韓國科學技術(shù)研究院（Korea Institute of Science and Technology，KIST）開發(fā)的一種人工觸覺神經(jīng)元裝置，可快速準確地轉(zhuǎn)換物質(zhì)的硬度。結(jié)合人工智能技術(shù)，可以了解腫瘤的硬度水平和分布，為癌癥診斷提供參考。研究結(jié)果在期刊前沿材料（Advanced Materials）的內(nèi)頁封面出版。

使用人工觸覺神經(jīng)元進行快速準確的診斷 | 參考文獻[1]

論文截圖

關(guān)注生物材料的硬化程度和分布情況，有助于推測細胞組織的情況。例如，惡性乳腺腫瘤通常比良性乳腺腫瘤更硬，且形狀更不規(guī)則。超聲彈性成像（Ultrasound elastography）成本低廉，可以無創(chuàng)地確定組織硬化程度和形狀，常被用于診斷乳腺癌。然而，如何解讀超聲彈性成像圖像至關(guān)重要，但解讀報告的準確性往往取決于專家的經(jīng)驗。

KIST院長宣布，該院的自旋收斂研究中心（Spin Convergence Research Center）和神經(jīng)形態(tài)工程中心（Center for Neuromorphic Engineering）合作，開發(fā)了一種精簡又精確的疾病診斷技術(shù)，技術(shù)結(jié)合觸覺神經(jīng)元設(shè)備與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習方法來實現(xiàn)裝置通過按壓確定物體的硬度。

神經(jīng)形態(tài)技術(shù)是一個旨在模仿人腦信息處理方法的研究領(lǐng)域，該方法的特點是能耗低而功能強。神經(jīng)形態(tài)技術(shù)適用于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛的數(shù)據(jù)分析，可實時處理復雜而龐大的信息。感覺神經(jīng)元通過感覺受體接收外部刺激后，能將其轉(zhuǎn)化為電子脈沖信號。隨后，生成的脈沖尖峰模式根據(jù)外部刺激信息而變化，較高的刺激強度會導致產(chǎn)生更高的脈沖頻率。

人工觸覺神經(jīng)元裝置感知硬度診斷疾病示意圖 | 參考文獻[1]

研究小組開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單的人工觸覺神經(jīng)元裝置，它包含壓力傳感器（piezoresistive sensor，PRS）和雙向閾值開關(guān)（ovonic threshold switch，OTS）裝置。向壓力傳感器施加壓力會導致傳感器的電阻降低，連接的雙向開關(guān)元件的電脈沖頻率會發(fā)生變化。這種人工觸覺神經(jīng)元裝置是一種高響應、高靈敏度的裝置，可以讓壓力產(chǎn)生電脈沖頻率，提高靈敏度

人工觸覺神經(jīng)元裝置產(chǎn)生的電脈沖持續(xù)時間小于0.00001秒，這比按壓物體幾秒鐘快100,000倍以上。之前的設(shè)備可以檢測到脈沖頻率變化為20至40 Hz 的低壓（約 20 kPa，類似于輕壓），而這個新設(shè)備可以檢測尖峰頻率變化為1.2 MHz的低壓，能精確地捕捉壓力變化。

為將人工觸覺神經(jīng)元裝置應用到實際的疾病診斷中，研究團隊使用惡性和良性乳腺腫瘤的彈性成像圖像，利用脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習方法來訓練人工智能。在學習過程中，相關(guān)彩色編碼超聲彈性成像圖像的每個像素都被轉(zhuǎn)換為尖峰頻率變化值。結(jié)果表明，這套裝置能以高達95.8%的準確率確定乳腺腫瘤的惡性程度。

KIST研究小組表示“開發(fā)的人工觸覺神經(jīng)元技術(shù)能夠以簡單的結(jié)構(gòu)和方法檢測和學習。通過后續(xù)研究，如果人工觸覺神經(jīng)元可以收集物體的彈性成像圖像，將有可能解決噪聲反射問題，這是超聲彈性成像的一個缺點?！?該團隊希望人工觸覺神經(jīng)元設(shè)備在未來能應用于疾病診斷還可應用于人手無法直接進行操作的手術(shù)中，幫助快速確定手術(shù)部位。

參考文獻

[1] Lee, J., Kim, S., Park, S., Lee, J., Hwang, W., Cho, S. W., ... & Yi, H. (2022). An Artificial Tactile Neuron Enabling Spiking Representation of Stiffness and Disease Diagnosis. Advanced Materials, 2201608.

[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/958262