Umetna inteligenca (AI) je najbolj znana po svoji zmožnosti gledanja (kot v avtomobilih brez voznikov) in poslušanja (kot pri Alexa in drugih domačih pomočnikih). Odslej lahko tudi diši. Kolegi in jaz razvijamo sistem AI, ki lahko diši po človeškem dihu in se naučimo, kako prepoznati vrsto snovi, ki razkrivajo bolezen, ki jih lahko izdihnemo.
Čut za vonj živali in celo rastline uporabljajo za prepoznavanje sto različnih snovi, ki plavajo v zraku. Toda v primerjavi z drugimi živalmi je človeški vonj precej manj razvit in ga zagotovo ne uporabljamo za vsakodnevne dejavnosti. Zaradi tega se ljudje premalo zavedajo bogastva informacij, ki se lahko prenašajo po zraku, in jih lahko zazna zelo občutljiv vohalni sistem. AI bo morda to spremenil.
Že nekaj desetletij lahko laboratoriji po vsem svetu uporabljajo stroje za zaznavanje zelo majhnih količin snovi v zraku. Ti stroji, imenovani plinsko-kromatografski masni spektrometri ali GC-MS, lahko analizirajo zrak in odkrijejo na tisoče različnih molekul, znanih kot hlapne organske spojine.
V napravi GC-MS vsako spojino v vzorcu zraka najprej ločimo in nato razbijemo na drobce, kar ustvari značilen prstni odtis, iz katerega je mogoče prepoznati spojine. Spodnja slika je vizualizacija manjšega dela podatkov iz analize vzorca iz diha.
3D prikaz dela podatkov iz vzorca diha iz instrumenta GC-MS. (James Gathany) Vsak vrh predstavlja delček molekule. Posebni vzorci takih vrhov kažejo na prisotnost različnih snovi. Pogosto je lahko ključen tudi najmanjši vrh. Med nekaj sto spojinami, ki so prisotne v človeškem dihu, lahko nekatere izmed njih razkrijejo prisotnost različnih vrst raka, tudi v zgodnjih fazah. Laboratoriji po vsem svetu zato eksperimentirajo z GC-MS kot neinvazivnim diagnostičnim orodjem, da bi brez bolečin in pravočasno prepoznali številne bolezni.
Žal je postopek lahko dolgotrajen. Strokovnjaki morajo ročno pregledati in analizirati velike količine podatkov. Ogromna količina spojin in zapletenost podatkov pomeni, da si celo strokovnjaki vzamejo veliko časa za analizo enega samega vzorca. Tudi ljudje so nagnjeni k napakam, lahko zgrešijo spojino ali napačno zamenjajo eno spojino za drugo.
Kako lahko pomaga umetna inteligenca
Kot del ekipe za znanost o podatkih univerze Loughborough prilagajamo najnovejšo tehnologijo umetne inteligence, da zaznamo in se naučimo različnih vrst podatkov: kemičnih spojin v vzorcih diha. Matematični modeli, ki so jih navdihnili možgani, imenovani mreže za globoko učenje, so bili posebej zasnovani za "branje" sledi, ki jih puščajo vonji.
Skupina zdravnikov, medicinskih sester, radiografov in medicinskih fizikov iz centra za rak v Edinburghu je odvzela vzorce diha udeležencem, ki se zdravijo z rakom. Nato so vzorce analizirali dve skupini kemikov in računalničarjev.
Ko so kemiki ročno opredelili številne spojine, so hitri računalniki dobili podatke za usposabljanje globinskih učnih mrež. Izračun so pospešili s posebnimi napravami, imenovanimi GPU, ki lahko hkrati obdelujejo več različnih informacij. Mreže globokega učenja so se iz vsakega vzorca diha naučile vedno več, dokler niso mogle prepoznati določenih vzorcev, ki so v dihu razkrivali posebne spojine.
Enostavna predstavitev postopka: od spojin v zraku ali vzorcev diha do vizualizacije zaznanih snovi. (James Gathany) V tej prvi raziskavi je bil poudarek na prepoznavanju skupine kemikalij, imenovanih aldehidi, ki so pogosto povezane z dišavami, pa tudi s stresnimi stanji in boleznimi ljudi.
Računalniki, opremljeni s to tehnologijo, potrebujejo le nekaj minut, da avtonomno analizirajo dihalni vzorec, ki ga je človeški strokovnjak prej vzel več ur. Učinkovito AI celoten postopek znižuje ceneje, predvsem pa ga naredi bolj zanesljivega. Še bolj zanimivo je, da ta inteligentna programska oprema pridobi znanje in se sčasoma izboljša, ko analizira več vzorcev. Zaradi tega metoda ni omejena na nobeno posebno snov. S to tehniko je mogoče izuriti sisteme globokega učenja za odkrivanje majhnih količin hlapnih spojin s potencialno široko uporabo v medicini, forenziki, okoljskih analizah in drugih.
Če sistem AI lahko odkrije označevalce bolezni, potem lahko tudi postavimo diagnozo, ali smo bolni ali ne. To ima velik potencial, vendar bi se lahko izkazalo tudi za sporno. Preprosto predlagamo, da bi AI lahko uporabili kot orodje za zaznavanje snovi v zraku. Ni nujno, da diagnosticirajo ali sprejmejo odločitev. Končni sklepi in odločitve so prepuščeni nam.
Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru.
Andrea Soltoggio, predavateljica, univerza Loughborough
