顧聞博潘頌欣張?jiān)?2

1 香港中文大學(xué)電子工程系聯(lián)合生物醫(yī)學(xué)工程研究中心 (香港)

2 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)與健康工程研究所 (深圳 518055)

健康信息學(xué)：建立高質(zhì)量和低成本的“p-健康”醫(yī)療體系

顧聞博1潘頌欣1張?jiān)?,2

1 香港中文大學(xué)電子工程系聯(lián)合生物醫(yī)學(xué)工程研究中心 (香港)

2 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)與健康工程研究所 (深圳 518055)

由于世界人口老齡化，未來(lái)數(shù)十年各國(guó)將面臨越來(lái)越多的醫(yī)療服務(wù)需求和醫(yī)療成本壓力。為了建立高質(zhì)量和低成本的醫(yī)療保健體系，本文探討了個(gè)體性(Personalized)、普惠性(Pervasive)、參與性(Participatory)、預(yù)防性(Preventive)、預(yù)測(cè)性(Predictive)以及先發(fā)性(Pre-emptive)的“p-健康”醫(yī)療范式?！皃-健康”強(qiáng)調(diào)個(gè)性化醫(yī)療及疾病防治重心的前移，通過(guò)疾病的預(yù)防和早期診斷，提高醫(yī)療及突發(fā)性公共衛(wèi)生事件應(yīng)急措施的質(zhì)量、降低社會(huì)醫(yī)療衛(wèi)生成本。其中，健康信息系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“p-健康”的關(guān)鍵。為建立多模態(tài)、多尺度、多層次的健康信息系統(tǒng)，本文提出了健康信息學(xué)五大研究方向包括獲取(Acquisition)、傳輸(Transmission)、處理(Processing)、存儲(chǔ)(Storage)以及檢索(Retrieval,“p-STAR”)中的一些挑戰(zhàn)和亟需解決的問(wèn)題。

p-健康 健康信息學(xué) 醫(yī)療保健

Abstract:Population ageing and prevalence of chronic diseases, some of the global phenomena that have been observed in many countries,are anticipated to increase the burden of our health care systems in the coming decades. “p-Health”, a future health model that can be described as a 6-P’s paradigm, has been proposed to relief the burden, enhance the quality and lower the cost of health care by individualizing medicine and diagnosing and treating diseases at the early stages. Health informatics entails the key technologies required to realize p-Health. In order to construct multi-modality, multi-scale and multi-level health information systems for p-Health,grand challenges for processing, storing, transmitting, acquiring and retrieving (p-STAR) of health information should be addressed.

Key words:p-Health, health informatics, health care

0 引言

隨著世界人口出生率的下降和人均期望壽命的升高，人口老齡化是未來(lái)數(shù)十年中不可避免的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到2050年，世界60歲以上人口的比例將由2000年的10.0%上升至21.8%，中國(guó)地區(qū)60歲以上人口增加趨勢(shì)更為顯著，所占比例將由10%上升至35%[1]。人類(lèi)壽命的增長(zhǎng)一方面體現(xiàn)了醫(yī)療水平的進(jìn)步，同時(shí)也對(duì)醫(yī)療保健體系提出了更多的挑戰(zhàn)。例如，大部分的老年人都患有一種或多種慢性疾病，且85%的慢性疾病在患者70歲以前就已經(jīng)產(chǎn)生，并帶來(lái)長(zhǎng)期的負(fù)擔(dān)和痛苦[2]。隨著老齡化現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，社會(huì)醫(yī)療體系需要提供更多的、長(zhǎng)期的服務(wù)；醫(yī)療成本的壓力正逐漸凸顯，世界各國(guó)分配于醫(yī)療的支出越來(lái)越高昂。

如何建立高質(zhì)量和低成本的醫(yī)療保健體系，是未來(lái)社會(huì)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，“p-健康”(p-Health)及健康信息學(xué)(Health informatics)的概念被提出來(lái)。

