《自然》子刊:神奇馬桶自動檢測每一坨便便!斯坦福學者開發可安裝馬桶系統,可通過排泄物分析進行個性化健康監測丨科學大發現

奇點網 發佈 2020-04-29T06:49:23+00:00

參考文獻:[1]Park S, Won D D, Lee B J, et al. A mountable toilet system for personalized health monitoring via the analysis of excreta[J]. Nature

今天介紹的這篇論文口味有點奇特,建議大家先放下手裡的薯片和可樂(當然這些東西本來也不大健康),最好把水杯也放遠一點。

我們單刀直入,今天的主角,是一款神奇的馬桶,科技的馬桶,擁有指紋識別和錄像功能、可以隨時進行健康監測的智能馬桶。

這個神奇的馬桶來自史丹福大學的Shan X. Wang教授和Sanjiv S. Gambhir教授團隊。這款智能馬桶,可以自主分析用戶的尿液和糞便,不僅能夠長期不間斷地收集最真實的用戶數據,還可以為特定患者群體的篩查和診斷做出貢獻,堪稱衛生間裡的「家庭醫生」。研究發表在《自然·生物醫學工程》上[1]。

那麼,研究人員開發這樣一個馬桶的初衷是什麼呢?馬桶又是如何檢測用戶的健康狀況的呢?

接下來奇點糕就帶大家來研究一下這個神奇的馬桶。

在精準醫療時代,臨床醫生需要考慮到每個人基因、生活環境和生活方式等的個體差異。在這種情況下,對患者的縱向檢測和疾病預防和早期發現也變得更加重要。穿戴式檢測器的發明和使用在一定程度上將檢測變得簡單化,但是依然有一些無法觸及的領域。

常規的醫學檢測包括排泄物分析,即尿液分析、尿量檢測和糞便分析等,這些在疾病診斷中起到了很大的作用。但是,要求大家經常進行這類的檢測無疑是十分困難的。為了能夠可靠地、持續地檢測排泄物,智能馬桶的概念被提出了。

Shan X. Wang教授和Sanjiv S. Gambhir教授開發的智能馬桶分為三個離散的模塊,分別是尿液分析模塊、尿量分析模塊和糞便分析模塊,可以安裝到現有的馬桶上去。

尿液分析模塊

尿液分析對於糖尿病、代謝異常、肝臟疾病、攝護腺癌、腎癌、膀胱癌、膽道和肝臟阻塞以及腎臟和尿道疾病[2,3]十分重要。在智能馬桶的尿液分析模塊中,尿液分析是通過試紙實現的。試紙提供了紅細胞、尿膽素原、膽紅素、蛋白質、亞硝酸鹽、酮、葡萄糖、pH值、尿比重和白細胞等十種生物標記物的定性和半定量分析。

紅外運動監測器檢測到排尿之後,馬桶會自動伸出試紙,等試紙採樣完畢,裝置會自動回縮到原來的位置。結果分析當然需要一台攝像機,研究人員還十分貼心地加了白色發光二極體,以便更加準確地識別畫面。分析結果最後會上傳到雲端儲存。

尿量測定是評估尿路功能的重要診斷測試。但是,記錄自己每天上廁所的次數以及每次的尿量未免也太難為人了。智能馬桶的可以輕鬆解決這個問題。

尿量測定示意圖

在尿量分析模塊中,兩個高速相機在馬桶里被固定,分別靠近和遠離用戶,它們錄製的視頻被分割成單獨的幀,從中提取尿量信息並進行深度和流速的校正。總之,被智能馬桶捕捉到的尿流最終變成了計算機中尿量和流速的數值。

糞便檢測的重要性似乎不用奇點糕多加贅述,消化不良、胰腺炎、感腸道染、癌症等疾病都可以從糞便中得到信號[4]。布里斯托糞便量表(BSFS,BS1-BS7)將糞便形態進行了分類,作為診斷各種腸道疾病或評價治療效果的評估工具。

客觀的糞便信息有助於患者和醫生之間進行準確的交流,但是,誰都不能要求患者能夠準確說出自己的糞便處在哪個等級,更何況,也沒有幾個人願意天天和別人分享自己生產了什麼樣子的便便。

布里斯托糞便量表(圖源:wiki)

在糞便分析模塊中,兩位結直腸病學的醫生根據布里斯托量表對所有的糞便圖像進行了注釋,這樣,計算機就可以通過視頻信息對糞便狀態進行分類,並由此判斷主人的健康狀況。研究人員還招募了6名醫學生,讓這些學生和系統分析同樣的糞便圖片,結果證明,系統比未經訓練的醫學生表現得還好。

除了識別糞便狀態,研究人員還在馬桶圈下面安裝了一個壓力傳感器,不僅用來記錄用戶的排便時間,還能保證每次排便過程中的都有足夠的打光——給便便拍照的話,沒有光源當然是不行的。

因為馬桶的使用通常是家庭式的,所以,做好用戶識別也是十分重要的。研究人員設計了兩種生物識別方法來確保私人信息不會被記錄在另一個人的檔案里。如果說沖水按鈕上的指紋掃描儀是比較常規的用戶識別方式的話,那安裝在馬桶內部、識別肛門形態的識別方式,就只能,讚美研究人員對準確性的追求了。

圖源:pixabay.com

開發智能馬桶的目的在於創建一種融入日常生活的、只需要很少甚至不需要人工干預的、被動的人體健康監測系統。按照目前的研究進展來看,智能馬桶無疑是成功的。但是,一些需要大型精密儀器的排泄物分析,比如微生物分析,因為占地面積太大且造價昂貴,還沒有加入到智能馬桶的模塊中來。

同時,用戶的數據安全和隱私保護也是值得關注的問題。雖說科學創新的過程中一定會發生和傳統思想的碰撞,但是排泄這樣的話題怎麼看都是太過隱私了。即使研究人員一再強調雲端數據的高度安全性和保密性,也有人表示「美國人現在可以很舒適地談論起自己的排泄物」[6],但奇點糕還是覺得,這樣的話題尺度好大哦~

還有一個需要提到的問題,就是本研究中的尿液分析模塊和尿量分析模塊僅僅針對男性參與者進行了測試。至於原因,大家都懂的。。。

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參考文獻:

[1] Park S, Won D D, Lee B J, et al. A mountable toilet system for personalized health monitoring via the analysis of excreta[J]. Nature Biomedical Engineering, 2020: 1-12. DOI:10.1038/s41551-020-0534-9

[2] Graff L. A Handbook Of Routine Urinalysis[J]. 1983.

[3] Simerville, Jeff A, Maxted, William C, Pahira, John J. Urinalysis: A Comprehensive Review[J]. American Family Physician, 2005, 71(6):1153. DOI:10.1002/jcc.20748

[4] Park, Hwon-Ham, Kim, Hyun-Young, Jung, Sung-Eun,等. Long-term functional outcomes of PPPD in children — Nutritional status, pancreatic function, GI function and QOL[J]. Journal of Pediatric Surgery, 51(3):398-402. DOI:10.1016/j.jpedsurg.2015.08.010

[5] https://www.nbcnews.com/mach/science/here-s-how-smart-toilets-future-could-protect-your-health-ncna961656#anchor-Meetingthechallenges

本文作者 | 王雪寧

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