來自《星際迷航》的技術(shù)在為高通三錄儀x大獎賽拍攝的照片中，身著星際艦隊制服的塔蒂安娜?瑞賓斯基手持一款電影中的三錄儀復(fù)制品。瑞賓斯基是入圍決賽的一支研究團隊的帶頭人。
《星際迷航》中的健康掃描儀能否成為現(xiàn)實？
才剛剛吃了兩口沙拉，塔蒂安娜?瑞賓斯基（Tatiana Rypinski）就發(fā)現(xiàn)已經(jīng)到了下次會議的時間了。于是，她只好起身快步趕往生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計工作室，這個集原型制造間、生化設(shè)備實驗室和機械車間于一體的工作室坐落在巴爾的摩市的約翰?霍普金斯大學(xué)霍姆伍德校區(qū)。瑞賓斯基和幾個同事的會議場所就在幾張工作臺附近，工作臺上方高懸著從天花板上垂下的電源插座。一臺工具車靜靜地蹲在房間一角，另外一個角落里則擺放了一臺顯微鏡。兩臺3D打印機隨意地安放在墻邊。學(xué)生們同意在這里與我會面，介紹他們最近的項目工作情況。他們的項目不僅是靈感源于科幻小說，具體的目標理念更是完全取材于《星際迷航》這部電影。他們想要建造一臺醫(yī)療三錄儀。
在1966年的電影《星際迷航》里，三錄儀在實質(zhì)上只是作為一款劇情設(shè)備出現(xiàn)的。就像電影中那架可以把人像光線一樣從飛船發(fā)射到不同星球而無須讓觀眾坐等冗長的登陸鏡頭結(jié)束的運輸機一樣，三錄儀可以快速地作出醫(yī)療診斷并提出治療建議，推動故事不斷向前發(fā)展。借助這批虛構(gòu)設(shè)備，星際艦隊的成員不用去飛船的醫(yī)務(wù)室就能得到全面的醫(yī)療情況分析。
然而在現(xiàn)實世界里，如果我們的病癥并不緊急，那可能需要等待數(shù)天（在有些地方甚至是數(shù)周）才能前往醫(yī)生那里就診。而如果需要檢驗科化驗的話，就要等更長的時間才能獲得診斷結(jié)果。整個就診過程有很多時間都是在等待，而等待絕對是一個生病的人最不想做的事情。發(fā)展中國家的問題甚至更為嚴重，醫(yī)療設(shè)備和人員的缺乏意味著人們可能連看醫(yī)生的機會都沒有。面對這種情況，我們需要的正是一臺三錄儀，一臺真正的三錄儀。
瑞賓斯基目前是高通三錄儀X大獎賽參賽團隊之一——Aezon團隊的負責(zé)人。此次競賽由X大獎基金會和美國芯片制造商高通公司在2012年聯(lián)合發(fā)起，它對世界各地的創(chuàng)新者提出的挑戰(zhàn)是開發(fā)出一款能夠作出綜合性醫(yī)療診斷的便攜式消費者友好設(shè)備。當時共有三百多支隊伍報名參賽，經(jīng)過一系列的審核之后，組織方最終選定了10支決賽團隊，并在去年8月份公布了名單。
該競賽在本月進入了最終較量環(huán)節(jié)。進入決賽的每一支團隊都需要提交30款原型作品，從現(xiàn)在開始，這些設(shè)備原型將在真實的病人身上接受一連串的測試。比賽將在明年年初，也就是《星際迷航》問世50周年之際決出一支冠軍團隊和兩支亞軍團隊，這3支團隊將獲得總額為1000萬美元的獎金。
在所有入圍決賽的團隊中，Aezon是最年輕的一支：所有團隊成員都是約翰?霍普金斯大學(xué)的在校學(xué)生，甚至還有部分成員從未看過《星際迷航》原片。“但我爸爸是這部電影的超級粉絲。”其中一名學(xué)生向我如是說道。作為團隊的帶頭人，瑞賓斯基毫不畏戰(zhàn)。“這是一件我們出于熱愛才做的事情，”她說道，“我想正是這一點讓我們與其他團隊區(qū)別開來。”
