Forskere lager AI-basert pille for å diagnostisere kreft i tarmene nøyaktig

Et team ledet av University of Saskatchewan (USask) -forsker Khan Wahid har blitt tildelt $ 250, 000 fra det føderale New Frontiers in Research Fund for å lage en ny kapsel i pilleformat som bruker kunstig intelligens (AI) -aktivert sensing for å diagnostisere gastrointestinale kreftformer og blødninger tidligere og mer presist enn det som er mulig nå.

Nå i prototypeutvikling, SmartCap er en ny generasjons diagnostisk verktøy som adresserer mangler ved den 20 år gamle trådløse kapselendoskopiteknologien som for tiden brukes til å oppdage gastrointestinale maligniteter og blødninger.

SmartCap er i stand til å generere posisjonsspesifikke data om svulster og blødninger som resulterer i større diagnostisk nøyaktighet.

Med et unikt sporingssystem utviklet av Wahids team, leger vil kunne spore nøyaktig hele tarmreisen til den smarte kapselen på grunn av små trådløse "intelligente" biosensorer som oppdager og analyserer målrettede biomarkører (sykdomsindikatorer) og kommuniserer med eksterne enheter som en datamaskin.

"Dette nye verktøyet kan doble overlevelse i gastrointestinal kreft over hele verden, "sa Wahid, professor i elektro- og datateknikk ved USask College of Engineering. "Dette er den første fullt sporbare" smarte "pillen for målrettet endoskopi (en ikke-kirurgisk måte å se inn i kroppen) som kan tilpasses pasienten."

Verdens helseorganisasjon anslår at det var 4,6 millioner nye tilfeller av gastrointestinal kreft og 3,3 millioner relaterte dødsfall i 2018. Omtrent to tredjedeler av disse kreftene oppdages på et avansert stadium, men med tidligere diagnoser og behandling, overlevelsesraten til pasientene nesten dobler seg til 83 prosent.

Programmet New Frontiers in Research bringer disipliner sammen på ikke-tradisjonelle måter for å utforske nye retninger som skyver grensene for forskning og har potensial for betydelig innvirkning, "

Under professor Wahids ledelse, dette spennende biomedisinske ingeniørprosjektet for forbedret kreftdiagnose bruker den innovative og omfattende ekspertisen til våre talentfulle forskere, forbedre bidraget vi gir for å takle store helseutfordringer globalt. "

Karen Chad, Visepresident forskning, USask College of Engineering

Med på teamet er også hovedforsker Kiven Lukong, lektor i biokjemi, mikrobiologi og immunologi, og Paul Babyn, professor i medisinsk bildediagnostikk, begge ved College of Medicine, i tillegg til Francis Bui, førsteamanuensis i elektro- og datateknikk. Prof. Svetlana Yanushkevich ved University of Calgary, en ekspert på AI, samarbeider om prosjektet.

Selv om trådløs kapselteknologi som bruker små kameraer for øyeblikket er det eneste alternativet for å ta bilder inne i den tre til 10 meter lange tynntarmen, nåværende enheter kan ikke spores nøyaktig i tarmen, gjør det umulig for leger å finne stedet for kreft, polypp, eller blødning.

Ufrivillige bevegelser av tynntarmen gjør det ytterligere vanskelig å bestemme kapselens fremgang.

"Det er som å prøve å spore noe i mørket uten referansepunkt, eller der selve referansepunktene beveger seg konstant, "sa Wahid." Derfor har det ikke vært noen endring på maskinvare- og lokaliseringssiden for trådløs kapselteknologi på 20 år, selv om bildekvalitet, trådløs overføring, diagnostiske verktøy, og programvare er alle forbedret. "

Ved utformingen av SmartCap, Wahids team bruker en "lab-on-a-chip" -tilnærming-som integrerer flere laboratoriefunksjoner, inkludert blodprøve-analyse på en enkelt chip.

Med mer enn dobbelt så mye batteristrøm som konvensjonelle trådløse kapsler, SmartCaps 24-timers batteristrøm gjør deteksjon mulig helt til slutten av tarmreisen, med forbedrede resultater på grunn av fluorescenssensorer med lav effekt, multispektrale lyssensorer, og lokaliseringsteknologi-alt blir utviklet i Wahids laboratorium.

De innebygde fluorescenssensorene oppdager gløden fra spesielle fargestoffer injisert i en pasient for å binde seg til spesifikke kreftceller, identifisere kreften og dens plassering i sanntid. Den multispektrale sensormatrisen bestemmer hemoglobinkonsentrasjon og oksygenmetning av blod som passerer gjennom et hakk på kapselen ved å analysere fargen på blodet, angir om blødningen er aktiv, kronisk, eller en blodpropp. Dyp læring AI -teknikker brukes for å forbedre nøyaktigheten.

Små bildesensorer festet til kapselens sidevegger og "digital image correlation technology"-lånt fra teknikken som brukes i en optisk datamus for å korrelere bevegelsen med markøren-spore kapselen i sanntid. En liten enhet for måling av hastighet og kapselorientering gir data for å hjelpe med lokalisering av en svulst.

For å eliminere mulige falske positiver, et lite standardkamera er integrert, men vil for det meste forbli i hvilemodus, aktiveres bare hvis AI -brikken mistenker en malignitet.

Teamet har søkt om å få patent på multispektrale matrisen, og planlegger å følge etter med fluorescensdeteksjon og lokaliseringsteknologier, så vel som selve SmartCap.

"Hvis dette lykkes, du kan bruke denne teknologien i mange andre svelgbare sensorer og implantater, til og med tilpasse den til bruk i gruvedrift og boring under jorden, eller i oljeindustrien for å oppdage og lokalisere rørledningslekkasjer, "sa Wahid, som forventer å ha en SmartCap -prototype klar om to år.

Det neste trinnet vil være å finne en industripartner for å investere i å bringe det nye produktet til et trådløst kapselendoskopimarked som forventes å nå $ 650 millioner i år og vokse raskt med den aldrende globale befolkningen.

• Nærhet til naturlige miljøer fordeler formel-matet babyer tarmmikrobiom
• Studier knytter gjæret grønnsakskonsum til lav dødelighet av COVID-19