«Бабушке было больно прокалывать пальцы». 16-летняя внучка изобрела глюкометр на базе нейросети
Проводила время в компании книг и кота
Селестин родилась в 2003 году в Джакарте, столице Индонезии. Ее родители — топ-менеджеры в сегменте тяжелой промышленности, их дочь с детства могла позволить себе все что угодно. Но самым дорогим и модным игрушкам она предпочитала книги.
Читать ее научила бабушка, с которой они проводили много времени вместе. Бабушка часто уставала на середине захватывающей истории, а девочка расстраивалась, ведь она хотела знать, что будет дальше. Так они и договорились, что Селестин научится читать. Это оказалось увлекательным делом, при том, что книгу можно было взять с собой куда угодно.
Селестин с раннего детства предпочитала уединение и хобби, которыми легко заниматься в одиночестве: астрономию, катание на коньках, писательство. Она сочиняла короткие рассказы «в стол», мечтая однажды опубликовать их.
Когда пришло время идти в школу, ее отдали в самое престижное учебное заведение района — частную British School Jakarta. Там к обучению и досугу детей подходили с размахом: в школе детей ждали современные и хорошо укомплектованные лаборатория, библиотека, зеленый и живой уголок.
— Я отчаянно старалась влиться в коллектив, потому что боялась остаться не у дел со своими нетипичными увлечениями — книгами, звездами, — вспоминала Селестин позже.
С преподавателями у девочки складывались отношения лучше, чем со сверстниками. После окончания средней школы она смирилась с тем, что душой компании ей не стать. Когда все ходили куда-то после школы, ей было интереснее почитать или пройтись в обществе своего кота. Поэтому она с чистой совестью погрузилась во все факультативы и прочие дополнительные источники знаний, которые предлагала школа.
Изобрела революционный медицинский гаджет
Когда Селестин оставалась пара лет до окончания школы, она все еще не знала, чем планирует заниматься дальше. Она училась лучше всех по всем предметам, поэтому определиться было сложно. Но ей в этом вопросе помогли печальные обстоятельства.
У ее бабушки обнаружили диабет. Навещая ее, Селестин поняла, что бабушке постоянно приходится прокалывать палец для измерения уровня сахара, что причиняет дискомфорт, а расходники хорошего качества стоят недешево — 530 000 индонезийских рупий в месяц (около 3200 рублей).
Селестин узнала, что диабет — «тихий убийца», уносящий жизни более 236 000 человек в ее стране ежегодно. Больше индонезийцев умирает только от ишемической болезни сердца и инсультов. Индонезия занимает пятое место в мире по числу больных диабетом, уступая Китаю, Индии, США и Пакистану. Согласно актуальной статистике Международной диабетической федерации (IDF), диабетом там болеют более 20,4 миллиона человек в возрасте от 20 до 79 лет. Причина летальных исходов — поздняя диагностика и плохой контроль состояния больных.
Так подростку пришла в голову идея разработать цифровой неинвазивный глюкометр. В школе она как раз недавно проходила интерферометрию — измерение, основанное на изменении волн при наложении друг на друга. Вместо прокола пальца в ее прибор был включен тепловой импульс.
Одной из главных задач было собрать устройство из максимально дешевых компонентов, чтобы его могли себе позволить люди, которые живут бедно.
Глюкометр определял концентрацию сахара в крови по косвенным физическим свойствам тканей пальца. Уровень глюкозы напрямую влияет на физико-химические свойства межклеточной жидкости и крови, меняя их вязкость, плотность и теплопроводность. Прибор Селестин в его первой версии подавал на кожу человека кратковременный, контролируемый, безболезненный тепловой импульс с помощью миниатюрного нагревательного элемента. Затем терморезисторы фиксировали, с какой скоростью кожа поглощает и рассеивает это тепло. Чем выше концентрация сахара, тем сильнее меняются тепловые характеристики тканей, что и считывают датчики.
Первые тесты прибора оказались неудачными: Селестин не хватило знания анатомии, которую не преподавали в школе углубленно. Собранный на консоли Arduino прототип выдавал хаотические показания, потому что не мог принять в расчет температуру помещения, где проходили замеры, и индивидуальные особенности кожи разных испытуемых, среди которых были бабушка Венарди и несколько людей, с которыми она познакомилась в больнице. Заявка на ярмарку Google к тому моменту была уже подана, но ее отклонили на ранних стадиях из-за неточности прибора.
Но старшеклассница не сдалась. Она решила исправить прибор и отправить заявку повторно. Первое изменение, которое она внесла — написала и использовала многослойную нейросеть прямого распространения (Feedforward Neural Network, FNN), обученную методом обратного распространения ошибки (Backpropagation). Нейросеть анализировала данные с датчиков, принимая в учет и все те факторы, которые в прошлый раз мешали точности.
