樊倩，孔文君，張偉，田飚，郭雅圖，王虹霞*

(1.天津市眼科醫(yī)院斜視與小兒眼科，天津市眼科學(xué)與視覺科學(xué)重點實驗室，天津市眼科研究所，天津醫(yī)科大學(xué)眼科臨床學(xué)院，南開大學(xué)附屬眼科醫(yī)院，天津 300020；2.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京佑安醫(yī)院眼科，北京市感染性眼病診療中心，北京 100069；3.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬光華醫(yī)院 上海市光華中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，上海 200052)

0 引言

自2019年12月中旬至今，一種新型冠狀病毒(SARSCoV-2)引起的呼吸系統(tǒng)疾病——新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)的爆發(fā)引發(fā)了世界性的生存危機。COVID-19在極短時間內(nèi)以強傳染性感染患者，使其輸送病毒播散到全世界超過200個國家及地區(qū)，引起的感染病人數(shù)量呈指數(shù)式爆發(fā)增長，給全球經(jīng)濟帶來巨大損失[1]。世界衛(wèi)生組織(World Health Organization，WHO)于2020年1月30號緊急宣布COVID-19為國際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生應(yīng)急事件。隨著對COVID-19的認識不斷深入和臨床研究的開展，越來越多的證據(jù)表明它的致死率比最初估計的要弱(死亡率約為2%)，但傳染性更強。據(jù)美國約翰霍普金斯大學(xué)發(fā)布的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至北京時間2020年12月31日，全世界共有85557668 例COVID-19感染患者，因其致死總?cè)藬?shù)已超過1847679人[2]?？紤]到全球化進程和2020年中國在世界貿(mào)易方面的重要性，COVID-19對全球的不良影響將大于嚴重急性呼吸綜合征(Severe acute respiratory syndrome，SARS)。因此盡早預(yù)測COVID-19的發(fā)生及流行十分重要，這有利于盡早切斷其傳播途徑及全球公共衛(wèi)生部門進行聯(lián)合防控部署。

在2020年的這場全球醫(yī)療危機中，許多國家依賴類似用于2003年SARS的感染控制和公共衛(wèi)生措施等經(jīng)典經(jīng)驗來控制本國COVID-19的流行，包括了中國內(nèi)地廣泛采取的嚴格隔離措施(例如，封鎖湖北省超過6000萬人口的流動)、密切接觸者進行追蹤軌跡調(diào)查(例如，新加坡、中國香港、韓國)。然而這些經(jīng)驗性措施在2020年可能無法有效解決當前COVID-19的全球流行規(guī)模問題。我們回顧了數(shù)字技術(shù)在COVID-19中的潛在應(yīng)用模式，探討其在COVID-19的監(jiān)測、監(jiān)督、檢測和預(yù)防傳播及其對全球醫(yī)療衛(wèi)生健康模式、世界范圍內(nèi)科學(xué)研究合作等方面的作用。

1 數(shù)字技術(shù)

數(shù)字技術(shù)是新科技時代的領(lǐng)航者，迄今涵蓋有四種高度關(guān)聯(lián)的數(shù)字技術(shù)。包括以新一代通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)分析，使用深度學(xué)習(xí)的人工智能(Artificial Intelligence，AI)以及區(qū)塊鏈技術(shù)[3]。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)，是將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)，它可以實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通。四大類數(shù)字技術(shù)是高度相互關(guān)聯(lián)的：例如在醫(yī)院和診所廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)有助于建立一個緊密互聯(lián)的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，能夠大規(guī)模實時收集海量數(shù)據(jù)，然后經(jīng)由人工智能和深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)來分析了解醫(yī)療趨勢、建模風(fēng)險關(guān)聯(lián)和預(yù)測結(jié)果。通過由帶有加密協(xié)議的反向鏈接數(shù)據(jù)庫和在不同組織中分布的計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的區(qū)塊鏈技術(shù)，確保在多個物理位置同步復(fù)制數(shù)據(jù)，并使用改進的算法確保數(shù)據(jù)安全與可追蹤[4]。區(qū)塊鏈本質(zhì)是一個共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有“不可偽造”“全程留痕”“可以追溯”“公開透明”“集體維護”等特征。大數(shù)據(jù)時代之下，AI數(shù)字技術(shù)在計算機速度的提高、新算法研究的深入、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺的普及幫助之下發(fā)展十分迅猛，成為醫(yī)療領(lǐng)域的前沿研究熱點，AI準確、高效的顯著優(yōu)勢在分析臨床病歷資料中大量圖像數(shù)據(jù)具有極大的應(yīng)用價值。AI技術(shù)的發(fā)展普及有助于新型醫(yī)療服務(wù)模式的建立，未來AI研究將會集中于綜合應(yīng)用多模態(tài)成像數(shù)據(jù)，整合海量數(shù)據(jù)資源，進一步提高算法性能，對復(fù)雜疾病進行智能綜合性輔助診斷及臨床疾病預(yù)防控制等多個方面。

