盖茨、谷歌看中的“重口味”科技,正挑战无创测癌

文/詹子娴

来源:DeepTech深科技(mit-tr)

在这个什么东西都想要跟“智能”扯点关系的时代,智能马桶,四个字听起来可能会觉得脑洞大开,但比起智能手表、智能手环来说,一些科学家更相信马桶其实是最适合做健康管理、疾病侦测的设备。

科技巨擘、卫浴大厂都在研究

马桶,这个乍听之下跟科技好像没什么太大关系的东西,其实正默默在改变,很多科技巨擘都对其充满兴趣。微软创始人比尔盖茨希望为超过 20 亿无法获得洁净水的人口改造马桶,他与妻子成立专注公益的比尔和梅林达盖茨基金会(Bill & Melinda Gates Foundation)研究马桶就超过 10 年。

(来源:盖茨基金会官网)(来源:盖茨基金会官网)

马桶对你我来说,可能是再寻常不过的东西,但部分第三世界国家、贫困地区却仍因如厕环境简陋,缺乏卫生设施而受苦,除了尊严、女性安全问题外,传染性疾病容易随着排泄物快速散播,造成生命损失,要解决疾病散布最好的方法就从源头杜绝,因此基金会从 2011 年开始连续举办“重建马桶挑战”(Reinvent the Toilet Challenge),目标是实现每位用户每天使用成本低于 0.05 美分,且不需使用水、电、不需连通下水道的马桶,目前挑战进入到第三阶段,由全球 16 个不同的研究团队组成,基金会提供经费支持科研人员或团队运用科技、化学技术来开发,例如用紫外线燃烧废物的马桶、纳米膜马桶等。

除了防止疾病扩散,有一些公司则是着眼于保健(healthcare),谷歌在 2016 年公布了一篇专利文件《Noninvasive Determination Of Cardiac Health And Other Functional States and Trends For Human Physiological Systems》(非侵入性测定心脏健康和其他人类生理系统的功能状态及趋势) ,描绘一个充满着未来感的智能浴室,配备多个非侵入式传感器、以及使用反射光、声波、电磁感应等技术,目标是通过这些设备监测用户心血管系统的健康,在疾病形成之前就能提出警示。

谷歌的文件描述了使用情境,浴室中装有 3 个非侵入性健康监测设备,分别在洗手台下方的脚踏垫、马桶座圈传感器、以及镜子。垫子测量用户的电生理活动,提供心电图(ECG)。马桶座圈传感器能够测量血液脉波传播速率(PWV,Pulse Wave Velocity ),心脏打出血液产生脉搏拍动,并通过血管传到手与脚的速度就叫做 PWV,血管越硬,脉波的速度越快,所以透过 PWV 测定可以得知血管硬化的情形。镜子的传感器如摄像头,可以测量皮肤颜色变化,得到血液的容量变化,提供光体积变化描记图(PPG,Photoplethysmogram)。另外,还有一个超声波浴缸,透过生成高频声波、传感器接收回声,分析身体结构。

谷歌认为,最大的好处就在于,用户不需要改变日常生活步骤,或多增加做任何事情,只要跟往常一样站在垫子上洗脸,看着镜子,使用马桶,比起其他非侵入式装置,例如还要佩戴在身体、黏贴在肌肤上等,能提供更好的使用体验,进而提高用户的接受度。有了这些数据,就可以评估用户的心脏健康,并且提供饮食和运动建议。

图|Google 专利描绘了未来浴室的样貌。(來源:专利文件《Noninvasive Determination Of Cardiac Health And Other Functional States and Trends For Human Physiological Systems》)  图|Google 专利描绘了未来浴室的样貌。(來源:专利文件《Noninvasive Determination Of Cardiac Health And Other Functional States and Trends For Human Physiological Systems》)

麻省理工科技评论创新青年+科学家+世界马桶先生

而近来在关注马桶的圈子出现了一个新秀,旧金山初创公司 Clinicai 利用光学检测仪跟机器学习,正开发能够侦测大肠癌的智能马桶装置,不久前更入选进入全球第一个生物医学加速器 IndieBio。

(来源:Clinicai 官网)(来源:Clinicai 官网)

Clinicai 是由三位科学家跟一名“Mr。 Toilet”(马桶先生)所组成,CEO 黄君豪为癌症生物学家,师承知名癌症基因生物學家 Scott W。 Lowe、Charles J。 Sherr 以及 CRISPR 技术发明人之一、加州大学伯克利分校的分子与细胞生物学及化学系教授 Jennifer Anne Doudna。他率先使用基因沉默(gene silencing)和基因编辑技术,能够快速且弹性化建立基因工程小鼠模型,并发现肝癌和炎症性肠病的治疗和预防之标靶基因,他也是《麻省理工科技评论》 2018 年东南亚区 35 岁以下十大顶尖创新者之一。

