中国人工智能+医疗应用场景解读——药物研发、辅助诊疗、基因测序
摘要
2018年11月，赛迪顾问发布《2018年中国人工智能+医疗应用市场白皮书》，对人工智能在医疗行业的应用场景、面临挑战、发展趋势等方面进行剖析，并结合资本关注进行投资价值挖掘，期望能通过此研究为促进我国人工智能在医疗行业的发展提供有价值的参考。白皮书整理分析了人工智能在医疗行业聚焦的六大应用场景，本文对其中的药物研发、辅助诊疗、基因测序三个场景进行详细解读。
人工智能在医疗行业的应用场景全景图
数据来源：赛迪顾问，2018.11
传统的药物研发耗时耗力，且成功率低。药物研发是一个漫长的工程，经历靶点的发现与验证、先导化合物的发现与优化、候选化合物的挑选及开发、临床研究等多个阶段。根据Tufts药物研发中心统计，每个新药研发成本大约25.58亿美元，周期大概十年，其中6-7年都是临床试验阶段，只有12%的药物可以通过临床验证。人工智能将深度学习模型应用于药物临床前研究，能达到加速药物研发过程、降低人力物力成本、提高药物研发成功率的目的。
人工智能参与药物研发的不同环节。靶点筛选是目前新药发现的核心瓶颈，通过搭建算法模型，利用大规模的算力可将市面上已曝光的药物及人身上的1万多个靶点进行了交叉研究及匹配；在药物挖掘过程中，目前尝试利用深度学习开发虚拟筛选技术以取代高通量筛选，或者利用人工智能图像识别技术优化高通量筛选过程；在药物优化阶段，借助AI能够以直观的方式定性推测生理活性物质结构与活性的关系，进一步提升药物的构效关系分析的速度，快速挑选最具安全性的化合物。除了以上这些环节，服药依从性管理、病人识别与招募、药物晶体预测等环节均利用人工智能技术缩短时间，安全高效地达到目的。
国际制药公司纷纷与人工智能公司合作开展新药设计、理化性质预测、药剂分析、疾病诊断靶标，药物组合使用等研究。制药公司Pfizer与IBM Watson用人工智能手段研究如何利用免疫系统对抗癌症，Watson阅读了2500万篇文献摘要，100万篇完整论文和400万专利文献，目的是找到治疗癌症的最佳组合药物。中国在人工智能药物开发领域已经开始起步，但远未成熟，还有非常大的发展空间。2018年5月，AI医药研发公司晶泰科技宣布与辉瑞制药签订战略研发合作，融合量子物理与人工智能，建立小分子药物模拟算法平台，显著提高算法的精确度和适用广泛度，驱动小分子药物的创新。
人工智能技术应用于辅助诊疗，主要是通过计算机学习医疗知识，模拟医生的思维和诊断推理，给出可靠的诊断和治疗方案。辅助诊疗作为医疗领域最核心的应用，目前已有较为成熟的商业案例，IBM的Watson通过海量汲取医学知识，可以在短时间内成为肿瘤专家，诊治的病种有乳腺癌、肺癌、结肠癌前列腺癌、膀胱癌、卵巢癌、子宫癌等多种癌症。医生将治疗史、分期特征、转移位点、危重病情况等输入Watson系统后，系统会给出多个诊疗方案，包括最优方案、谨慎使用和不推荐使用方案。在辅助诊疗助手的帮助下，医生可以校对自己的诊疗方案，从机器人的医疗大数据中得到更多启示。
人工智能+医疗产品的辅诊能力基于大数据硬件和神经网络芯片等计算能力，对医疗领域大量数据进行系统训练和优化，运用自然语言处理、认知技术、自动推理、机器学习、信息检索等技术，实现自动问答、挂号、临床决策、诊疗决策等全方位的智能诊疗。原理上，首先通过自然语言处理学习病历、有关疾病的资讯著作等医疗知识，形成医学知识库；然后运用深度学习算法和框架学习海量临床诊断案例，建立疾病模型，在对比专家诊断数据后持续优化模型，不断提高疾病诊断能力，辅助一线医生临床诊断决策支撑。
从全球布局来看，科技巨头谷歌、微软、腾讯、IBM陆续开放人工智能平台，开启智能化辅助诊疗时代。2016年，国内首家沃森联合会诊中心在浙江省中医院正式成立；腾讯觅影已在中国和十余家三甲医院共建联合实验室，并与上百医院达成合作意向；阿里健康发布了医疗AI系统“Doctor You”发布，让人工智能承担专业医生助手的角色，降低医生工作量。此外，康夫子、兰丁高科、零氪科技等科创企业也相继推出智能导诊机器人等产品在辅助诊疗场景中落地。
人工智能与基因测序结合促进基因科技快速发展。基因测序是一种新型基因检测技术，能够从血液或唾液中分析测定基因全序列，预测罹患多种疾病的可能性。人类疾病健康和基因遗传息息相关，我国在2017年启动了“中国十万人基因组计划”，这是我国在人类基因组研究领域实施的首个重大国家计划，也是目前世界最大规模的人类基因组计划。尽管基因测序已达临床普及应用的水平，但基因解读仍旧是最大瓶颈。目前相对成熟的基因测序技术是高通量测序，从基因序列中挖掘出的有效信息十分有限。并且在通常情况下，分析TB级的基因组数据量需要几周时间，不利于临床医疗服务。人工智能的出现打破了这个瓶颈，通过建立算法模型，从海量基因组数据中鉴别出真正引发肿瘤的突变，加速对基因组的分析速度。
