精准赋能医疗 测量守护健康

来源:上海国际人类表型组研究院 发布时间:2021-05-20

门捷列夫曾说过:“没有测量,就没有科学”。生命科学与生物医学的创新突破同样与精准的测量息息相关。5月20日,我们将迎来第22个“世界计量日”。今年计量日的主题是“测量守护健康”。人类表型组大科学计划,致力于通过把人体各尺度表型测得更全、测得更精、测得更深,助力破解健康密码,为探索人体小宇宙绘制下一代“导航图”。

计量技术创新:生物医药与大健康产业转型升级的利器

量值定义世界,精准改变未来。一个国家的测量能力和水平在很大程度上反映并决定本国科技、经济、社会发展的实际状况和能力,是本国工业核心竞争力和制造业水平的重要标志。

计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。回顾计量的发展历程,分为3个阶段。古典阶段,在农牧业和手工业社会背景下,作为最高依据的计量基准,多用身体的某一部分、动物的丝毛或某种能力、植物果实、乐器以及物品等。经典阶段,在资产阶段革命和工业革命的社会背景下,计量进入了以科学为基础的发展阶段,这个时期的计量基准都是在经典物理理论指导下的宏观器具或现象。现代阶段,二战后技术日新月异,标志是由经典理论为基础转为量子理论为基础,由宏观实物基准转为微观量子基准,实现了7个基本单位全部由基本物理常数定义。新量子化定义已于2019年正式生效,人类也随之迎来全新的国际单位制量子化新时代。

作为国家核心竞争力的重要标志之一,计量是科学技术的基础、社会进步的基石、公平贸易的依据,更是国家质量基础设施(NQI)的重要组成部分。当前,新一轮产业变革为计量技术大规模创新升级与广泛应用提供了前所未有的广阔舞台。而新冠肺炎全球大流行的背景,既为大健康产业的发展提供了大量新的测量与计量创新需求,也给生物医学与健康领域计量提出了新任务和新挑战。

生物工程、云计算、大数据等方面的发展,迫切需要计量在测量精度、测量方式和测量数据等方面不断提供更加精准、更加快速、更加广泛的量值溯源服务。在医疗传感技术、远程测试、可穿戴智能产品等方面,需要尽快建立和完善相关的测量技术和溯源方法,为其提供更加柔性、更加个性的服务。医疗器械和诊断设备的研发和生产,迫切需要计量从质量技术基础的角度,为其提供“全生命周期、全产业链、全溯源链、全系统”的计量测试技术服务。

人体精密测量:人类表型组计划的关键“主攻方向”

2021年5月11日,第二届全国产业计量(上海)大会在张江科学城举行。大会上,各界专家学者高度认同计量创新对经济社会发展的基础性和公共性作用。大会指出,全力推进产业计量工作创新发展,要同步加强技术创新、改革创新、协同创新,加强计量科研成果转化应用和技术对接。大会开幕式上,中国科学院院士、复旦大学常务副校长、复旦大学上海医学院院长、上海国际人类表型组研究院院长、人类表型组研究国际协作组共同发起人——金力教授发表了题为《国际人类表型组计划及人体精密测量》的主旨演讲:

人体特征即是表型。生物体从胚胎发育到出生、成长、衰老乃至死亡过程中,形态特征、功能、行为、分子组成规律等生物、物理和化学性状的集合,即是表型组。科学界认为,基因和环境互相作用决定人体表型。

众多专家研判,人类表型组将接棒人类基因组,成为后基因组时代的战略制高点。精密测量人体表型,全景解析人类表型组,将系统解构表型之间强关联,构建表型网络,打通宏观表型与微观表型间多维度、跨尺度关联,明确表型间跨尺度关联,是解析生命科技的重要线索,推动人类真正实现精准健康管理。人体多维度、跨尺度、高精度全面测量,将绘制大数据时代的生命科学“导航图”,探索人体小宇宙,为人类健康保驾护航。

我国率先启动人类表型组研究计划,系统布局人类表型组研究。上海市科技创新“十三五”规划将“国际人类表型组”列为推进原始创新重大突破的战略方向。2017年12月,复旦大学牵头申请的“国际人类表型组计划(一期)”项目被批准获得上海市首批市级科技重大专项资助。该项目包含 20,000多个检测指标的自然人群表型测量已经开始,计划在上海实现示范人群 1,000人全景测量,10,000 人应用示范测量。

