名成员误认为是膀胱癌阳性，尽管他是根据医院的测试被特别挑选出来没有疾病的。这名患者知道狗狗的测试，选择进行进一步的测试，几个月后被发现患有非常早期的疾病。“尽管这只是一个案例，但我不得不承认这确实动摇了我，”默辛说。

该团队包括麻省理工学院、马里兰州约翰霍普金斯大学、英国米尔顿凯恩斯的医学探测犬、剑桥聚合物小组、前列腺癌基金会、德克萨斯大学埃尔帕索分校、想象引擎公司和哈佛大学的研究人员。这项研究得到了前列腺癌基金会、国家癌症研究所和国立卫生研究院的支持。