面向精准医疗的大数据处理技术研究

1 精准医疗与健康医疗大数据概述 近年来，随着社会经济和医疗卫生事业的发展进步，我国人群的医疗保健水平和健康寿命均得到了显著提高。但是，目前我国的人群健康和疾病负担形势依然不容乐观，有报告显示，我国现有高血压患者2.6亿，慢性肾病患者1亿～1.2亿，糖尿病患者超过1亿且潜在糖尿病人群达1.5亿，每年因心血管疾病死亡者达300万，每年因癌症死亡者达220万，而每年新增癌症病例达310万[1， 2]。此外，目前我国尚有8000万乙肝病毒携带者，550万活动性结核病患者，80余万艾滋病感染者[1]。随着我国老龄化进程的加快，老年性疾病如帕金森病、阿尔茨海默病、心脑血管病等亦将愈加高发，势必造成国家、地方及个人的医疗费负担不断加重，导致许多家庭因病致贫、因病返贫。例如，我国脑卒中患者以每年近250万例的速度增加，由此造成的直接经济损失达400亿元[3， 4]。 在此背景下，围绕巩固精准医疗研究，促进精准医疗在临床预防、诊断和治疗中的应用等核心问题，进行健康医疗大数据的综合处理和深度挖掘研究，有助于加快精准医疗的发展，优化医疗资源配置，减少无效医疗、过度医疗，创新医疗服务模式，助力“健康中国”目标的实现[2， 5]。另外，我国推进精准医疗，在小的方面，可精确定位疾病病因和治疗靶点，实现对特定疾病和患者的个性化精准治疗，提高疾病诊治和预防的效益，节约医疗费用与资源[6]；在大的方面，可促进医药生物技术发展和医疗体制改革；在形成新的经济增长点的同时，带动整个大健康产业的发展[1， 5]。因此，精准医疗正成为合理高效利用医疗卫生资源、进一步推动我国医疗卫生事业改革与发展的重要抓手。 1.1 精准医疗的概念 精准医疗（precision medicine）是应用基因检测、现代遗传、分子影像、代谢组学、生物信息、大数据等技术，根据患者的临床诊疗、基因组学信息及疾病发生发展过程中的蛋白组、代谢组、转录组等方面的相关特点，结合患者的生活习惯和生活环境，实现精准的疾病分类与诊断，找出对疾病进行干预和治疗的*佳靶标、节点与方法，为临床实践提供科学依据，为患者“量身定制”个体化的疾病治疗和预防方案，使患者获得*适宜的治疗效果和*少的副作用的一种医学模式[1， 7， 8]。精准医疗可以阐明疾病发生发展的机制，解答疾病发生与转归的本质问题；精确定位生物标志物，探索建立早期诊断方法，争取把握疾病治疗的有效时机；推动靶向治疗药物的研发，特异性地有效治疗疾病；通过分子分型、分子分期进行分子诊断，为个体化诊断、治疗和预后提供科学依据；在集成应用交叉学科现有成果的基础上，尤其是在对健康医疗大数据处理分析的基础上，进行综合防诊治方案的探索应用[1， 6， 9， 10]。 1.2 精准医疗的发展历程 “precision medicine”一词*早于2008年由美国哈佛大学的Clayton Christensen提出，用以表述通过分子水平的诊断提高临床医生诊治水平，避免医生对直觉与经验的过度依赖。但这一概念在当时并未立即引起重视，直到2011年，美国国立卫生研究院地球与生命研究部的发展新疾病分类框架委员会（Committee on A Framework for Developing a New Taxonomy of Disease）发布“迈向精准医学：建立一个生物医学知识网络和一个新疾病分类法框架”蓝图[Toward Precision Medicine: Building a Knowledge Network for Biomedical Research and a New Taxonomy of Disease（2011）]，至此，“精准医学”才成为传统“个体化医学”的新表述，并被业界广为关注[1， 11]。精准医疗可根据具体患者的个人情况，基于患者疾患因人而异的复杂成因，“量体裁衣”地进行个性化疾病防诊治方案的制订与实施。