趙小文

醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的架構(gòu)具有很強的擴(kuò)展性，在獲取人體的基本數(shù)據(jù)以后，不僅可以構(gòu)建人體的解剖結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)，而且可以從分子層面去構(gòu)建微觀模型。例如，基于一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可以從DNA序列推演到mRNA結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)建這段DNA序列表達(dá)的蛋白結(jié)構(gòu)。近年來包括醫(yī)學(xué)在內(nèi)的多種學(xué)科不斷交叉融合，學(xué)術(shù)界的交流以及創(chuàng)業(yè)公司都在努力推動多種技術(shù)的融合。在醫(yī)學(xué)上不僅僅牽涉到臨床醫(yī)學(xué)，同時涉及生物學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、化學(xué)等等，以及自動化，包括檢測、統(tǒng)計、分析、影像等方面都會涉及。當(dāng)然，數(shù)學(xué)肯定是最基礎(chǔ)的，建立數(shù)學(xué)模型、復(fù)雜的算法都跟數(shù)學(xué)基礎(chǔ)息息相關(guān)。新興的大數(shù)據(jù)即數(shù)據(jù)科學(xué)，也離不開基礎(chǔ)的計算機(jī)科學(xué)。所以，未來醫(yī)學(xué)是眾多學(xué)科融合的綜合科學(xué)，大數(shù)據(jù)的價值是眾多領(lǐng)域量化的數(shù)據(jù)融合，這就是技術(shù)趨勢。

市場需求是重要驅(qū)動

去解決實際臨床問題更多依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗，不論是生理層面還是分子層面許多都還沒有被完全的量化，而是記錄在醫(yī)生的經(jīng)驗當(dāng)中。醫(yī)院也已經(jīng)采集到很多數(shù)據(jù)，存放在不同的計算機(jī)系統(tǒng)中，但是基本以數(shù)據(jù)孤島的形式存在，并沒有被充分利用和挖掘，而這些其實就是做基礎(chǔ)研究最重要的數(shù)據(jù)。

醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)發(fā)展有三大價值驅(qū)動力，首先是生活質(zhì)量的提高，人們對生命質(zhì)量或者是健康質(zhì)量的不斷追求和高標(biāo)準(zhǔn)的要求；其次是在高品質(zhì)生命健康需求下促使成的生命科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步；最后是基于生命科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的臨床手段不斷豐富，臨床治療質(zhì)量不斷提高，這就是整個醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)價值驅(qū)動的核心。此外，巨大的患者人體組織器官替換的市場需求也是重要的驅(qū)動因素。

整個再生醫(yī)學(xué)行業(yè)的大背景是全球每年大概有8000多萬的各種組織器官的需求，包括臟器器官、軟骨、胰、顱頜面、眼膜等，目前只能通過捐獻(xiàn)滿足，而捐獻(xiàn)所能滿足的需求是非常有限的。所以，眾多科學(xué)家希望可以獲得除了捐獻(xiàn)以外的方式來替代和滿足大量的需求。脫細(xì)胞異體移植是正在研究的一種方法，即從供體上取出的組織脫細(xì)胞后，種植受體的細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，然后再移植到新物體上。比如豬或牛跟腱組織取出來進(jìn)行脫細(xì)胞處理，然后異體組織移植。自體移植的方法可能會造成二次創(chuàng)傷，而異體移植也可能因為分子層面未被認(rèn)知的部分影響生物的生存。所以，眼下的科學(xué)家研究采用人工合成、天然高分子或者生物仿生等材料，構(gòu)建人體組織器官的結(jié)構(gòu)，如骨骼的結(jié)構(gòu)，把細(xì)胞種植在上面，然后再做培養(yǎng)骨骼的移植，目前大量的實驗證明這種方法是可行的。每個人的人體骨骼從頭到腳的結(jié)構(gòu)都不一樣，不同骨骼的功能也不一樣，有的是起支撐作用，有的是為神經(jīng)和血管等提供營養(yǎng)供給載體，有的起保護(hù)臟器的作用。因此需要針對每個患者的骨骼等受損組織器官的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)構(gòu)建，而組織器官微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建需要通過艾科賽龍進(jìn)行精準(zhǔn)的解析并構(gòu)建，然后才能提供給臨床去做治療。在中國通過捐獻(xiàn)方式獲得器官移植的每150萬人當(dāng)中，只有1萬例獲得捐獻(xiàn)，其余的因未能得到及時治療而死亡。癌癥、新發(fā)腫瘤、心腦血管疾病等患者數(shù)量，再加些意外創(chuàng)傷、事故等患者人數(shù)，再生醫(yī)學(xué)技術(shù)的需求將越來越大，并且日趨緊迫。

