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《自然》子刊：神奇马桶自动检测每一坨便便，可通过排泄物分析进行个性化健康监测

2020-04-29 16:32

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创奇点糕奇点网

今天介绍的这篇论文口味有点奇特，建议大家先放下手里的薯片和可乐（当然这些东西本来也不大健康），最好把水杯也放远一点。

我们单刀直入，今天的主角，是一款神奇的马桶，科技的马桶，拥有指纹识别和录像功能、可以随时进行健康监测的智能马桶。

这个神奇的马桶来自斯坦福大学的Shan X. Wang教授和Sanjiv S. Gambhir教授团队。这款智能马桶，可以自主分析用户的尿液和粪便，不仅能够长期不间断地收集最真实的用户数据，还可以为特定患者群体的筛查和诊断做出贡献，堪称卫生间里的“家庭医生”。研究发表在《自然·生物医学工程》上[1]。

那么，研究人员开发这样一个马桶的初衷是什么呢？马桶又是如何检测用户的健康状况的呢？

接下来奇点糕就带大家来研究一下这个神奇的马桶。

在精准医疗时代，临床医生需要考虑到每个人基因、生活环境和生活方式等的个体差异。在这种情况下，对患者的纵向检测和疾病预防和早期发现也变得更加重要。穿戴式检测器的发明和使用在一定程度上将检测变得简单化，但是依然有一些无法触及的领域。

常规的医学检测包括排泄物分析，即尿液分析、尿量检测和粪便分析等，这些在疾病诊断中起到了很大的作用。但是，要求大家经常进行这类的检测无疑是十分困难的。为了能够可靠地、持续地检测排泄物，智能马桶的概念被提出了。

Shan X. Wang教授和Sanjiv S. Gambhir教授开发的智能马桶分为三个离散的模块，分别是尿液分析模块、尿量分析模块和粪便分析模块，可以安装到现有的马桶上去。

尿液分析模块

尿液分析对于糖尿病、代谢异常、肝脏疾病、前列腺癌、肾癌、膀胱癌、胆道和肝脏阻塞以及肾脏和尿道疾病[2,3]十分重要。在智能马桶的尿液分析模块中，尿液分析是通过试纸实现的。试纸提供了红细胞、尿胆素原、胆红素、蛋白质、亚硝酸盐、酮、葡萄糖、pH值、尿比重和白细胞等十种生物标记物的定性和半定量分析。

红外运动监测器检测到排尿之后，马桶会自动伸出试纸，等试纸采样完毕，装置会自动回缩到原来的位置。结果分析当然需要一台摄像机，研究人员还十分贴心地加了白色发光二极管，以便更加准确地识别画面。分析结果最后会上传到云端储存。

尿量测定是评估尿路功能的重要诊断测试。但是，记录自己每天上厕所的次数以及每次的尿量未免也太难为人了。智能马桶的可以轻松解决这个问题。

尿量测定示意图

在尿量分析模块中，两个高速相机在马桶里被固定，分别靠近和远离用户，它们录制的视频被分割成单独的帧，从中提取尿量信息并进行深度和流速的校正。总之，被智能马桶捕捉到的尿流最终变成了计算机中尿量和流速的数值。

粪便检测的重要性似乎不用奇点糕多加赘述，消化不良、胰腺炎、感肠道染、癌症等疾病都可以从粪便中得到信号[4]。布里斯托尔粪便量表（BSFS，BS1-BS7）将粪便形态进行了分类，作为诊断各种肠道疾病或评价治疗效果的评估工具。

客观的粪便信息有助于患者和医生之间进行准确的交流，但是，谁都不能要求患者能够准确说出自己的粪便处在哪个等级，更何况，也没有几个人愿意天天和别人分享自己生产了什么样子的便便。

布里斯托尔粪便量表（图源：wiki）

在粪便分析模块中，两位结直肠病学的医生根据布里斯托尔量表对所有的粪便图像进行了注释，这样，计算机就可以通过视频信息对粪便状态进行分类，并由此判断主人的健康状况。研究人员还招募了6名医学生，让这些学生和系统分析同样的粪便图片，结果证明，系统比未经训练的医学生表现得还好。

除了识别粪便状态，研究人员还在马桶圈下面安装了一个压力传感器，不仅用来记录用户的排便时间，还能保证每次排便过程中的都有足够的打光——给便便拍照的话，没有光源当然是不行的。

因为马桶的使用通常是家庭式的，所以，做好用户识别也是十分重要的。研究人员设计了两种生物识别方法来确保私人信息不会被记录在另一个人的档案里。如果说冲水按钮上的指纹扫描仪是比较常规的用户识别方式的话，那安装在马桶内部、识别肛门形态的识别方式，就只能，赞美研究人员对准确性的追求了。

图源：pixabay.com

开发智能马桶的目的在于创建一种融入日常生活的、只需要很少甚至不需要人工干预的、被动的人体健康监测系统。按照目前的研究进展来看，智能马桶无疑是成功的。但是，一些需要大型精密仪器的排泄物分析，比如微生物分析，因为占地面积太大且造价昂贵，还没有加入到智能马桶的模块中来。

同时，用户的数据安全和隐私保护也是值得关注的问题。虽说科学创新的过程中一定会发生和传统思想的碰撞，但是排泄这样的话题怎么看都是太过隐私了。即使研究人员一再强调云端数据的高度安全性和保密性，也有人表示“美国人现在可以很舒适地谈论起自己的排泄物”[6]，但奇点糕还是觉得，这样的话题尺度好大哦~

还有一个需要提到的问题，就是本研究中的尿液分析模块和尿量分析模块仅仅针对男性参与者进行了测试。至于原因，大家都懂的。。。

参考文献：

[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