2 助力COVID-19的監(jiān)測、監(jiān)督、檢測及預(yù)防

2.1 物聯(lián)網(wǎng)為公共衛(wèi)生機構(gòu)在線獲取COVID-19流行的全球監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了平臺

“Worldometer”在線提供實時更新的COVID-19全球感染人數(shù)，包括每日新感染人數(shù)，感染人群的國家分布及疾病嚴重性統(tǒng)計(包括疾病好轉(zhuǎn)康復(fù)人數(shù)，感染者人數(shù)及死亡人數(shù))[5]。美國約翰霍普金斯大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)與工程中心也研發(fā)出實時追蹤COVID-19患者全球活動軌跡的追蹤地圖，實時更新的數(shù)據(jù)來源于世界多個國家和地區(qū)，其中包括美國疾病預(yù)防控制中心(Centers for Disease Control and Prevention，CDC)、WHO、歐洲疾病預(yù)防控制中心和中國國家衛(wèi)生健康委員會、中國疾病預(yù)防控制中心等多個中心收集的數(shù)據(jù)[6]。

2.2 大數(shù)據(jù)分析提供了對病毒活動建立疾病研究模型的機會，借此來指導(dǎo)各個國家的衛(wèi)生健康決策者做好應(yīng)對COVID-19爆發(fā)流行的預(yù)案準備。

Wu等[7]通過收集三個全球性數(shù)據(jù)庫(官方航空指南、中國深圳騰訊公司和武漢市交通管理局的定位服務(wù))來創(chuàng)建了COVID-19預(yù)測模型，既包括現(xiàn)癥病患，又可推測中國國內(nèi)及境外疾病活動性，這一模型可被全球衛(wèi)生機構(gòu)采用。與此相似，Gilbert等[8]通過使用三個全球數(shù)據(jù)庫評估了非洲國家的COVID-19疫情防控，這將有助于提高非洲國家各衛(wèi)生部門的認識，以便更好地為病毒爆發(fā)做好準備。

2.3 數(shù)字技術(shù)可以提升公共健康科普教育與交流能力

新加坡國立政府機構(gòu)通過與美國Facebook旗下的WhatsApp合作來對公眾發(fā)布實時更新的COVID-19信息以及相應(yīng)政府舉措的準確信息[9]。全球衛(wèi)生健康機構(gòu)均可通過多樣化社交媒體平臺如Facebook與Twitter，對公眾提供實時更新的疾病數(shù)據(jù)及探究疾病的未知之處。2020年4月3日，美國IBM公司推出基于IBM公有云的IBM Watson Assistant for Citizens服務(wù)，民眾可以通過在線或電話的方式獲得幫助。該服務(wù)集Watson Assistant、IBM研究院的自然語言處理功能，以及Watson Discovery最為先進的企業(yè)級AI搜索功能于一身，能夠快速理解和回答有關(guān)新型冠狀病毒的常見問題[10]。IBM已在全美國境內(nèi)提供此項服務(wù)，同時也與捷克共和國、芬蘭、希臘、意大利、波蘭、西班牙、英國等多個國家展開合作。

2.4 AI與深度學(xué)習(xí)可以提高COVID-19的監(jiān)測與診斷水平

一些面部識別技術(shù)公司如Sense Time，Sunell，基于AI圖像識別技術(shù)，采取數(shù)字紅外熱成像技術(shù)，使面部識別能夠識別 不同篩查點的高溫人群，在人群密集區(qū)域可同時開展非接觸快速體溫監(jiān)測及警報體系[11]。AI和深度學(xué)習(xí)可以增強COVID-19的檢測和診斷能力，但COVID-19的診斷需要準確和低成本檢測仍然是目前全球廣泛應(yīng)用的挑戰(zhàn)。在亞洲、中東、非洲等地區(qū)的多個發(fā)展中國家的許多偏遠地區(qū)，醫(yī)院中都沒有準確區(qū)分COVID-19和“普通流感”的病毒篩查測試。在印度尼西亞，因為COVID-19檢測費用高昂(試劑報價近7.5萬美元)，迄今為止只有兩例公開報告的COVID-19病例，盡管印尼國內(nèi)人群具備密切接觸中國游客(2019年統(tǒng)計巴厘島累計有120萬中國游客)的記錄，印尼衛(wèi)生當局仍然決定不檢測243名從武漢返回但無癥狀的公民。在此種情況下，AI輔助篩查系統(tǒng)用于替代診斷和篩選將非常有價值。厄瓜多爾副總統(tǒng)Otto Sonnenholzner在社交媒體轉(zhuǎn)發(fā)“基于華為云的新冠肺炎AI輔助篩查系統(tǒng)助力厄瓜多爾抗疫”內(nèi)容，中國華為公司幫助厄瓜多爾成為拉丁美洲第一個擁有新冠肺炎AI輔助篩查系統(tǒng)的國家。中國有大量COVID-19病毒檢測陽性的病例數(shù)據(jù)(＞70000例)。這些都將是AI和深度學(xué)習(xí)的理想數(shù)據(jù)集[12]。雖然臨床中大多數(shù)患者都是輕癥COVID-19病例，但臨床醫(yī)生必須應(yīng)用同樣水平的隔離、治療和監(jiān)測所有不同程度的臨床確診患者，這對人力物力社會資源都是巨大考驗。而AI算法可以作為疑似感染病例的初步篩選工具(例如，中國、伊朗或韓國的旅行史，或接觸確診病例)，以便高風(fēng)險的患者可以進行基于實驗室的確診性檢驗或被隔離，為疾病診療減輕公共負擔。