“p-健康”以美國(guó)衛(wèi)生研究院(U.S. National Institute of Health)的未來(lái)醫(yī)療范式為藍(lán)本[3]，把個(gè)性化醫(yī)療和疾病早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療做為核心思想，將個(gè)人、地區(qū)、國(guó)家乃至全球的健康信息以及醫(yī)療衛(wèi)生體系聯(lián)系起來(lái)，使現(xiàn)有以治療為主的醫(yī)療模式向以預(yù)防為主的模式轉(zhuǎn)變[4]。健康信息學(xué)與“p-健康”密不可分。2009年4月10～12日召開(kāi)的香山科學(xué)會(huì)議第346次學(xué)術(shù)討論會(huì)，從心腦血管的應(yīng)用角度，首次系統(tǒng)地探討了健康信息學(xué)的概念、重大挑戰(zhàn)及其基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題[5]。在以上研究的基礎(chǔ)上，本文將進(jìn)一步探討“p-健康”和健康信息學(xué)的內(nèi)涵、重大意義及其所需要解決的問(wèn)題。

1 “P-健康”醫(yī)療范式

現(xiàn)有的醫(yī)療模式以治療已經(jīng)出現(xiàn)明顯癥狀的疾病為主，而對(duì)有病發(fā)先兆、疾病高危人群以及亞健康人群的關(guān)注較少。在疾病診斷方面，多以人群統(tǒng)計(jì)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)值為標(biāo)準(zhǔn)，較少考慮某一特定患者的具體情況。例如，高血壓的國(guó)際公認(rèn)判定標(biāo)準(zhǔn)是血壓大于140/90 mmHg(收縮壓/舒張壓)[6]，但由于個(gè)體差異，每個(gè)人的正常血壓值實(shí)際相差甚遠(yuǎn)，因此高血壓的判斷更應(yīng)考慮血壓變化的幅度。在現(xiàn)有醫(yī)療模式中，日常和健康情況下的生理數(shù)據(jù)往往被忽略、或難以長(zhǎng)期獲取，因此針對(duì)個(gè)體的疾病診斷無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

為了改變這一現(xiàn)狀，“p-健康”的概念被提出?！皃-健康”的醫(yī)療范式可以闡釋為六大元素，即個(gè)體性(Personalized)、普惠性(Pervasive)、參與性(Participatory)、預(yù)防性(Preventive)、預(yù)測(cè)性(Predictive)和先發(fā)性(Preemptive)，由于這六大元素的英文皆以字母P開(kāi)頭，故命名為“p-Health”。如圖1所示，“p-健康”主要圍繞兩個(gè)核心問(wèn)題展開(kāi)：如何制定醫(yī)療決策？制定何種醫(yī)療決策？[7]

圖1 未來(lái)醫(yī)療范式“p-健康”[8]

從患者的角度來(lái)看，個(gè)體性、普惠性、參與性相輔相成，描述未來(lái)醫(yī)療決策制定過(guò)程的機(jī)制。個(gè)體性是“p-健康”最核心的元素，指為特定患者制定醫(yī)療決策的過(guò)程中，需要考慮有關(guān)該個(gè)體的基因遺傳、家族病史、組織和器官的醫(yī)學(xué)影像信息、血液測(cè)試結(jié)果、日常生理參數(shù)和生活行為等多方面?zhèn)€人信息，通過(guò)把這些信息融合到生物和生理建模中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該個(gè)體病情的綜合客觀評(píng)估，從而為其選擇最優(yōu)化、最有效的疾病預(yù)防或治療方案。普惠性指打破現(xiàn)有以醫(yī)院為醫(yī)療服務(wù)中心的局限，形成由個(gè)體、家庭、社區(qū)、醫(yī)院組成的立體式、多層次服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)層次發(fā)揮各自所長(zhǎng)，將醫(yī)療保健普遍推廣至人民的日常生活中。普惠性的醫(yī)療結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)在各種不同情況下均可進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)、診斷和治療，同時(shí)也為個(gè)體性診斷獲取最豐富的、醫(yī)院外的健康信息。參與性是指不同機(jī)構(gòu)、不同地域、乃至不同國(guó)家的個(gè)體和參與者之間，可以共享健康信息并產(chǎn)生互動(dòng)，從而提高疾病診斷的效率和準(zhǔn)確性。