Ее проект не задействовал сторонние готовые ИИ-платформы, так как прибор должен был работать автономно на базе микроконтроллера. Девушка самостоятельно запрограммировала математическую модель для обработки входящих сигналов. Все это происходило в 2018–2019 годах, еще до повсеместного распространения нейросетей.
В процессе обучения нейросети Селестин пришла в голову идея о том, что нужно больше разнообразных данных для более точного результата. Так к тепловому импульсу в кожу добавился световой. Оптические датчики (светодиоды и фотодиоды) просвечивали кожу пальца. А датчики глюкометра фиксировали микроскопические изменения в интерференционной картине (смещении световых волн) после прохождения через биологические ткани. Так Селестин удалось достичь 79% точности по сравнению с сертифицированным клиническим оборудованием.
Вторая версия прототипа прошла испытания успешно. Селестин снова привлекла знакомых пациентов больниц, родственников одноклассников, которые согласились принять участие в тестах, а также случайных жителей Джакарты, которые откликнулись на призыв в соцсетях.
— Не бойтесь быть молодыми и совершать ошибки, пока у вас еще есть такая возможность. На этом этапе жизни вы все еще можете экспериментировать. Вам не нужно притворяться профессионалом, — говорила Селестин уже на финальном шоу ярмарки Google.
Инновационный глюкометр Селестин Венарди в июне 2019 года завоевал специальный приз Virgin Galactic Pioneer Award от аэрокосмической компании Virgin Galactic. Ее призом стали 15 000 долларов, которые она вложила в обучение в Стэнфорде, а также тур по главным базам Virgin Galactic. В рамках поездки она посетила производство, где собирают инновационные суборбитальные космические корабли, и лично пообщалась с ведущими инженерами и астронавтами аэрокосмической отрасли. После этого юная программистка не захотела в космонавты, но задумалась о перспективах медицины для космических нужд.
Закончила Стэнфорд и отправилась в Йель
В Стэнфорде Селестин выбрала два направления: нейробиологию и литературное искусство. Она не забыла свою детскую мечту о писательстве и решила, что самое время приступить к ее воплощению.
В сентябре 2019 года Селестин Венарди получила официальную благодарность от Министерства здравоохранения Индонезии за вклад в решение проблемы диабета в стране. Ей вручили премию Apresiasi Prestasi Pancasila; до нее всего 16 граждан Индонезии были удостоены этой федеральной награды за выдающиеся достижения в научных исследованиях.
Правительство официально выразило заинтересованность в развитии ее технологии, но никаких шагов по реализации проекта на государственном уровне за этим не последовало. Несмотря на то, что себестоимость прототипа была меньше 20 долларов, массовое производство требовало немало побочных затрат, тестов, сертификаций и проверок.
Девушка положила этот проект «под сукно» на время учебы. По ее словам, она не рассталась с идеей о том, что глюкометр можно будет запустить в массовое производство. Но сейчас ее мысли обращены в сторону фундаментальной науки и наращивания багажа знаний.
— Когда на кону стоят человеческие жизни, у тебя нет права на спешку ради славы или денег. Ты обязан довести точность технологии до максимума, — отвечала она прессе на вопросы о запуске производства глюкометров.
В мае 2020 года Венарди вошла в пул из 22 молодых ученых планеты, выбранных почетными исследователями National Geographic, и получила крупный исследовательский грант, потраченный ей на медицинские исследования диабета и его осложнений.
Январь 2023 года принес девушке выигрыш в конкурсе Levinthal Tutorial от Департамента креативного письма в Стэнфорде: она получила право на индивидуальное менторство от ведущих писателей университета. В этот момент, по ее собственным воспоминаниям, она доказала самой себе, что не зря грезила писательством всю жизнь.
В июне 2023 года Селестин стала стипендиатом программы Bio-X Undergraduate Fellow, которая присуждается лучшим студентам-исследователям за междисциплинарные проекты на стыке инженерии, биологии и медицины. Полученные за время студенчества гранты позволили ей продолжать учиться за свой счет, не пользуясь финансами семьи.
В марте 2024 года сбылась мечта Селестин о публикациях; до этого она печаталась только в вузовском издании Stanford Daily. Это была не художественная проза: всемирно известный журнал Science опубликовал ее научную статью «Ретроградная эндоканнабиноидная сигнализация в тормозных синапсах in vivo», посвященную развитию мозга в процессе перемещений на местности и последующего формирования памяти.
А всего через три месяца, во время ее выпуска в июне 2024-го, она получила награду Honors in the Arts — особое признание от Института искусств Стэнфорда за успешное пересечение науки и творческих дисциплин в ее выпускных работах.
После выпуска из Стэнфорда Селестин заняла должность исследователя в топовом Онкологическом центре имени Слоуна — Кеттеринга в Нью-Йорке, где и работает по сей день. Параллельно она готовится получить степень MD-PhD (врач-ученый) в Йельской медицинской школе.
Источники: biox, celestinew, yingyushijie, nature, ncbi, ted, mskcc, voanews, planetechusa, stanforddaily, sgec.stanford.edu