3 數(shù)字技術(shù)對疾病流行時期臨床醫(yī)療服務(wù)模式的影響

在COVID-19全球流行時期，保證核心和關(guān)鍵的臨床醫(yī)療服務(wù)至關(guān)重要。許多國家最初的應(yīng)急措施是醫(yī)療機構(gòu)減少甚至停止許多主要的臨床診療服務(wù)，包括關(guān)閉診療機構(gòu)和無限期推遲醫(yī)療預(yù)約或選擇性手術(shù)。然而如果COVID-19大流行時間超過6個月，此種策略則難以為繼。此時，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)的優(yōu)勢凸顯出來，現(xiàn)有的一系列數(shù)字技術(shù)可用于提升這些公共衛(wèi)生策略。例如，“虛擬診所”“互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院”可以通過從外圍站點上傳并遠程分析患者的影像數(shù)據(jù)(例如胸部X光或胸部CT)實現(xiàn)遠程醫(yī)療專業(yè)咨詢[13]。這將可以確?；颊呃^續(xù)接受標準規(guī)范的臨床診療，同時減少患者進入醫(yī)院就診的臨床聚集。對于醫(yī)院的其他活動，如醫(yī)學(xué)專題研究和繼續(xù)教育等，虛擬電子學(xué)習(xí)平臺(例如線上培訓(xùn)，會議云直播等)正越來越多地被用來取代面對面的現(xiàn)場會議。其次，利用各種基于AI技術(shù)的分類系統(tǒng)可以潛在地減輕醫(yī)生的臨床負擔，由主流的“線下”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上”模式，例如在線醫(yī)療“聊天機器人”可以幫助患者識別早期癥狀，教育人們手衛(wèi)生的重要性，若癥狀惡化就立即轉(zhuǎn)診就醫(yī)提醒等。移動通訊軟件(如微信)可以檢測和記錄病人的數(shù)據(jù)(例如每日體溫和癥狀)，可防止輕微流感樣癥狀的患者進行不必要的院內(nèi)就診。第三，中國多家醫(yī)院正與區(qū)塊鏈公司及藥店合作，通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)，醫(yī)院可以確保及時交付藥物并進行準確跟蹤，直接將患者的藥物送到家門口。此外，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用還擁有一個更為長期的優(yōu)越前景，即數(shù)字技術(shù)應(yīng)對COVID-19可以提高公眾和政府對此類技術(shù)在其他領(lǐng)域的接受度，包括慢性疾病的診療模式。例如在肺炎疫情下中國浙江大學(xué)附屬邵逸夫醫(yī)院通過開創(chuàng)性地將“互聯(lián)網(wǎng)+”藥事服務(wù)中心嵌入到健康云平臺中，提供包括處方審核、藥費支付、藥品調(diào)劑、第三方配送、用藥咨詢等全方位服務(wù)?；诖?，越來越多的慢性病患者選擇通過“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺進行診療，患者對于線上診療模式的接受度明顯提高，不僅縮短了患者復(fù)診、配藥的時間，減少了醫(yī)院人群的聚集程度，更有效地助力疫情防控，緩解疫情期間優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源緊張的局面[14]。