IBM的Watson系统已经进入基因测序分析市场，美国奎斯特诊断公司将为Watson提供基因测序数据和临床疾病信息。首先，奎斯特诊断中心对患者的活检组织标本进行检测，鉴别那些基因显示出突变或变异；然后，临床化验人员将基因测序信息和临床信息输入Watson系统；最后，Watson系统通过深度学习，实时抓取和动态学习变异基因的临床解读，具体包括基因变异的注释、驱动基因的识别以及靶向药物的推介，对于全基因组测序在十分钟内完成解读，得出变异基因精准分析、信号通路分析及靶向药物分析的结果。
目前，除了IBM Watson，谷歌和国内的华大基因、金域检验、百洋医药集团等企业均已开始AI基因测序布局。谷歌于2017年发布了一款名为DeepVariant的人工智能工具，通过测序数据构建更加准确的人类基因组图像，能够自动识别测序数据中的小型插入和缺失突变，以及单碱基对突变。华大基因收购Complete Genomics公司，正在实现基因测序的智能化和自动化。金域检验利用其综合检验检测技术平台，融合生物技术与人工智能等新一代信息技术为广大患者提供专业化的临床检验服务。百洋医药集团旗下的百洋智能科技与贝瑞基因在北京签署合作协议，促进Watson在中国的落地发展。
2022年中国基因测序市场可达183亿！大数据定义行业核心竞争力
导读：白皮书指出，2017年，全球范围内的基因测序市场规模已达85亿美元。目前基因测序市场规模增长最快的是以中国为首的亚洲市场，中国的人口红利为基因测序发展带来巨大的市场空间，推动了产业的高速发展。
来源丨21世纪经济报道（ID：jjbd21）
记者丨夏旭田、实习生 刘洋 北京报道
图片来源 / 视觉中国
在经历了无监管、叫停、试点申报、取消申报的波折之后，中国的基因测序产业正由无序发展进入到健康成长的“快车道”。
5月22日，赛迪顾问发布的《2018中国基因测序产业演进及投资价值研究》白皮书指出，基于巨大的人口红利，中国在基因监测产业中具备空前的潜力。2017年，中国基因测序市场规模约为72亿元，预计到2022年中国基因测序市场规模将达到183亿元。
从产业链上看，上游检测仪器领域由国外高度垄断，中国正不断试图取得突破，测序耗材有望成为上游的突破口；中游基因测序服务领域市场集中度正不断提高，不少中小企业面临出局风险；下游应用方面，基因测序的重点领域将从产前检查转向肿瘤监测，而后者有望成为下一个爆发点，打开千亿级的市场。
同时，互联网技术正在加速融入基因测序产业，不少互联网公司看准基因大数据行业爆发性增长的趋势，也在积极布局抢占市场份额。
基因测序产业走入正轨
白皮书指出，2017年，全球范围内的基因测序市场规模已达85亿美元。目前基因测序市场规模增长最快的是以中国为首的亚洲市场，中国的人口红利为基因测序发展带来巨大的市场空间，推动了产业的高速发展。
据白皮书统计，2017年，中国基因测序市场规模约为72亿元，预计到2022年这一数字有望增长1.54倍，达到183亿元。
赛迪顾问医药健康产业研究中心副总经理陈卫星在发布会上接受21世纪经济报道记者采访时指出，中国基因测序市场将经历快速增长，一方面是因为在中国基因测序产业发展经历了无监管、叫停、试点申报、取消申报试点四个阶段之后，政策正引领该产业走向快速发展的正轨；另一方面，基因测序在无创产前筛查等领域实现成熟应用之后，面临着肿瘤筛查等更大的市场空间。
陈卫星表示，在2014年以前，中国基因测序行业处于缺乏监管的无序发展状态，在产业化初期，彼时，各个企业纷纷推出了许多良莠不齐，甚至是虚假的产品与服务，坑骗消费者的现象很多。
在此背景下，2014年2月，国家食品药品监督管理总局与卫计委联合叫停，规定所有基于高通量测序技术的检测仪器、诊断试剂和相关医用软件等产品，需经审批注册，并经卫计委批准技术准入方可应用。
随后，国家卫计委发布关于《开展高通量基因测序技术临床应用试点工作的通知》，使中国基因测序进入以政策引领产业发展的阶段。
截至目前，中国陆续审批108家医疗机构开展高通量基因测序产前筛查与诊断（NIPT）临床试点；审批通过13家医疗机构开通高通量基因测序植入前胚胎遗传学诊断（PGD）临床应用试点。
“这一行业仍处在发展之中，这需要政府不断探索监管的边界与方式，刚开始政府选择先开展试点，后来在具备一定监管经验之后就放开了试点，这使行业进入了全面铺开的阶段。”陈卫星表示。