Clinicai 联合创始人 Medina Baitemirova 则是一位生物信息(Bioinformatician)学家,在分子生物领域跟美国不少重量级的医疗机构合作,包括贝勒医学院(Baylor College of Medicine)、德州儿童医院、诺华生物医学研究院(Novartis Institutes for BioMedical Research) 等,她也曾在打造智能镜子的初创公司 Memomi Labs 担任主管,协助零售、美妆业者导入智能镜子提供新的用户体验。

另一位创始成员是来自哥伦比亚的 Juan Carlos Guaqueta,《麻省理工科技评论》 2015 年拉美区“35岁以下科技创新35人”的得奖人之一,在哥伦比亚有 85%的污水未经过处理就被排放到河流或地下水源,为了解决这个问题,他成立了一家专攻污水回收处理的公司 AcuaCare,利用有机多孔材料和虫类,过滤污染流体,留下的清洁水用于灌溉田地,还能利用虫类和微生物制作成肥料。

还有一位值得一提的成员沈锐华(Jack Sim),为新加坡知名连续创业家,有趣的是,他在国际上有一个“Mr。 Toilet”的封号,他在 40 岁时就做過过 16 个创业项目,财富自由后的他,跟比尔盖兹一样投入马桶公益,把马桶推进偏远或贫穷地区,联合国在 2013 年正式宣布将 11 月 19 日定为“世界厕所日”(World Toilet Day)就是因他而来。

图|Clinicai 创始成员:黄君豪(左一)、Juan Carlos Guaqueta(左二)、沈锐华(右二)、Medina Baitemirova(右一)(:Clinicai)  图|Clinicai 创始成员:黄君豪(左一)、Juan Carlos Guaqueta(左二)、沈锐华(右二)、Medina Baitemirova(右一)(:Clinicai)

早期疾病检测至关重要

他们的“马桶”创业,可以说是从一所大学开始,黄君豪在 2016 年获选进入由 Google、NASA、Boeing 共同创办的奇点大学(Singularity University),每年从全世界挑选 80 位学生,目标是利用足以带动指数性增长跃进的技术(exponential technologies)来解决人类面临的重大挑战。就在就读奇点大学的期间,黄君豪结识了上述伙伴一同创业。

黄君豪回忆,在奇点大学创始人之一、也是谷歌工程总监 Ray Kurzweil 的一场演讲上,Ray Kurzweil 预言,随着计算机运算能力及人工智能技术的提升,过去许多没办法分析的信息可以开始逐渐被了解,比如复杂生物体,从现在开始到未来 10 年内,生物科技将进入一个起飞阶段。当我们已经足够了解生物体信息之后,下一个 10 年又会发生什么事?他认为,纳米科技(nano technology)将迎来新的发展期,例如微小的纳米机器人进入人体,接着修复人体。

这番话听在学生技的黄君豪耳中感触良多,“在学术界做一项研究可能就花了5、6年,新药开发或是寻找疾病的标志(marker)时间更久,这还只是初期研究,到真的能够到应用在人类生活又是另一个数年过去了,什么方法可以加速整个过程?”另一个问题是说,生物科技理应与人最息息相关,尽管计算机、智能手机已普及于生活,但是仍缺乏一个与生物科技真的相关、好用的电子产品,可以真正帮助健康。

而 AI 给了大家一个机会,可以用 IT 的方式教导机器了解生物体内及体外,特别是人类带有 2 万个基因,它们到底怎么相互作用,形成身体的运作及变化,先前他在美国纽约纪念斯隆—凯特琳癌症中心(Memorial Sloan Kettering Cancer Center)和伯克利的实验室时,就使用 AI 来寻找最有效抑制基因开关的方法,基因是一长串序列,从前端抑制跟从中端、后端做的效果是否不同?他们就使用了大量的数据集,训练出一个算法来预测 2 万个基因,一旦要开关特定的基因时,可从知道从哪一个地方去抑制效果最好。

上述是生物体内,那么,生物体外呢?有什么办法去了解我们每天的健康资讯。“很多人都在专研怎么治疗特定疾病,但是大部分疾病是只要能够很早被侦测到,后面治疗就可以变得很简单,所以早期疾病检测这一块相当重要。”

为什么是马桶?

想要早期检测身体是否异常,通常大家会想到去医院健检,一是成本昂贵,特别是在美国,健检费用并不是多数人可以负担得起,只能久久才去一次,甚至从来没有做过。要不就是觉得麻烦,有些人则会觉得“没事不要去医院”,心态上就排斥去医院。

“要解决大家不去医院的问题,那就是在家中,想要有一个空间可以装这些健康管理的装置,浴室是一个不错的地方,”他说,首先,大家每天会去浴室,而且那个环境是有隐私性的、让人感到放松、舒适的,同时,浴室本来就有许多设备,只要加入科技就可以达到收集信息的功能,“浴室数十年来没有变化,It’s time to disrupt(是时候该被颠覆了) 。”

为什么 Clinicai 会选择马桶?在于他们是锁定疾病。人每天吃的东西都会排泄出来,可以做营养分析,从排泄物分析需要多补充什么样的食物,达到营养均衡之外,更重要的还是大肠癌的早期侦测。