國內(nèi)對精準(zhǔn)醫(yī)療的理解主要是停留在基因?qū)用嫔希珳?zhǔn)醫(yī)療的概念在外科領(lǐng)域最早被提出，精準(zhǔn)醫(yī)療其實是針對個體化治療的、針對個性化各器官的醫(yī)療服務(wù)。例如，骨組織的修復(fù)，完整的骨組織功能重建，需要匹配生理環(huán)境，這也是精準(zhǔn)治療的范疇。重塑精準(zhǔn)醫(yī)療的整個流程首先是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，這是醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的挖掘的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的采集方式很多，包括臨床經(jīng)驗數(shù)據(jù)、自動化設(shè)備的影像數(shù)據(jù)（CT、MRI）、基因測序數(shù)據(jù)等。其次是數(shù)據(jù)的解讀與分析，通過建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型、采用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘。接下來是臨床治療和技術(shù)支持，把數(shù)據(jù)解讀和分析的結(jié)果變成實用、落地的產(chǎn)品或方案，用于臨床治療或技術(shù)支持，如個性化解決方案、手術(shù)導(dǎo)航板及個性化植入物等。再者結(jié)合個性化治療的量化指標(biāo)，跟蹤隨訪、復(fù)診，形成精準(zhǔn)醫(yī)療的閉環(huán)。最后，將匯聚眾多的臨床經(jīng)驗、數(shù)據(jù)進(jìn)行完整的解析與融合，形成精準(zhǔn)醫(yī)療完整的路徑和思路，從而建立巨大的精準(zhǔn)醫(yī)療系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不僅包含外科，也會涵蓋內(nèi)科。借助這樣一套巨大的系統(tǒng)，將骨骼等外科以及臟器等內(nèi)科學(xué)所涵蓋的組織器官量化解析，從數(shù)據(jù)開始重塑整個精準(zhǔn)醫(yī)療體系。

數(shù)據(jù)融合讓結(jié)論更精準(zhǔn)

人體生理環(huán)境下各種數(shù)據(jù)是有相互關(guān)聯(lián)性的，單個數(shù)據(jù)拿出來，如影像數(shù)據(jù)與血液的檢測數(shù)據(jù)，與單個細(xì)胞或者干細(xì)胞是什么關(guān)系？在人體外的彼此間的關(guān)系不大，所以必須構(gòu)建彼此之間相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，模仿人體真實環(huán)境。搭建這樣的系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)非常龐大，通常需要通過多層的運算，應(yīng)用較為普遍的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)與人體神經(jīng)系統(tǒng)有些類似，通過計算機(jī)模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運行方式來構(gòu)建，據(jù)說谷歌已經(jīng)可以建立50到100多層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算，而通常應(yīng)用只有幾層。在實際應(yīng)用中，艾科賽龍沒有建立那么復(fù)雜的關(guān)系，但會經(jīng)過多個環(huán)節(jié)的處理以達(dá)到更好的效果。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單神經(jīng)元通常由計算單元、連接單元和計算結(jié)果組成，再由多層神經(jīng)元建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。計算單元對外面獲取的信息進(jìn)行計算，獲得信息分配的權(quán)重，也是經(jīng)驗值，對計算結(jié)果再進(jìn)行加權(quán)、綜合等處理，經(jīng)過多層的運算，就形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)。