肿瘤筛查开启千亿级市场
白皮书介绍，基因测序产业链可分为上游测序仪及测序耗材、中游测序服务和下游测序应用环节。
其中，上游基因测序仪拥有极高的技术壁垒，目前全球7000多台第二代基因测序设备主要出自Illumina、ThermoFisher、Roche三家公司，其市场份额高达97.6%，这些企业通过销售基因测序仪以及相关测序配套耗材获得大量利润，并决定着基因测序产业的话语权。
为了打破国外垄断格局，华大基因2013年投入1.18亿美元收购了美国的Complete Genomics，并推出BGI-SEQ 500测序仪和Revolocity系统。截至2017年末，中国批准了9款国产基因测序仪。
不过，陈卫星介绍，中国在测序仪技术上仍存在着不小的差距，“最关键的是读长和准确度的问题，这对技术有很高的要求，同时需要人才与经验的积累，测序仪的追赶需要一个漫长的过程。”
他指出，相对于基因测序仪，耗材的技术壁垒较低，市场成长性良好，国内一些大型基因测序公司已经完成了注册，这部分有望成为国内基因测序企业布局上游的理想突破口。
白皮书指出，2011年仪器耗材全球市场规模为18亿美元左右，预计2022年将达到36亿美元。
中游主要是为患者提供测序及基因组学数据分析服务。相比于上游，测序服务技术门槛较低，只要购买测序仪即可提供服务。陈卫星指出，在中游，目前中国拥有200多家高通量基因测序服务公司，主要集中在疾病预防与早筛、辅助疾病诊断、伴随诊断和大数据服务等领域。测序服务行业集中度较高，华大基因、贝瑞和康等龙头企业占据市场的大部分份额，随着行业参与者增多，政策监管趋严，利润空间下降，小型测序服务企业将逐步被市场淘汰。
下游主要为应用端，为科研机构、医院、第三方检验机构和个人患者等提供疾病预防与早筛、辅助疾病诊断和药物伴随诊断等具体服务内容。
随着技术的不断进步，基因测序产业在越来越多的领域实现了市场化，如无创产前筛查、遗传病诊断等。然而白皮书认为，基因测序还处于产业化的初期，基因检测产业实现商业化的部分仅仅是冰山一角。未来基因测序还存在着巨大的商业潜力和开发价值。
赛迪顾问预测，到2022年，全球基因测序市场规模将达200亿美元左右。而就中国市场而言，在人口老龄化和二胎政策的推动下，中国基因测序服务产业将迎来一个爆发期。2017年中国无创产前筛查市场占比超过55%，是基因测序市场份额最大的细分领域。目前中国每年出生的缺陷新生儿约90万人，利用测序技术开展无创产前筛查市场前景巨大，有望达百亿级。
白皮书认为，肿瘤诊断有望在未来接替产前筛查成为中国基因测序产业最大的应用领域。2017年中国有504万新发肿瘤病例，未来中国肿瘤筛查的市场总市场空间可达千亿级。
互联网加速融入基因测序服务
值得注意的是，大数据、云计算等信息技术正在加速融入到基因测序产业应用之中，并逐渐成为未来测序产业竞争的制高点。
白皮书指出，基因测序结果的临床解读依赖于大量人群样本数据的分析，基因测序产生的海量数据需要强大的计算资源，因此测序服务需要海量样本数据库与极强的大数据分析能力的支持。
大数据、云计算等技术以其数据超大容量与超高通量等特点，逐渐显示出对于基因测序服务产业良好的相容性；同时，谷歌、阿里巴巴、亚马逊、微软、腾讯等互联网公司看准基因大数据行业爆发性增长趋势，开始积极布局以抢占市场份额。
白皮书指出，基因数据库的建设将成为未来基因测序服务的核心所在：基因数据库的全面性，决定了测序分析的准确性；数据库分析能力的强弱，影响到测序服务效率的高低。大数据技术将成为基因测序产业的核心竞争力。
陈卫星指出，中国基因测序数据临床解读方面存在的不足成为制约测序服务产业发展的一个重要因素，同时基因数据库的建设也面临着碎片化、重复建设等问题，亟待有效整合。
目前，中国基因数据库整体处于发展初期，需要资金、技术以及政策方面的支持，多家公司都在布局建立大而全面的生物样本数据库，数据库的全面程度将决定谁能在市场竞争中获胜，这需要非常大并且持久的资本投入。
在此过程中，各个公司针对同一种疾病对象，花费大量资金对相关人群建立了自己的数据库，由于各个公司之间的数据库建立范式可能会存在差别，目前缺乏有效的整合利用，存在资源浪费的问题。
陈卫星表示，数据库整合的难点在于主体的碎片化问题，“大家各搞各的，都建自己的数据库，而不愿共享，就会带来重复劳动。此外，基因数据是非常个人、非常隐私的数据，如何共享面临着较多的社会问题。”
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