其可辅助临床决策，改变“一般患者适用”原则；可有效减少误诊漏诊、避免过度医疗、降低药物毒副作用、节约医疗资源与费用[1， 12， 13]。 2015年，美国总统奥巴马在国情咨文中正式提出启动本国的“精准医疗计划（Precision Medicine Initiative，PMI）”，规划在2016年的财政预算中投入2.15亿美元布局精准医疗的五个具体领域，基于遗传信息发现和人类基因组计划的实施，依托基因组学、临床诊疗、生物信息等大数据，支撑对癌症与其他重点多基因病的深入研究，同时转变卫生医疗监管部门的管理方式[14， 15]。自此，其他国家也纷纷在医疗卫生资源中投入巨额资金，布局精准医疗领域。2015年7月，英国精准医疗弹射中心联合北英格兰、北爱尔兰、苏格兰、威尔士和南英格兰等五大区域中心启动了英国精准医疗中心网络建设[16]。2016年5月，澳大利亚规划支出2000万澳元打造本国的精准医疗计划“零儿童癌症计划”。2016年6月，法国启动“基因组医疗2025”规划，拟投入6.7亿欧元推进精准医疗的发展与应用。 2015年3月，我国科学技术部召开全国首次精准医学战略专家会议，决定在2030年之前投入600亿元部署精准医疗领域，启动中国版“精准医疗计划”[16]。2016年，精准医疗被纳入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，以大力推进精准医疗等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点，使其成为医药大健康产业发展的驱动引擎[5， 17]。2017年以来，各省市也先后出台地方性精准医学发展规划，纷纷布局精准医疗产业与服务。我国精准医疗的发展建设思路逐渐清晰明确，其主要目标是以我国常见高发、危害重大的疾病及流行率高的罕见病为切入点，建立精准医学研究、应用、推广示范平台和保障体系，显著提升重大疾病防诊治水平，带动生物医药、医疗器械和健康服务等产业发展，提供更高效、更精准的医疗健康服务，为提升我国人口健康水平、减少无效和过度医疗、遏制医疗费用支出过快增长等提供信息与技术支撑[1， 2， 5， 18]。 1.3 精准医疗的内容 1.3.1 精准医疗的本质 精准医疗是应用现代遗传技术、分子影像技术、生物信息技术、大数据分析技术，结合患者生活环境和临床数据，实现精准的疾病分类与诊断，并制订个性化疾病治疗和预防方案的一种医学模式[1]。其本质是通过组学、基因检测、生物信息、大数据挖掘等医学前沿技术，对特定人群与疾病进行生物标志物的分析、筛选、验证与应用，从分子层面促进对疾病的认知，并对患者和疾病的不同状态和过程进行亚群分类，精确定位致病病因和治疗靶点，实现对疾病进行个体化的精准预防、预测、诊断和治疗，提高疾病诊治、用药、护理与预防的针对性和效益，既有对健康医疗大数据的集成分析，又有个体化疾病防诊治与用药的针对性策略[1， 10]。 精准医疗利用分子诊断和基因检测技术，基于对健康医疗大数据的集成与挖掘，为患者提供个性化诊疗和精准用药服务，从而提高患者的治疗效果，改善患者预后，减少药物毒副作用和不良反应的发生。精准医疗的核心思想是综合利用患者的临床诊疗、生物样本、基因检测等数据和临床辅助检查各类资料，精准确定患者的疾病分型和病变靶点，从而指导患者的个体化临床治疗与用药。精准医疗的关键在于对疾病进行精准化分类和个性化诊断，从而为后续患者的针对性治疗和个体化用药提供基础和前提。奥巴马在国情咨文中对精准医疗的要素进行了归纳：①精确（the right treatment），即针对具体的患者给予合适的治疗；②准时（at the right time），即精准医疗的救治要准时，只有在恰当的时间给予个体化治疗，才有望达到良好的治疗效果；③共享（give all of us access），“让我们自己和我们的家人比以往更加健康（keep ourselves and our families healthier）”是精准医疗所倡导的医学发展要义；④个体化（personalized information），精准医疗是基于患者多维信息进行的个体化诊疗，是个体化医疗在新时期的概念丰富与演进[1， 19-21]。 