比爾蓋茨的投資公司和中國麥克奧迪公司近日聯(lián)合宣布，計(jì)劃推出一款深度學(xué)習(xí)顯微鏡，該顯微鏡能夠在 20 分鐘之內(nèi)自動(dòng)分辨和計(jì)算血液樣本中瘧疾細(xì)菌的數(shù)量。每年全世界約有50多萬人死于這種由蚊子傳播的疾病，這種AI顯微鏡可以加速并標(biāo)準(zhǔn)化瘧疾的檢測流程。
AI顯微鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，它檢測瘧疾寄生蟲的能力達(dá)到了最高的世界衛(wèi)生組織顯微鏡標(biāo)準(zhǔn)(等級(jí))。這個(gè)評(píng)級(jí)意味著它可以與訓(xùn)練有素的顯微鏡專家不分伯仲，盡管有研究人員指出，一些專業(yè)的顯微鏡技術(shù)人員仍然可以勝過自動(dòng)化系統(tǒng)。
今年十月 Computer Vision 國際大會(huì)上的一項(xiàng)研究啟發(fā)了中國的麥克奧迪顯微鏡公司和 Global Good Fund(高智公司和比爾蓋茨共同投資的基金會(huì))，兩者決定共同實(shí)現(xiàn)顯微鏡技術(shù)的商業(yè)化。
這種顯微鏡非常有助于跟蹤治療東南亞瘧疾中的多重耐藥菌株。Global Good Fund 全球健康技術(shù)主任 David Bell 表示：“這種多重耐藥菌株的監(jiān)測依賴于非常可靠的顯微鏡，幫助人們了解瘧疾藥物的效果，以及血液中寄生蟲數(shù)量的減少速度。我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)可以讓這個(gè)過程更加精準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)，從而讓很多國家實(shí)現(xiàn)更有效的監(jiān)測。”
Global Good Fund 在于德國杜塞爾多夫舉辦的 MEDICA 2017 展會(huì)上公布了一部分細(xì)節(jié)，該大會(huì)的舉辦時(shí)間為 2017 年 11 月 13 日至 16 日。正在研發(fā)的 EasyScan GO 顯微鏡將結(jié)合明場顯微鏡技術(shù)和深度學(xué)習(xí)軟件，該軟件可以自動(dòng)識(shí)別導(dǎo)致瘧疾的寄生蟲。工作人員將大部分注意力放在制備血液樣本玻片上，以及在顯微鏡下觀察并驗(yàn)證結(jié)果。
高智公司主要調(diào)查員 Ben Wilson 表示，深度學(xué)習(xí)算法通常需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確識(shí)別物體，然而瘧疾寄生蟲為深度學(xué)習(xí)算法“準(zhǔn)備”了一個(gè)棘手的“稀有物體問題”。在血液涂片的數(shù)百個(gè)顯微鏡圖像中，微小的瘧疾寄生蟲可能僅顯示幾次。
在感染水平非常低的情況下，10萬個(gè)紅細(xì)胞中可能只有1個(gè)瘧疾寄生蟲。麥克奧迪公司總經(jīng)理 Sebastian Nunnendorf 表示，“這就像是在標(biāo)準(zhǔn)尺寸的足球場上尋找彈珠一樣。”
他們的解決方案是將深度學(xué)習(xí)和用于分割圖像中敏感信息的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法相結(jié)合，而這還需要大量顯微鏡載玻片的培訓(xùn)數(shù)據(jù)。Wilson 和他的同事甚至要求幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室故意準(zhǔn)備一些質(zhì)量差的載玻片，以便訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法在不理想的情況下也能完成工作。“就顯微鏡領(lǐng)域的機(jī)器學(xué)習(xí)而言，檢測瘧疾和傳染病的手段是相當(dāng)獨(dú)特的”，Wilson 補(bǔ)充道。
EasyScan GO 的原型顯微鏡掃描每個(gè)載玻片的速度大約與人類顯微鏡專家相當(dāng)，每片 20 分鐘。但 Wilson 預(yù)計(jì)，最終能夠?qū)呙钑r(shí)間縮短一半，每片只需 10 分鐘。更重要的是，現(xiàn)有的原型顯微鏡也可以用來輔助數(shù)量有限的顯微鏡專家，幫助他們確定瘧疾和追蹤多重耐藥性瘧疾。麥克奧迪公司總經(jīng)理 Nunnendorf 表示，“本質(zhì)上來講這是巨大的工作效率提升，而不是單純的機(jī)器替換人類。”
如果 EasyScan GO 顯微鏡能夠大規(guī)模普及，它們也可以讓監(jiān)測傳染病傳播和藥物治療效果的研究人員受益。因?yàn)?AI 顯微鏡可以提供標(biāo)準(zhǔn)化的檢測結(jié)果，可以在不同地區(qū)之間進(jìn)行多年數(shù)據(jù)的直接比較。
深度學(xué)習(xí)算法的早期測試依賴于特殊定制的顯微鏡硬件。Global Good 的研究人員目前正在與 Motic 合作，以確保 EasyScan GO 顯微鏡的量產(chǎn)版本仍然可以滿足世界衛(wèi)生組織顯微鏡專家的最高標(biāo)準(zhǔn)。
公司推出的最終價(jià)格和上市時(shí)間尚未確定，但是 Global Good 和麥克奧迪預(yù)計(jì)其價(jià)格比較接近基本型顯微鏡，而不是昂貴的高端數(shù)字載玻片掃描儀。控制成本對(duì)于顯微鏡的普及十分關(guān)鍵，許多努力防治瘧疾和其他傳染病蔓延的國家并不富裕。Nunnendorf 表示，“為了能最大化防治瘧疾，定價(jià)一定要特別適合低收入和中等收入國家。”
Motic 還計(jì)劃更新 EasyScan GO 的系統(tǒng)軟件，使其“學(xué)會(huì)”診斷登革熱，南美錐蟲病，微絲蚴和鐮狀細(xì)胞貧血等其他疾病。該計(jì)劃將建立在深度學(xué)習(xí) AI 能夠準(zhǔn)確識(shí)別瘧疾寄生蟲的成功上。
Nunnendorf 總結(jié)道，“瘧疾是最難以確定的疾病(之一)，但是我們做到了。未來我們計(jì)劃拓展到其他明視場顯微鏡任務(wù)，包括血液膜上常見的寄生蟲和性狀，并且拓展檢測樣本類型，包括痰和糞便。這種成功給我們鋪平了未來的道路。”