從疾病的角度來(lái)看，“p-健康”所制定的醫(yī)療決策是預(yù)防性的、預(yù)測(cè)性的和先發(fā)性的。預(yù)防性指通過(guò)個(gè)體預(yù)防和人群預(yù)防結(jié)合的方式，控制誘導(dǎo)疾病產(chǎn)生的危險(xiǎn)因素、降低疾病的發(fā)生率。預(yù)測(cè)性指針對(duì)特定疾病應(yīng)建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，利用已獲取的各種健康信息量化疾病患病風(fēng)險(xiǎn)以及病情發(fā)展的預(yù)測(cè)。先發(fā)性指在對(duì)疾病進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)之后，還應(yīng)根據(jù)治療過(guò)程中患者的反應(yīng)以及恢復(fù)情況，采取先發(fā)性的介入治療手段。因此，預(yù)測(cè)性和先發(fā)性是對(duì)預(yù)防性的具體詮釋和補(bǔ)充。

2 “p-健康”的效率與成本

“p-健康”在降低醫(yī)療成本、提高醫(yī)療質(zhì)量方面的作用主要體現(xiàn)于三個(gè)方面[8]。

首先，“p-健康”的目標(biāo)不僅在于挽救生命，更力求延長(zhǎng)人類(lèi)健康生活的年限。許多疾病，例如腫瘤、癌癥、心腦血管粥樣動(dòng)脈硬化斑塊等，往往存在一個(gè)隱性發(fā)展時(shí)期，當(dāng)這類(lèi)疾病出現(xiàn)明顯癥狀時(shí)，可能已經(jīng)造成了無(wú)法恢復(fù)的嚴(yán)重?fù)p傷、甚至直接導(dǎo)致猝死。有研究顯示，相較于早期治療，疾病在晚期的治療效率更低、成本更高、后遺癥更多，患者完全康復(fù)的可能性更小，特別是死亡前數(shù)月，醫(yī)療成本有相當(dāng)顯著地增加[9]。因此“p-健康”要從被動(dòng)診斷疾病向主動(dòng)監(jiān)測(cè)人體健康狀況轉(zhuǎn)變，在疾病尚未造成危害健康的后果或?qū)е峦话l(fā)性事件之前就進(jìn)行先發(fā)性治療，從而使患者有效恢復(fù)健康。

第二，實(shí)現(xiàn)全民健康的低成本離不開(kāi)個(gè)性化醫(yī)療的方式。“低成本健康”不是特指某種醫(yī)療器械或者治療手段的經(jīng)濟(jì)成本低，而是全民醫(yī)療衛(wèi)生各方面成本的整體降低，包括重大疾病患病率和死亡率的降低、人均期望壽命的提高以及國(guó)家醫(yī)療衛(wèi)生總費(fèi)用的降低等等。提早預(yù)防疾病發(fā)生和發(fā)展是實(shí)現(xiàn)低成本健康的首要方法。Geoffrey Rose在其經(jīng)典論文“Sick Individuals and Sick Populations”中提出，疾病預(yù)防策略分為個(gè)體性(或高風(fēng)險(xiǎn)性)預(yù)防和群體性預(yù)防兩種[10]。群體性預(yù)防策略由于可能涉及到一個(gè)數(shù)目相當(dāng)龐大的目標(biāo)人群而導(dǎo)致成本大大升高，所以一直備有爭(zhēng)議。因此，通過(guò)“p-健康”所建立的多層次醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，可以以一個(gè)低成本、最優(yōu)化的手法將需要實(shí)施預(yù)防策略的高風(fēng)險(xiǎn)個(gè)體從整體人群中有效篩選出來(lái)，將被干預(yù)的人群縮減至最小，并綜合每個(gè)個(gè)體或者群體的健康信息，制定出合理解決方案，使減低社會(huì)整體醫(yī)療成本降低。