在其他入圍決賽的團隊中，有知名度頗高的創(chuàng)業(yè)公司，如位于硅谷的Scanadu公司，也有資金實力雄厚的醫(yī)療企業(yè)，如NASA的合作伙伴——位于馬薩諸塞州劍橋市的DNA醫(yī)學(xué)研究所。10支決賽團隊中，有4支位于美國，另外6支分別來自加拿大、英國、印度、北愛爾蘭、斯洛文尼亞和中國臺灣。
這些競賽團隊的研發(fā)成果無法做到與《星際迷航》中的三錄儀完全一樣，成為全能型的便攜掃描設(shè)備，但也必須具備一些強大的功能。它們必須能夠解讀診斷13種醫(yī)學(xué)病癥，包括貧血、糖尿病、甲型肝炎、白細胞增多癥、肺炎、中風(fēng)、肺結(jié)核以及尿路感染。此外，競賽團隊們還需要從一份包含食源性疾病、黑色素瘤、骨質(zhì)疏松癥、百日咳、帶狀皰疹、單核細胞增多癥、鏈球菌性喉炎和HIV在內(nèi)的疾病清單中選擇3項，作為其研發(fā)成果的可診斷病癥。除此之外，他們研發(fā)的系統(tǒng)還必須能夠監(jiān)測體溫、血壓和血氧飽和度、心率以及呼吸速率等生命體征，不僅要實時監(jiān)測，還需要在若干天內(nèi)連續(xù)監(jiān)測。
這些目標看上去近乎是不可能完成的任務(wù)，但X大獎賽卻認為，憑借一系列相對前沿的技術(shù)進展，這些目標都可以實現(xiàn)。這些技術(shù)進展包括適用于醫(yī)療數(shù)據(jù)的深度機器學(xué)習(xí)方法、性價比高的微流體技術(shù)和其他芯片實驗室系統(tǒng)以及速度越來越快但成本越來越低的實驗室化驗分析，例如用于DNA分析的快速聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）檢測。而且同樣重要的是，個人基因信息服務(wù)和健康追蹤設(shè)備正在日益普及，這證明人們有意愿去了解更多有關(guān)自己身體和健康狀況的信息。
高通三錄儀X大獎賽的高級總監(jiān)格蘭特?坎帕尼（Grant Campany）表示，目前，可實現(xiàn)上述目標的技術(shù)已經(jīng)以某種形式存在了，因此比賽在很大程度上是挑戰(zhàn)如何將這些技術(shù)集成到一個引人注目的系統(tǒng)中。三錄儀存在的目的并不是替代醫(yī)生的診室：它根本無法治療任何一種它所識別的病癥。但是，三錄儀卻能夠快速、詳細地告訴我們自己的身體究竟出了什么狀況——這比許多人現(xiàn)在經(jīng)常在谷歌搜索欄里敲入自己的癥狀然后又在一堆可疑的醫(yī)療網(wǎng)站中尋找自己的癥結(jié)所在要靠譜多了。
坎帕尼表示，競賽選擇的是一些通常不能及早發(fā)現(xiàn)從而會導(dǎo)致較高住院治療率和死亡率的疾病：“此次競賽的目標就是試著盡早發(fā)現(xiàn)癥狀，以確保人們不會在等待中病得更加嚴重。”
時間已經(jīng)是2月末，Aezon團隊已經(jīng)進入了項目關(guān)鍵期。瑞賓斯基告訴我，他們的團隊已經(jīng)研發(fā)出一些工作組件，現(xiàn)在需要做的就是在3個月之內(nèi)將它們整合成為一套可以提交組織方的完整系統(tǒng)。談到自己團隊研發(fā)的三錄儀，瑞賓斯基愿意與我分享的信息非常有限；與大多數(shù)其他X大獎賽參賽者一樣，Aezon團隊一直在為自己的技術(shù)嚴格保密。
即便如此，仍可以保證的是，不同團隊研發(fā)的系統(tǒng)的工作原理很可能是基本一致的。具體如何運作呢？假如我們現(xiàn)在感到不舒服了。大部分三錄儀可能會有一個在手機或平板電腦上運行的應(yīng)用程序作為其主用戶界面。該應(yīng)用程序類似于“智能醫(yī)生”，會首先問你一系列問題：是否頭疼？是否感到暈眩？是否嘔吐過？此外，該程序可能還會詢問你的年齡、體重、身高和醫(yī)療史。
