计算医学：数智时代的医学发展新范式

计算医学：数智时代的医学发展新范式Computational Medicine: A Novel Paradigm of Medical Development in the Era of Digital Intelligence数据的飞速积累和方法的加速更新换代预示着未来医学范式的转变方向：一种以数据和计算方法为主的计算医学（Computational Medicine，CM）。通过计算模型、超算技术，数据之间的相关关系被更好的体现出来，具有高通量高维度特征的海量数据，通过复杂系统的计算建模，以更逼近真实的方式理解生命机理和疾病机制，提高疾病预测、临床诊疗和健康维护水平，使个性化决策成为可能，有可能彻底改变从单个病人护理到政策制定的整个医学领域。本期导读浙江数字医疗卫生技术研究院浙江数字医疗卫生技术研究院浙江树人大学浙江树人大学媒体支持媒体支持李莹莹周佳卉张建楠朱烨琳郑 杰王力飞叶芳芳江 俊动脉网IMIT白皮书2021 年 07 月 第 21期计算医学：数智时代的医学发展新范式1内容摘要( 一 ) 引言与其他学科相比，医学实践具有相当大的不确定性，而且这种不确定性一直存在，这也是医学实践如此具有挑战性的原因。大数据的发展，赋予了医生和临床科研人员更多、更细致的维度去了解疾病发生发展过程，大大拓展了医学研究的深度和广度。但是，生物医学大数据的规模和产生速度已远远超出了个人的处理能力，急需新的方式与手段帮助医生从从多维、立体、融合的数据中摸索出规律，从而更精确地进行疾病的诊断和治疗。一种以数据和计算方法为主的计算医学的出现与发展预示着未来医学发展范式的转向。( 二 ) 计算医学概念与知识体系计算医学的核心是通过应用数学、计算科学来理解人类疾病的机理，为医学服务提供新洞见，提高并改善疾病诊疗水平，广义上应用计算机和计算模型来支持医疗保健服务的医学研究的所有方面都可以被纳入到计算医学范畴。作为一门较高难度的交叉学科，计算医学需要综合来自计算机科学、数学、统计学、生物化学、化学工程、生物医学工程、生物物理学、分子生物学、遗传学、生态学、解剖学等学科的知识。( 三 ) 计算医学研究进展计算医学研究热度持续上升，最近几年在项目研发投入与文献发布量上增速明显，但相较于美国，中国在计算医学领域的研发投入整体较少。研究内容上，模型研究、各类应用模式（表达、模拟、算法、识别、预测、分类）以及癌症、系统等为计算医学领域研究的核心。研究内容变化上呈现：从原有的理论、模型研究向应用领域研究发展；从数理统计算法研究向基于人工智能技术发展；从生物、解剖数学模型构建、到基于大数据驱动的计算基因组学再到精准医疗等临床医疗应用发展。国家比较来看，中美两国在计算医学研究领域涉及面较广，各类研究主题均有布局；中国在精准医疗应用、模型、机器学习、个性化医疗、仿真模拟五个方面的研究关注度与美国差距较大。( 四 ) 计算医学主要研究内容本文结合技术与医学应用两个维度，并依据时间发展顺序，归纳了计算医学的研究内容，包括四个方面：以模型构建为核心的计算医学基础研究、以海量基因组学数据驱动的计算基因组学研究、基于人工智能技术的计算医疗应用研究、面向精准医疗的计算医学研究。并简要介绍了各个领域主要研究内容及典型应用。( 五 ) 计算医学学科建设情况为了应对医学范式向计算医学转变带来的挑战，提高计算医学研究能力，世界各国的大学和科研机构纷纷成立计算医学相关的研究部门，这些机构多数前身为计算生物、生物数学系、生物医学工程系等，学科建设仍在持续发展过程中。在国外，这些高校院系也成为了计算医学的主要研究中心。相较而言，中国除中国科学院外，还没有形成比较集中有影响力的计算医学领域研究中心。尽管各个学校将建立的院系或开设的专业冠以“计算医学”之名，但其研究的内容和侧重点各不相同。IMIT白皮书2021 年 07 月 第 21期计算医学：数智时代的医学发展新范式2( 六 ) 计算医学发展展望计算医学的发展有望实现关于健康、疾病的量化理解，带来医学发展范式的变革，但与主流学术领域相比仍处于边缘的位置。现有的模型对现实情况的模拟仍然是不充分的，找到能够定义虚拟世界与经验世界之间联系的工具，尤其是计算机仿真模型的有效性仍然是困难。随着基因组学、医学成像、诊断技术和转化医学方面的不断发展，人工智能的深度融合，共性服务、共性平台、公共设施的不断完善，将为我们开发癌症、遗传疾病和传染性疾病的诊断工具和新疗法提供可能性。计算医学作为关键的融合手段，将构建人体“数字孪生”，实现精准健康维护，让个性化医疗照进现实。IMIT白皮书2021 年 07 月 第 21期计算医学：数智时代的医学发展新范式3研究简介( 一 ) 研究背景随着基因测序技术、可穿戴设备等新的检测方法和检测工具的不断涌现，医疗健康相关的数据正在指数级增长中。这些复杂数据的处理已经远远超出个人的处理能力，亟需新的方式与手段帮助医生从多维、立体、融合的数据中摸索出规律，从而更精确地进行疾病的诊断和治疗。一种以数据和计算方法为主的计算医学，正受到越来越多的关注。( 二 ) 研究目标了解计算医学的产生背景，明确计算医学的基本定义。了解当前国内外计算医学的发展现状以及主要研究内容的异同点，了解我国在计算医学领域研究上与领先国家的主要差距点。了解计算医学应用的主要方式。通过本期白皮书，帮助读者形成对计算医学的初步认知。( 三 ) 研究方法本研究主要通过对国内外相关文献和资料进行检索和整理归纳，并利用动态科学文献分析 工 具 CiteSpace（CiteSpace 5.8.R1） 对Web of Science 核心合集（1900- 至今）中的计算医学主题的文献数据进行可视化分析，同时对国内有代表性的开展高校专家进行调研，深入了解计算医学学科发展情况与主要研究内容。( 四 ) 机构介绍1. 浙江数字医疗卫生技术研究院浙江数字医疗卫生技术研究院（简称“数研院”，imitTM）是中国首家致力于数字与信息化技术在医疗卫生健康服务领域研发与应用的专业性非营利研究机构（NPO/NGO），院长为杨胜利院士，理事长为李兰娟院士，常务副院长为郑杰先生。数研院聚集众多业内的资深院士和专家学者、全球著名的医疗保健设备厂商、国内外领先的行业软件企业来共同从事该领域的研究开发、顾问咨询、认证评估、国际合作、成果转化等工作，并引领政、产、学、研、用、资六位一体的公益事业公共服务支撑平台，进而营造出可生存可持续发展的数字医疗卫生产业链生态环境。2. 浙江树人大学浙江树人学院（浙江树人大学）创办于 1984年，是一所由浙江省政协举办、省教育厅主管的社会力量办学本科高校。学校现有杭州拱宸桥与绍兴杨汛桥两个校区，教职工 1200人，在校生 1.7 万余人。设有院士领衔的树兰国际医学院等 12 个二级学院，学科涵盖医学、文学、经济学、管理学、理学、法学、工学、艺术学等 8 大学科门类，共有 4 个省一流学科；开设了 50 个本科专业，8 个专科专业，其中1 个国家特色专业，4 个省重点专业，1 个省优势专业，1 个省优势建设专业，4 个省新兴特色建设专业，3 个省特色建设专业。共有教育部白俄罗斯国别与区域研究中心和省现代服务业研究中心 2 个省