第三，通過(guò)建立和整合個(gè)人、機(jī)構(gòu)、國(guó)家乃至全球的健康信息系統(tǒng)，可以使得各個(gè)授權(quán)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)共享信息、共同參與和了解診斷與治療方案制定過(guò)程，從而減少非必需或重復(fù)性的醫(yī)療服務(wù)、杜絕濫用醫(yī)療服務(wù)的行為。

3 健康信息學(xué)

人體各類(lèi)健康信息的獲取、理解以及運(yùn)用是“p-健康”范式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。從出生、發(fā)育、日常生活至衰老，從基因、分子、組織、器官至人體系統(tǒng)，多空間維度、多時(shí)間維度的人體信息均具有重要意義和價(jià)值。為了獲得不同的條件和環(huán)境下的健康信息，各種模態(tài)的傳感器和成像裝置需要被研制和開(kāi)發(fā)。而獲得的海量信號(hào)或圖像數(shù)據(jù)要能夠無(wú)障礙地流通、互動(dòng)，通過(guò)分析、綜合、建模，并最終用于解決從個(gè)人、地區(qū)乃至全球的各個(gè)層次上的健康問(wèn)題。因此，健康信息學(xué)(Health Informatics)是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的全新領(lǐng)域，它被定義為：生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)及信息工程等多學(xué)科高度交叉的領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)不同層次上多模態(tài)多尺度信息的獲取、傳輸、處理、存儲(chǔ)、以及檢索，從遺傳信息開(kāi)始，將與個(gè)體健康相關(guān)的信息從分子到系統(tǒng)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄、管理和分析，以深入理解人體內(nèi)在的生物、生理及病理原理，從而對(duì)患病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行早期預(yù)測(cè)，對(duì)不良傾向進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估，并努力做到疾病個(gè)性化早期發(fā)現(xiàn)，早期診斷和早期治療[5][7]。圖2所示為一個(gè)多模態(tài)、多尺度、多層次健康信息系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 多模態(tài)、多尺度、多層次健康信息系統(tǒng)的信息獲取、傳輸、處理、存儲(chǔ)、和檢索(p-STAR)[7]

4 健康信息學(xué)的“p-STAR”

信息獲取(Acquisition)、傳輸(Transmission)、處理(Processing)、存儲(chǔ)(Storage)和檢索(Retrieval)是健康信息學(xué)的五大研究方向，為了便于記憶，各取其英文首字母合稱(chēng)“p-STAR”。另外，“p-STAR”中的p不僅指信息處理，還有“p-健康”六大元素的含義。針對(duì)健康信息系統(tǒng)的發(fā)展和完善，這五個(gè)方向的挑戰(zhàn)有[8]：

A. 獲取

信息的獲取是整個(gè)健康信息系統(tǒng)的起始點(diǎn)和基礎(chǔ)。與其他信息學(xué)不同，健康信息學(xué)的研究對(duì)象是人體。人體信息的獲取，一方面要求檢測(cè)手段盡量少地?fù)p傷人體、微創(chuàng)、甚至無(wú)創(chuàng)；一方面又要求測(cè)量結(jié)果盡量真實(shí)反映人體內(nèi)部各種情況，克服生物通道調(diào)制、運(yùn)動(dòng)偽跡等帶來(lái)的誤差。在基因和分子層次，需要進(jìn)一步提高高通量分子檢測(cè)技術(shù)，以降低DNA排序的成本和更好地理解基因(或復(fù)合物)在生物通道中的調(diào)節(jié)機(jī)制。在組織和器官層次，成像技術(shù)的分辨率需要進(jìn)一步提高，發(fā)展非介入式的多模態(tài)高分辨率成像，實(shí)現(xiàn)腫瘤、動(dòng)脈粥樣硬化斑塊等疾病的早期檢測(cè)。在系統(tǒng)層次，為了動(dòng)態(tài)獲取人體信息、實(shí)時(shí)連續(xù)地檢測(cè)健康狀況的改變，由光、電、生物、化學(xué)等可穿戴式和可植入式設(shè)備所組成的軀體傳感網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，軀感網(wǎng))的發(fā)展也必不可少。