擁有海量數(shù)據(jù)和建立分析的系統(tǒng)架構(gòu)后，利用相關(guān)專業(yè)的算法和分析的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行挖掘，從而獲取最終結(jié)果。海量數(shù)據(jù)和龐大的工作量，需要有效利用計算機(jī)的計算與運算能力，通過機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)賦予計算機(jī)一定的智能，并結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動化架構(gòu)。

建立這樣一套架構(gòu)的目的是要經(jīng)過大量數(shù)據(jù)對機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練，使得機(jī)器可以相對獨立地計算與判斷，并得出相對精準(zhǔn)的結(jié)論。艾科賽龍做的骨科學(xué)領(lǐng)域，基于幾萬例的數(shù)據(jù)不斷地對機(jī)器進(jìn)行訓(xùn)練，機(jī)器現(xiàn)在可以獨自進(jìn)行計算與判斷，并得出相當(dāng)精確的結(jié)論?；谏疃葘W(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運算，得出的數(shù)據(jù)和結(jié)果是結(jié)構(gòu)化的。這個結(jié)果就是結(jié)合臨床和醫(yī)學(xué)，進(jìn)行定量計算、結(jié)構(gòu)解析、判別細(xì)胞毒性和癌癥病變等，以及對腫瘤標(biāo)識和藥物篩選，甚至是組織構(gòu)建和再生。所以量化與解析的目標(biāo)就是解析人體的組織的微環(huán)境及微結(jié)構(gòu)。骨骼結(jié)構(gòu)可以看做脫細(xì)胞之后的物理結(jié)構(gòu)，微環(huán)境就是組織生存的復(fù)雜的生理環(huán)境，最終的目標(biāo)就是要解析組織的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，具體表現(xiàn)為細(xì)胞與細(xì)胞之間、細(xì)胞與組織之間、組織與組織之間的相互作用。例如解析血管的微環(huán)境和微組織，需要清楚認(rèn)識血管細(xì)胞與構(gòu)成管壁的肌細(xì)胞，甚至脂肪細(xì)胞之間的關(guān)系，即細(xì)胞與細(xì)胞之間的關(guān)系，以及組織與組織之間的關(guān)系，血管的毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)化以后，如何向組織滲透營養(yǎng)、輸送營養(yǎng)等。最后將多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，經(jīng)過缺失量化和精準(zhǔn)構(gòu)建，可以做到精確統(tǒng)計、精確預(yù)測，最終精確地輸出一個產(chǎn)品或者是一個結(jié)論。

再生醫(yī)學(xué)技術(shù)是用醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等多個學(xué)科與工程學(xué)相結(jié)合的方式，重新構(gòu)建或修復(fù)人體或動物失去功能的組織、器官，使其具備正常的生理功能。具體包括多功能干細(xì)胞誘變、細(xì)胞遷移、組織再生修復(fù)，組織替代等。修復(fù)組織結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)以后，再生醫(yī)學(xué)技術(shù)最終目的是要恢復(fù)生理功能。再生技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)是干細(xì)胞，幾種有代表性的干細(xì)胞定向誘變，如iPS、MSCs等在技術(shù)和實驗中已經(jīng)比較成熟。再生技術(shù)與干細(xì)胞的結(jié)合的路徑首先是通過種子細(xì)胞培養(yǎng)獲得組織細(xì)胞。然后通過對組織器官的精準(zhǔn)解析和構(gòu)建，并結(jié)合生物3D打印構(gòu)造仿生的微結(jié)構(gòu)和微環(huán)境。接著將培養(yǎng)的組織細(xì)胞與仿生微結(jié)構(gòu)在微環(huán)境下進(jìn)行活性的培養(yǎng)，激活構(gòu)建的組織器官的功能。活性培養(yǎng)完之后就構(gòu)建了具備相對完整功能的組織器官，從而可以繼續(xù)進(jìn)行臨床治療。經(jīng)過整個過程的治療，患者能夠最大限度地恢復(fù)缺失的組織生理功能，從而真正提高患者治療質(zhì)量。