接下來，三錄儀會收集你的生命體征，這些指標是由你身上佩戴的傳感設(shè)備——可能是一款健康追蹤型手環(huán)，也可能是一款電子項鏈——測量得出。（競賽要求該監(jiān)測儀必須能夠連續(xù)收集72小時的數(shù)據(jù)，即使在入睡后也不能間斷。）根據(jù)你的回答和生命體征，應(yīng)用程序可能還會要求你接受一些額外的化驗。這些化驗需要使用另外一款類似于“實驗盒”裝置的硬件完成，該硬件能夠利用唾液、尿液或血液樣本完成某些診斷性化驗。
最終，在接收到化驗結(jié)果并綜合了所有其他數(shù)據(jù)之后，應(yīng)用程序會給出相應(yīng)的診斷結(jié)果并引導(dǎo)你獲取更多信息，例如可靠的醫(yī)療資源或相應(yīng)疾病患者的援助團體的相關(guān)信息。此外，該應(yīng)用程序中可能還會包括一個“撥打醫(yī)生電話”的按鈕，甚至還有可能直接為你撥打急救電話。
部分團隊正在研發(fā)的設(shè)備很有可能讓人誤認為是電影《星際迷航》的道具。Scanadu公司就曾在參與X大獎賽之前成功地完成一輪資金眾籌，開發(fā)出了Scout檢測儀。這款放置在額頭上使用的外型纖巧雅致的白色圓盤監(jiān)測儀配備了多個傳感器，可以測量心率、體表和核心體溫、呼吸速率、血壓和血氧濃度以及心電圖數(shù)據(jù)。在此次X大獎的角逐中，Scanadu公司是將繼續(xù)使用這款設(shè)備還是將其與一款能夠在更長的時間內(nèi)收集數(shù)據(jù)的可穿戴配件結(jié)合在一起以實現(xiàn)升級強化，我們現(xiàn)在還不得而知。
來自加拿大的Cloud DX團隊曾設(shè)計出一款外型未來感十足、可以測量各項生命體征的塑料項圈。這款U形設(shè)備環(huán)繞著佩戴者的脖頸，貼合在前胸的兩個末端布滿了電極，可以記錄下佩戴者的心電活動。此外，他們設(shè)計的三錄儀還帶有一個唇膏大小的掃描棒，用于檢查皮膚和耳朵的情況。這款三錄儀的創(chuàng)造者表示，這部分設(shè)計就連進取號的首席醫(yī)療官麥考伊博士也會“為之驕傲”。
坐在生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計工作室里的瑞賓斯基和她的同事們看上去精疲力盡，看起來現(xiàn)在支撐他們的唯有那份堅韌不拔的熱情。瑞賓斯基告訴我，當她在2012年了解到三錄儀競賽的信息后，她向約翰?霍普金斯大學(xué)（這所大學(xué)以其頗具優(yōu)勢的生物醫(yī)學(xué)工程項目而聞名）的不同院系發(fā)出了電子郵件，尋找有興趣組成研究團隊的人。最初的幾次會議有很多人來參加。真正艱難的是找到那些愿意再次回來的人。瑞賓斯基說：“隨著時間推移，只有那些對項目真正感興趣的人留了下來，現(xiàn)在，我們都坐在這里。”
為了此次競賽，Aezon團隊采取了“分治”策略。大概三十多人的團隊分成了若干個小組，分頭研究不同的疾病和決定成功診斷每種疾病所需要的數(shù)據(jù)。
瑞賓斯基的兩位同事——機械工程系學(xué)生阿歷克斯?卡恩斯（Alex Kearns）和計算機科學(xué)系學(xué)生阿克沙伊?斯里瓦特杉（Akshay Srivatsan）告訴我，他們已經(jīng)設(shè)計出一款在智能手機上使用的應(yīng)用程序，可以按照“醫(yī)生思考問題的方式”工作。該應(yīng)用程序主要依賴一種被稱為“樸素貝葉斯分類器”的機器學(xué)習(xí)技術(shù)來實現(xiàn)上述目標，而這種技術(shù)已被研發(fā)此類醫(yī)療診斷應(yīng)用程序的研究人員們廣泛使用。其理念是，每當系統(tǒng)接收到一條新的信息，無論是表現(xiàn)癥狀、生命體征還是實驗室化驗結(jié)果，它就會對某項既定診斷的可能概率作出相應(yīng)調(diào)整。