B. 傳輸

從個(gè)人到全球，每一層次健康信息的無(wú)縫安全傳輸都有離不開(kāi)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的普及和發(fā)展。除此之外，人體作為生物通道的信息傳輸機(jī)制也需要更深入的理解。例如，作為軀感網(wǎng)的中心，人體連接了體內(nèi)、體表及體外的各種傳感器，人體的生物信道可以成為軀感網(wǎng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的組成部分，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本、增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸安全性[11]。為了理解生物信息傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜性和效率，需要開(kāi)拓新的生物通信理論。

C. 處理

健康信息系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開(kāi)各種程度的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理。然而，隨著多模態(tài)、多尺度信息的獲取以及全球健康數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的建立，如何處理這些性質(zhì)不同、但又包含了大量未知知識(shí)的海量數(shù)據(jù)，將成為健康信息處理中最大的挑戰(zhàn)。海量健康數(shù)據(jù)處理不僅是普通的數(shù)據(jù)壓縮、分類(lèi)、融合，還包括建立一系列的基因調(diào)制模型、生物結(jié)構(gòu)模型、生物功能模型以及生理模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)健康信息進(jìn)行深入的解釋、實(shí)現(xiàn)以基因和生理模型為基礎(chǔ)的個(gè)性化醫(yī)學(xué)診斷。國(guó)際生理科學(xué)聯(lián)合會(huì)(International Union of Physiological Sciences)已在相關(guān)方向中做了一些先期研究，即“Physiome Project”。該項(xiàng)目對(duì)人體進(jìn)行綜合建模，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式將人體細(xì)胞、組織以及器官的生物化學(xué)、生物物理、解剖結(jié)構(gòu)等多方面信息融合于一體，在時(shí)間和空間的量級(jí)上分別達(dá)到1015和109[12]。然而，目前的研究成果還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足健康信息系統(tǒng)的應(yīng)用需求。更多的健康數(shù)據(jù)融合理論、疾病致病關(guān)鍵因素分析理論、個(gè)性化疾病演化模型及預(yù)警模型等亟待研究。

D. 存儲(chǔ)和檢索

如何提高數(shù)據(jù)的互用性和發(fā)展上下文感知的檢索技術(shù)，是健康信息存儲(chǔ)和檢索的主要挑戰(zhàn)。此外，為了在全球?qū)哟紊险蟻?lái)自各個(gè)獨(dú)立資源的信息，網(wǎng)格計(jì)算、云計(jì)算等高性能計(jì)算也是健康信息共享網(wǎng)絡(luò)必不可少的技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，“p-健康”醫(yī)療范式以個(gè)性化醫(yī)療以及疾病早期診斷和治療為核心思想，解決“如何制定醫(yī)療決策”和“制定何種醫(yī)療決策”兩大關(guān)鍵問(wèn)題，建立高質(zhì)量、低成本的醫(yī)療保健體系，從而提高醫(yī)療及突發(fā)性公共衛(wèi)生事件應(yīng)急措施的質(zhì)量和效率，降低社會(huì)醫(yī)療衛(wèi)生成本。實(shí)現(xiàn)“p-健康”，需要圍繞健康信息獲取、傳輸、處理、存儲(chǔ)以及檢索中的主要挑戰(zhàn)，在健康信息學(xué)領(lǐng)域中持續(xù)拓展和創(chuàng)新。

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Health Informatics for High-Quality and Low-Cost p-Health Care

GU Wen-bo PAN Song-xin ZHANG Yuan-ting

1006-6586(2010)06-0002-04

R197.324

A

2010-06-02

張?jiān)?，教授，中?guó)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)信息與健康工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)部主任，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)學(xué)與健康工程研究所所長(zhǎng)，IEEE生物醫(yī)學(xué)信息技術(shù)學(xué)報(bào)總編輯；E-mail: ytzhang@ee.cuhk.edu.hk