大肠癌为全球第三高发的癌症,早期无明显症状,往往等到患者排便习惯改变,或出现血便才就医,传统的检测方式是用户自行收集粪便,然后送到检验部门,并会进行侵入性的大肠镜检测,用户得先服用泻药、清肠,再进行半身麻醉,风险较高,整个过程是很痛苦的,而且成本昂贵,在美国收费大约 4000~5000 美元。

(来源:麻省理工科技评论)(来源:麻省理工科技评论)

不过,黄君豪指出,美国一种最新的方法为“Cologuard”(大肠卫士),在 2014 年获得美国药检局(FDA)批准第一个非侵入性的大肠癌筛检试剂,从粪便里检测大肠癌的 DNA。但由于粪便中的 DNA 量少,所以 Cologuard 的做法放一个架子跟桶子在马桶上,收集很大量的粪便。“我们就在想能不能开发一种作法,让大家不必动手收集粪便,但又能取得某些程度的信息,传感器就是一种方法。”

Clinicai 研发的智能马桶装置有两个技术核心,分别是光学传感器与机器学习。他们在奇点大学时,就测试了一系列的光学式、机械式传感器,发现了一个新的光学传感器技术,是航太领域用来监测地表岩层、分析污染物,能搜集可见光与非可见光区域的信息,他们就用此技术开发出了第一代的产品。

不过,此光学传感器类似摄像头,“后来发现浴室有摄像头,感觉还是不太好,有隐私性的疑虑”,尽管第一代产品的实验效果相当不错,但他们还是决定改作法,只取信号,而不取图像,现正在开发第二代设备。

此外,通过传感器还会根据用户的坐姿、重量等,侦测是谁在使用马桶,不会把家庭成员的数据搞混。

在机器学习部分,黄君豪指出,传统疾病侦测的想法是要找出某一个特定的标志(marker),再去分析有病或没病,但 Clinicai 想要突破这种方式,一是这种做法多年下来仍未见好结果,二是很多疾病非常复杂,有时某一项指标呈现阳性(positive),并不代表真的得病,所以他们尝试先不管特定marker,而是让机器认一个型态(pattern)。

而 marker 跟 pattern 的差别是什么?他进一步解释,以较简单的血液检测为例,如果血液中某个因子过多,那就可能罹患癌症,这是目前的做法。Clinicai 的做法是取得粪便的全部光谱讯号,再取得 100 个大肠癌病人粪便的光谱讯号,跟 100 个健康的人粪便的光谱讯号,用这些数据去训练机器,找出大肠癌病人有什么共同的特征。不过,他也强调,数据集越大越好,所以还有赖收集更多信息量,包括粪便的颜色、型态、粪便中的微生物(microbiome)等,目前团队已经完成大肠癌小鼠的测试,并开始已与美国及亚洲的医院合作。

能免去侵入性检测的辛苦,又不必改变生活习惯,每天如厕同时还可以检测身体,这样的智能马桶装置倒是相当吸引人,只是有一个关键因素:价格。对此,黄君豪说,之前做市场调查,消费者的预算差不多 300~500 美元,就像买一个消费性电子产品,评估量产时应该可以达到这个价格。

图|高档的美国卫浴品牌 KOHLER 也申请智能马桶相关专利(来源:专利文章《Smart toilet systems and methods》(智能厕所的系统和方法))  图|高档的美国卫浴品牌 KOHLER 也申请智能马桶相关专利(来源:专利文章《Smart toilet systems and methods》(智能厕所的系统和方法))

第一次让马桶讲话

当时 DT 君在采访黄君豪时问的第一个问题:“你们是要做一个马桶?”,随即被他用“不是”二字否决了,“是做健康、疾病检测,马桶只是一个平台”。除了马桶之外,镜子也在发展蓝图中,不同于现在多数人是做体型量测、分析胖瘦,进而跟购物结合,Clinicai 依旧是聚焦在疾病上,从早期的细微变化、斑点侦测皮肤相关疾病。只是初创公司资源有限,仍会先聚焦在马桶产品。

(来源:麻省理工科技评论)(来源:麻省理工科技评论)

就像他所说的,Clinicai 的定位并不是真的要推出一个马桶品牌产品,而是希望透过与卫浴品牌合作,已经有卫浴品牌意识到这件事,像是日本的 TOTO、美国的 KOHLER 研究智能马桶也有数年之久,今年 CES 上 KOHLER 还把亚马逊语音助理 Alexa 带入浴室,可以声控免治马桶、智能浴镜。对 Clinicai 团队来说,更像是做件“让马桶第一次可以讲话”的大事,如同 1984 年 iMac 发表之前,已故苹果创始人乔布斯要求工程师 Andy Hertzfeld 一定要让计算机说出“Hello”,Clinicai 希望马桶不再被视为是不清洁的工具,只能默默感受用户,而是会纪录并诉说用户的身体信息,作为用户的健康守护者。

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