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曾发明DNA测序仪芯片的他,如今又借 AI 发明手持超声波工具

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曾发明DNA测序仪芯片的他,如今又借 AI 发明手持超声波工具

曾发明DNA测序仪芯片的他,如今又借 AI 发明手持超声波工具

如果说Jonathan Rothberg拥有超能力,那就是将主机大小的机器安装在单个半导体电路板上。这位创业工程师凭借发明世界上第一个DNA测序仪芯片而扬名立万。在此之后,他又花了八年时间把这些专业知识(和大量启动资金)投入到另一项新事业中:将手机屏幕变成人体的窗口。

上个月,Rothberg的创业公司Butterfly Network推出了一款价格低廉的手持式超声波工具iQ,可直接插入iPhone的 lightning 接口 。非专业技术人员也能轻松使用它——它会通过机器学习算法指导用户操作。 Rothberg说,随着美国食品与药物管理局(FDA)对包括产科检查、肌肉骨骼检查和心脏扫描在内的13个临床应用的批准,这种新设备将会像他先前发明的DNA测序仪Ion Torrent一样,一举攻破医学影像产业,与基因组学巨头Illumina抗衡。

这一切是如何做到的?一切还要从探索宇宙之源说起。

2010年夏天,Rothberg听了一位名叫Max Tegmark的物理学家在麻省理工学院的讲座,Max讲述了一种新型宇宙成像方法,振奋人心。这种方法需要把数以万计的望远镜连接在一起,以测量来自遥远恒星的能量。但是,将大量天线与大量计算机进行交互,给他们带来了巨大的计算瓶颈。因此,Tegmark和一位名叫Nevada Sanchez的研究生提出了一种有效分工的方法。他们称之为蝴蝶网络。

Rothberg坐在观众席上时,他意识到他可以使用他们的算法来解决一个完全不同的问题:在硅芯片上连接成千上万的超声波扬声器,以便制作清晰的人体内部三维图像。自从他的大女儿生病以来,这是他想要做的一件事。

在讲座结束时,Rothberg向Max自我介绍,提出了他的想法,并要求和这位物理学家最好的学生合作。一年后,Rothberg Sanchez共同创建了蝴蝶网络,计划重塑门诊中最火热的成像测试。

尽管超声波的低保真粒状图对MRI或CT扫描的清晰度没有任何影响,但这项技术的复杂程度仍然令人震惊。它的工作原理与蝙蝠用来寻找猎物的方式相同——发出声音,接收回声,计算距离。

在过去的40年里,几乎所有的超声波机器都使用压缩的带电晶体或陶瓷来实现这一过程。当电流接触到晶体时,它会迅速改变形状,从而发出振动。当这些声波反弹时,晶体会发出电流。但每一个晶体都必须单独连在一起,然后通过电缆连接到一个单独的机器进行处理。另外,必须对晶体进行调整,以产生适合在特定深度成像的超声波。你要有一个心脏探头,一个胃探头,一个子宫探头。一个带有多探头和显示屏的典型系统成本高达10万美元。

绕过这些限制需要两步。首先,蝴蝶网络的工程师们用多排CMUT替代了晶体。你可以把它们想象成悬挂在两个电极之间的金属板。通过它们来传送电流和板振动,并通过改变电场的功率来调整频率。他们得到了斯坦福大学教授Pierre Khuri-Yakub的帮助,Khuri-Yakub教授在1994年开发了第一个CMUT,他的研究吸引了通用电气、飞利浦和三星等公司的兴趣,他们都希望探索新的超声波方式,但一直没能得出提高规模性和可靠性的方案。 Khuri-Yakub说:「这是一种基于电场的高功率设备,就像一匹野马。如果你懂得控制它,它就能为你所用,如果控制不了,就会招致危险。」

结合自己的编程技能和Sanchez的数学能力,他们完成了重新设计。他们取消了布线,并将CMUT直接连接到包含所有必要的放大器和信号处理器的半导体层,将声音转换为图像。这里面有大量数据,该芯片每秒能处理大约20个《神奇女侠》DVD的数据。

Rothberg说:「如果旧版本的超声波是吸管,那么这就是一根消防水带。但是公司可以利用计算机芯片完善的大规模市场制造技术来降低成本。」他说,他们计划明年开始出货,售价为2000美元。他们希望为每台设备配备深度学习软件,这些软件已经接受了成千上万的超声波图像的培训,因此它知道不同身体部位的高质量和低质量拍摄之间的区别,只需等待FDA的单独批准。虽然该设备尚未上市,但已经挽救过一条生命。

今年七月,蝴蝶网络的首席医疗官John Martin在丹佛的一家医院做了一套关于该装置的验证性研究。他感冒了,脖子有些僵硬,但他认为这只是淋巴结活跃的迹象。为了测试该装置,他在喉咙上涂了一些凝胶,然后把探针放在上面,检查隐约可见一个3.4厘米厚的阴影,这不是淋巴结,他患有舌下鳞状细胞癌已经长达数月。

他找到了专业医生,经过五个半小时的手术,肿瘤切除了。他现在正在接受放射治疗。他说,如果不是有蝴蝶网络的超声波设备,他可能不会因为疑似淋巴结的小问题去看医生,他希望这项技术能够帮助其他可能犯同样错误的人。

「温度计曾经只在医院里有,血压计和除颤器也是,」Martin丁说。 「我们越早把智能技术带到千家万户,越能帮助人们正确诊断。早发现早治疗是最好的,我自己就是活生生的例子。」

本文编译自WIRED

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