4 數(shù)字技術(shù)互聯(lián)世界范圍的科學(xué)研究合作

目前數(shù)字技術(shù)被應(yīng)用于COVID-19基因組的分類、基于基因剪輯技術(shù)的COVID-19檢測分析、嚴重COVID-19患者的生存預(yù)測以及發(fā)現(xiàn)潛在的抗COVID-19藥物篩選。同時利用先進的機器學(xué)習(xí)算法，可以對COVID-19患者的大數(shù)據(jù)進行整合和分析，更好地了解病毒的傳播模式，進一步提高診斷的速度和準確性，開發(fā)新的有效治療方法。2020年3月16日，美國白宮和美國艾倫人工智能研究所聯(lián)合發(fā)布了一個面對全球開放、每周更新的COVID-19開放研究數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集連續(xù)記錄了COVID-19相關(guān)的學(xué)者文章，以加速推進全球范圍內(nèi)新的迫切需要實時數(shù)據(jù)的研究項目[15]。2020年1月24日中國首先發(fā)布由中國疾病預(yù)防控制中心病毒病預(yù)防控制所成功分離的第一株病毒毒種信息，同時啟動新型冠狀病毒的疫苗研發(fā)工作，但疫苗研發(fā)及靶向新藥研制需要海量數(shù)據(jù)分析及大規(guī)模的文獻篩選，數(shù)字技術(shù)可支持快速處理數(shù)據(jù)，自動篩選化合物，藥物分子設(shè)計、生物標志物篩選及探究新藥合成路線，繼而開展藥物有效性、安全性、理化特性分析以及新型組合療法等一系列研究。中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭(百度和阿里巴巴)均率先在線開放了核心算法，開展全球針對COVID-19的研究合作，2020年1月30日，百度研究院宣布將向各基因檢測機構(gòu)、防疫中心及全世界科學(xué)研究中心免費開放線性時間算法 LinearFold 以及世界上現(xiàn)有最快的 RNA 結(jié)構(gòu)預(yù)測網(wǎng)站，以提升新型冠狀病毒RNA空間結(jié)構(gòu)預(yù)測速度，LinearFold算法可將此次新型冠狀病毒的全基因組二級結(jié)構(gòu)預(yù)測從55 分鐘縮短至27 秒，提速 120 倍[16]；阿里巴巴研發(fā)能夠快速進行病毒基因分析，有效檢測病毒變異的大數(shù)據(jù)平臺，將提供一種基因組測序診斷工具，可幫助進行病毒遺傳數(shù)據(jù)篩選，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和診斷報告。阿里云公司DAMO Academy以及其通信平臺DingTalk免費提供多種AI工具，其中研發(fā)的CT圖像分析服務(wù)，對國內(nèi)COVID-19數(shù)據(jù)建立疾病模型，預(yù)測患者出現(xiàn)肺炎癥狀的可能性及嚴重程度。同時，DAMO Academy的流行病預(yù)測工具可以通過生成規(guī)模及持續(xù)時間的估計值，在局部基礎(chǔ)上繪制出冠狀病毒流行病學(xué)的特征圖。它也可以用來預(yù)測病毒在不同條件下的傳播速度[17]。中科院北京基因研究所及華為云聯(lián)合多家權(quán)威研究團隊，通過AI技術(shù)對新型冠狀病毒多個靶標蛋白開展超大規(guī)模計算機輔助藥物篩選(8506種已上市或正在進行臨床試驗的藥物)，篩選出五種可能對新型冠狀病毒有效的抗病毒藥物。例如Beclabuvir，沙奎那韋 (Saquinavir)，比特拉韋 (Bictegravir)，洛匹那韋 (Lopinavir)，多替拉韋(Dolutegravir)。其中Lopinavir已經(jīng)被列入治療新型冠狀病毒臨床試驗的登記列表。華中科技大學(xué)同濟藥學(xué)院及國家應(yīng)急防控藥物工程技術(shù)研究中心等研究人員聯(lián)合表明，冠狀病毒nsp3編碼的木瓜樣蛋白酶(PLP)能夠幫助病毒基因組復(fù)制及逃避宿主抗病毒天然免疫，是藥物開發(fā)的良好靶點。研究組模擬了新冠病毒PLP的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，運用計算機虛擬篩選方法，得到33個新冠病毒PLP的潛在抑制分子。因此在數(shù)字技術(shù)支持下，針對新型冠狀病毒的藥物研發(fā)過程可以被大大縮短。

5 展望

數(shù)字技術(shù)利用先進的機器學(xué)習(xí)算法，可以對COVID-19患者的大規(guī)模數(shù)據(jù)進行整合和分析，更好地了解病毒的傳播模式，進一步提高診斷速度和準確性，開發(fā)新的有效治療方法，并根據(jù)個體化的遺傳和生理特征潛在地識別出最易感人群。同時數(shù)字技術(shù)助力疾病流行時期臨床醫(yī)療服務(wù)模式由主流的“線下”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上”模式，再者數(shù)字技術(shù)協(xié)助COVID-19世界范圍的科學(xué)研究合作共享。總之，2020年的COVID-19為數(shù)字技術(shù)研究提供了一個巨大的機遇和挑戰(zhàn)，數(shù)字技術(shù)同樣為COVID-19全球防控提供了強大的技術(shù)平臺與背景支持，為推動未來醫(yī)藥領(lǐng)域的數(shù)字變革提供了良好前景。