人工知能は人間の呼吸の病気をかぐことができる

人工知能（AI）は、（ドライバーレス車のように）見る能力と（Alexaや他のホームアシスタントのように）聞く能力で最もよく知られています。 これからは匂いもするかもしれません。 私の同僚と私は、人間の息を嗅ぐことができ、息を吐く可能性のある病気を明らかにする物質の範囲を特定する方法を学ぶことができるAIシステムを開発しています。

嗅覚は、動物や植物でさえも使用され、空中に浮遊する何百もの異なる物質を識別します。 しかし、他の動物のそれに比べて、人間の匂いの感覚ははるかに発達しておらず、確かに日常活動を行うために使用されていません。 このため、人間は空中を伝わることができる情報の豊かさを特に意識しておらず、非常に敏感な嗅覚システムによって知覚される可能性があります。 AIはそれを変えようとしているかもしれません。

数十年にわたり、世界中の実験室は空気中のごく微量の物質を検出するために機械を使用することができました。 ガスクロマトグラフィー質量分析計またはGC-MSと呼ばれるこれらのマシンは、空気を分析して、揮発性有機化合物として知られる何千もの異なる分子を発見できます。

GC-MSマシンでは、空気サンプル中の各化合物が最初に分離され、次に破片に砕かれて、化合物を認識できる独特の指紋が作成されます。 以下の画像は、呼吸サンプルの分析からのデータの小さな部分の視覚化です。

各ピークは分子のフラグメントを表します。 そのようなピークの特定のパターンは、異なる物質の存在を明らかにしています。 多くの場合、最小のピークでさえ非常に重要です。 人間の呼吸に存在する数百の化合物の中で、それらのいくつかは、初期段階でさえ、さまざまな癌の存在を明らかにするかもしれません。 したがって、世界中の研究所は、痛みを伴わずにタイムリーに多くの病気を特定するための非侵襲的な診断ツールとしてGC-MSを実験しています。

残念ながら、このプロセスは非常に時間がかかる場合があります。 大量のデータは、専門家が手動で検査および分析する必要があります。 膨大な量の化合物とデータの複雑さにより、専門家でさえ1つのサンプルの分析に時間がかかります。 また、人間はエラーを起こしやすく、化合物を見逃したり、ある化合物を別の化合物と間違えたりすることがあります。

人工知能がどのように役立つか

ラフバラ大学のデータサイエンスチームの一部として、同僚と私は最新の人工知能技術を採用して、さまざまな種類のデータ、つまり呼吸サンプル中の化合物を認識および学習しています。 深層学習ネットワークと呼ばれる脳に触発された数学モデルは、匂いによって残された痕跡を「読み取る」ために特別に設計されました。

エジンバラがんセンターの医師、看護師、放射線技師、医学物理学者のチームは、がん治療を受けている参加者から呼気サンプルを収集しました。 その後、サンプルは化学者とコンピューター科学者の2つのチームによって分析されました。

多数の化合物が化学者によって手動で特定されると、高速コンピューターにデータが与えられ、深層学習ネットワークを訓練しました。 計算は、GPUと呼ばれる複数の異なる情報を同時に処理できる特別なデバイスによって加速されました。 深層学習ネットワークは、呼吸中の特定の化合物を明らかにした特定のパターンを認識することができるまで、各呼吸サンプルからますます多くを学びました。

この最初の研究では、アルデヒドと呼ばれる化学物質のグループを認識することに焦点が置かれました。これは、しばしば香りだけでなく、人間のストレス状態や病気にも関連しています。

この技術を搭載したコンピューターは、以前は人間の専門家によって何時間もかかっていた呼吸サンプルを自律的に分析するのに数分しかかかりません。 事実上、AIはプロセス全体を安価にしていますが、何よりも信頼性を高めています。 さらに興味深いことに、このインテリジェントなソフトウェアは、より多くのサンプルを分析するにつれて知識を獲得し、時間とともに改善されます。 結果として、この方法は特定の物質に限定されません。 この手法を使用すると、深層学習システムをトレーニングして、医学、法医学、環境分析などで潜在的に幅広いアプリケーションで少量の揮発性化合物を検出できます。

AIシステムが病気のマーカーを検出できれば、病気かどうかを診断することも可能になります。 これには大きな可能性がありますが、物議を醸す可能性もあります。 AIは、空気中の物質を検出するツールとして使用できることを単にお勧めします。 必ずしも診断したり決定したりする必要はありません。 最終的な結論と決定は私たちに任されています。

アンドレア・ソルトッジオ、ラフバラ大学講師