為了獲取病人的生命體征，部分Aezon團隊的成員研發(fā)出了一款戴在脖子上的監(jiān)測設(shè)備。設(shè)備制造者決定成立一家名為Aegle的獨立公司，在比賽結(jié)束之后專門為這款產(chǎn)品募集資金，面向市場發(fā)售。
為了完成部分化驗檢測工作，Aezon團隊還與約翰?霍普金斯大學(xué)的生物微機電系統(tǒng)和單分子動力學(xué)實驗室建立了合作關(guān)系。Aezon團隊希望將實驗室近期開發(fā)的部分微納米級分子分析方法用于快速且低成本的血液樣本診斷性化驗。
然而，對于其他化驗和測試，Aezon團隊卻采用了相對簡單的技術(shù)。主修生物物理學(xué)的賽勒斯?周（Cyrus Zhou）和機械工程系學(xué)生奈德?薩姆森（Ned Samson）正在研究白血球增多癥的化驗方法，患有這種疾病的人白血球數(shù)量會大量增加。“剛開始，我們打算制造一款微流控裝置，”薩姆森說道，“但聽我們這樣說的人卻表示，這是博士生才能做到的事情。”
這兩名學(xué)生先是找到了一款可令血液細胞分散開來的商用芯片，使細胞更容易觀察。現(xiàn)在，他們正嘗試將該芯片與一組可作為簡易價廉的光學(xué)顯微鏡使用的透鏡整合在一起。他們的最終計劃是使用智能手機上的攝像頭和Aezon團隊自己研發(fā)的應(yīng)用程序，以計算機視覺計算白血球的數(shù)量。薩姆森表示：“這款裝置擁有所有的優(yōu)點：外型小巧，性價比高，而且具有可實現(xiàn)性。”
在今年6月到12月間，X大獎基金會將在加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)中心評估所有參賽團隊的原型產(chǎn)品。評估過程中將招募近500人——每臺設(shè)備的每個病癥診斷功能都有3名消費者對其進行測試——針對每臺三錄儀的每個病癥得出一項代表性測試結(jié)果。
獲勝團隊必須擁有最高的健康評估得分（根據(jù)三錄儀正確診斷用戶所患病癥的能力評判），同時還必須是“消費者體驗”得分（根據(jù)三錄儀的外觀美感度、應(yīng)用性和功能性評判）最高的5支團隊之一。
“這些設(shè)備必須要達到的一個標準便是，一個多多少少掌握智能手機應(yīng)用的普通人能夠了解如何操作。”此次三錄儀X大獎賽的總監(jiān)坎帕尼表示，“用戶體驗方面的得分要占綜合得分的45%，因為我們認為用戶體驗的重要程度的確有這么高。”
此次評估并非一次臨床實驗，而真正將三錄儀投入臨床實驗的難度遠大于此。即使部分三錄儀能夠發(fā)揮不錯的功效，在其實現(xiàn)商用之前也還有一長串的問題需要作出解答。它們是否安全？能否確保用戶醫(yī)療信息的私密性？一旦出現(xiàn)誤診，誰來負責(zé)？
在結(jié)束了約翰?霍普金斯大學(xué)之行的一個月后，我再次聯(lián)系了瑞賓斯基，以了解他們的項目進展情況。Aezon團隊已經(jīng)最終敲定了他們的三錄儀設(shè)計方案，現(xiàn)在正在測試三錄儀的各個組件，以確保它們在整合在一起之后能夠發(fā)揮良好的功效，提供連貫一致的用戶體驗。瑞賓斯基并不知道當他們研發(fā)的原型被送往X大獎評估時自己會作何感想——除了等待消費者測試的結(jié)果之外，她的團隊（或是任何其他團隊）已經(jīng)沒有什么可以再做的了。可就目前而言，瑞賓斯基忙得幾乎連吃午飯的時間都沒有了。
“我們的項目時間真的非常緊迫，”瑞賓斯基說道，“等項目完成之后，我們就有的是時間了。”■
作者：Evan Ackerman