人工智能助力蚊虫识别

在一个进化悖论中，世界上最古老的捕食者之一——蚊子，可能会遇到人类最现代的进步之一——人工智能。

长期以来，蚊子的识别和追踪一直有助于公共卫生工作，以预防和治疗由蚊子传播的疾病，如疟疾、登革热、黄热病或西尼罗河病毒。但多种因素使得识别变得困难。例如，在捕捉过程中，蚊子的翅膀和腿可能会断裂，同一物种内的大小也会有所不同。更具挑战性的是，全球范围内缺乏训练有素的昆虫学家，尤其是在非洲。在许多情况下，从收集蚊子到制定针对特定物种的媒介控制措施之间可能需要数月时间。

通过人工智能驱动的智能手机应用程序、算法、机器学习和图像数据库，约翰·霍普金斯大学的研究人员和校友正在利用人工智能快速识别蚊子，并共享数据以增强拯救生命的公共卫生努力。

约翰·霍普金斯生物工程创新与设计中心的研究催生了两款基于人工智能的蚊子识别工具。VectorCam是一款开源的基于智能手机的应用程序和手持扫描仪，已被证明可以帮助乌干达农村地区的公共卫生工作者。而初创公司Vectech则与全球近80个公共卫生组织合作，提供一种集成了经过大量图像数据库训练的人工智能的数字显微镜。

研究人员表示，卫生工作者可以解放昆虫学家进行更广泛的干预，并在没有昆虫学家的情况下使用人工智能工具协助识别。11月，VectorCam联合创始人Sunny Patel在美国热带医学与卫生学会年会上介绍了这种低成本的人工智能蚊子识别工具，该工具可以使非专家也能够参与扩大疟疾控制。“我们希望让它非常用户友好，”Patel告诉观众。

根据世界卫生组织最新的《世界疟疾报告》，2023年全球估计有2.63亿疟疾病例和59.7万疟疾死亡病例，其中五岁以下儿童是最易感染的群体之一。

随着杀虫剂抗药性的增加和气候变化导致蚊子扩散到以前较冷的地区，更快的蚊子识别和数据收集变得越来越重要。其他挑战包括：非洲某些地区的炎热干旱季节导致严重的雷暴，引发意外的蚊子激增。

Soumyadipta Acharya是CBID的研究生项目主任，也是约翰·霍普金斯大学生物医学工程系助理教授，在这两个工具的研发阶段担任首席研究员。Acharya目前正在与VectorCam研究人员合作，包括共同创立一家非营利组织，计划将业务扩展到乌干达及其他非洲国家。“这可以催化多个层面的变革，”Acharya说。

更快的识别可以加速诸如提供蚊帐或喷洒杀虫剂等干预措施。Acharya和其他研究人员表示，跨区域快速共享数据可以让卫生官员跟踪蚊子行为的变化。例如，传播疟疾的按蚊通常在农村沼泽或溪流附近产卵。但研究显示，一种高度适应性强的入侵物种——斯氏按蚊（Anopheles stephensi）已在非洲不断扩大的城市地区被发现，它们善于在人造材料中繁殖，如漏水管道、空调装置或水泥裂缝。Patel说，问题变成了：“我们如何迅速找到它？我们如何迅速识别它？”

对于基于人工智能的识别，一些基本原理是：研究人员已经构建了算法，通过数万张蚊子图像进行训练，以识别扫描样本。

“一旦拍摄照片，受过训练的神经网络，你可以将其视为虚拟昆虫学家，会立即开始识别。” Soumyadipta Acharya说。

例如，使用VectorCam时，蚊子标本放在一个托盘上，然后滑入手持设备中，该设备连接到智能手机；LED灯照亮放大后的样本。“设备本身从手机获取电力，”Acharya说。移动应用程序包含一个“神经网络”，这是深度学习算法的核心，用于识别蚊子种类。“一旦拍摄照片，受过训练的神经网络，你可以将其视为虚拟昆虫学家，会立即开始识别。” 该设备适用于廉价智能手机，即使在没有互联网接入的地区也能工作。

在一项为期12个月的随机对照试验中，研究人员与当地专家协商，招募了乌干达240户家庭和48名社区卫生工作者。经过简单的培训后，卫生工作者使用该工具识别了超过7万只蚊子。VectorCam在每只蚊子的识别时间和准确性方面与常规昆虫学家方法相当甚至超越，并且在数据完整性和速度方面“远远优于”常规方法，Patel说。

与此同时，Vectech支持各种公共卫生媒介监测计划。“蚊子、蜱虫和其他疑似携带疾病的昆虫样本通过光学设备扫描，该设备捕捉区分不同昆虫种类的独特视觉特征，”Vectech联合创始人兼首席执行官Tristan Ford说。公司的AI算法通过对图像数据库进行神经网络训练，可以自动识别物种和性别，计数样本，并报告超过55种蚊子和30种蜱虫的数字化结果，Ford说，系统识别样本的准确率超过95%，并且正在扩展到黑蝇、沙蝇和咬蠓。

这种方法在美国尤其有用，尽管成功的公共卫生努力已基本消除了疟疾等疾病，但特别是在农村地区，昆虫学家仍然短缺，Ford说，他于2020年与其他CBID毕业生共同创立了Vectech。

如果某种携带西尼罗河病毒的蚊子在某些社区出没，并且样本蚊子检测呈阳性，卫生官员可以迅速部署针对该物种的干预措施，例如在雨水渠中放置杀幼虫剂或发布公众警告使用驱虫剂。“你知道那个社区处于高风险状态，西尼罗河病毒可能正在该社区积极传播，”Ford说，“因此你会迅速响应。”

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