1.3.2 精准医疗的研究与应用 参考“精准医学研究”重点专项指南，精准医疗的研究与业务内容主要涉及以下几个方面：①构建自然人群健康队列和重大疾病专病队列，创新生命组学大数据分析和临床应用技术，确立疾病预测、诊断、治疗与疗效评价的生物标志物、靶标、制剂的实验和分析技术体系，集成重大疾病的精准防诊治方案和临床决策系统，形成疾病防诊治指南、临床路径和干预措施[1， 2， 10， 12， 18]。②集成和布局相关的精准防诊治关键技术，建立符合人群遗传背景与疾病特征的精准医疗、精准预防与健康管理体系，实现疾病的早期预防、早期诊断、早期治疗[1， 2， 22]。③建立精准医疗知识库体系和生物医学大数据共享平台，建设精准医疗国家平台和省、市、县级精准医疗中心与精准医疗实验室，组建精准医疗联合体网络体系；借助远程/移动医疗平台的数据交互和综合服务功能，开展临床精准防诊治和用药示范，开发疾病信息共享、病患随访、在线教育等业务系统，面向基层患者开展多级协同的精准医疗服务[18， 23-25]。④重点突破基因、临床、健康等多源、异构数据融合的关键技术，研发新型的防治药物、疫苗、试剂、器械和设备，推进临床转化[1， 2， 25， 26]。⑤建立“关键技术及产品-综合服务平台-典型领域示范”的精准医疗研发、应用体系，建设人群典型高发疾病精准医疗临床方案的示范、应用和推广体系，加快推进、深化医药卫生体制改革和医疗模式转变，形成精准医疗创新链、产业链和服务链，逐步实现从精准诊疗到精准预防预警的健康端口前移，提升医疗资源的有效利用率，全面保障公众的健康需求（图1-1）[2， 5， 18， 27， 28]。 图1-1 精准医疗图谱 HIS，医院信息系统；LIS，实验室信息系统；EMR，电子病历；PACS，影像归档和通信系统 1.4 精准医疗的服务类型与业务流程 精准医疗主要包括精准诊断、精准治疗、精准用药和精准健康管理等四类服务。精准诊断是基于患者临床诊疗、生物样本、基因和组学数据等信息，利用生物信息技术和大数据分析技术整合、分析全部信息，得出精确的临床诊断，辅助医生早期预判疾病的发生、演变转化及可能的结局[29]。精准治疗是精准医疗服务的主要任务和目标，是在精准诊断的基础上，通过组学、生物信息和大数据分析技术，分析与鉴定特定疾病类型及其生物学标志物，发现病因和治疗靶点，为临床决策和治疗方案的制订提供精确的依据[30]。精准用药是基于精准诊断和精准治疗方案，根据特定疾病类型和基因组学个体差异进行靶向特异性药物的指导用药。精准健康管理是基于生物信息和大数据分析出的个体化特征，基于患者需求，对患者进行精准康复、精准护理、精准健康教育等。 精准医疗服务的业务流程如图1-2所示。首先，基于健康医疗大数据，构建面向精准医疗服务的专病数据仓库，采用大数据分析和生物信息技术，深入挖掘患者的疾病分型、病变靶点、易感基因、生物标志物等，生成可视化分析结果报告，通过临床医生和专家解读，形成精准的诊断结果与报告。其次，根据精准诊断结果，明确患者的疾病分型和临床诊断，由临床医生、生物信息专家和患者一同参与治疗方案的制订与选择。在这一过程中，根据对治疗效果的实时评价与反馈，及时调整、完善治疗方案，达到以患者为中心的*佳治疗与效果保障。再次，通过对患者的健康医疗数据进行大数据分析，识别用药靶点，明确患者易感基因、疾病症状与药物的关系，指导个体化精准用药，并对药物治疗效果进行评价。*后，基于对患者个体特征与需求的分析，制订贯穿患者整个诊疗过程的精准健康管理方案，如精准护理、精准康复管理、精准健康教育与促进等，形成以患者需求为导向的全流程精准健康管理。 图1-2 精准医疗服务的业务流程