作为生命科学研究新范式,人类表型组研究必将通过策动原始创新、支撑精准医学、引领国际合作及激发产业变革等多方面引领新一轮生命科学与生物产业革命。

计量技术应用于人类表型测量的基础科学研究,在人体精密测量过程中发挥着重要的支撑和保障作用,主要涉及以下几个方面:

——标准物质研制。人源基因组标准物质就是一把衡量基因序列检测准确与否的“标尺”,是人体基因组准确测序的重要原始“靶标”之一。有了它,极大程度地提升了人体精密测量的溯源性。

——影像诊断测试。计量技术应用于人体精密测量的影像诊断,保证了测量时的高准确率、高灵敏度和高分辨率,为精准的定性分析和定量分析奠定了基础。

——测量数据管理。计量技术提升了人体精密测试数据的“准确性、溯源性、一致性”,确保了在测试、采集、传输、监控等过程中数据传递的可靠性和可比性。

——传感技术优化。计量技术优化了人体精密测量方法,通过“精准人体定位”、“高灵敏数据采集”的传感技术,提升了表型数据采集的效率和精准度。

——计量规范制定。计量规范确保了人体精密测量设备的规范化和系统化管理,为了人体精密测量设备提供了量值溯源的检定和校准依据,有效支撑政府对测量设备的监管工作。

面向未来,计量创新如何赋能生命科学高质量发展?

1. 标准物质提升溯源性 构建人体精密测量“标尺”

人体基因经过高通量测序数据和相关生物信息数据分析后,可为临床医学专家判断这个人健康与否提供检测科学数据。作为衡量基因序列检测准确与否的溯源手段,人源基因组标准物质的研制,是人体精密测量以及基因测序技术溯源途径的重大突破。

中华家系1号基因组标准物质的研制,有助于实验室过程管理,有效提升了人体精密测量质量控制水平;有助于实验室质量认证,提供高质量参比技术服务;有助于我国建设国际一流水平的基因蛋白细胞标准体系,夯实医疗计量和质量控制创新基础,为国家生物产业发展,创造更多生物标准财富,造富国家和人民健康。

2. 计量定性定量影像诊断 把疾病征兆看得“既准又早”

现代医学离不开先进的影像医学,通过计量技术的应用持续提高了影像表型测量精度与深度,尤其是在获取解剖结构信息时,能够“看得清”、“看得准”、“看得早”,从而获取生化机理机制。

目前,影像诊断技术的发展方向为围绕临床医学诊断的需求,动态数字补偿、图像精准配准等核心技术,通过计量技术的应用提升,促进了影像诊断技术的高时间、空间分辨率,带来更高的敏感度定性定量诊断。

3. 计量测试服务大数据 打造健康密码“接力棒”

正在运行的世界首个跨尺度多维度人类表型组测量(数据采集)平台, 覆盖了人体精密测量的各个分领域和表型词条。通过对测量数据质控方法研究,并在数据溯源、数据安全、存证留痕等技术领域进行融合创新,提升了人体精密测试数据的“准确性、溯源性、一致性”,确保了在测试、采集、传输、监控等过程中数据传递的可靠性。

4. 计量优化传感技术 提升人体精密测量“智能”

目前市场应用中的脉诊仪器功能单一,需医护人员大量辅助操作,缺少客观性,且容易引入大量人为干扰;另一方面,目前仪器的采集过程复杂,导致数据记录不充分、数据难以统一,并进一步导致中医脉诊信息的移植和共享困难。

利用全流程自动化的智能装备进行脉象数字化信息采集,实现了在固定时间内,通过智能中医装置与设备实现自动化、无差异的采集测试者腕部桡动脉的脉象信号,充分利用计量技术使中医表型测量传感技术更加客观化、标准化、精细化、人性化,提升了人体精密测量的“智能”。

5. 计量规范提升装备要求 强化人体健康“屏障”

计量规范确保了人体精密测量装备的规范化和系统化管理,目前已围绕“听”、“说”、“看”等系列功能表型开展了人体精密测量装备规范的研制工作,强化了人体健康的“屏障”。

——《测听室声学特性校准规范》

测听室用于气导测听、骨导测听或者声场测听,在常规的听力体检、筛查和临床治疗中都有着重要作用。新修订的校准规范增加了测听室的隔声性能校准,保证测听室可以适应不同时间段不同使用场合的外部声场环境,计量校准的结果具有准确可靠、等效可比性,从而更加全面地评估测听室的声学性能。

——《对讲系统全程语音特性测量仪校准规范》

对讲系统全程语音特性测量仪基于ITU提出的全程响度评定值(OLR)数学模型,可以直观反映人耳的主观感受。人耳的听音感受是一个动态的过程,而传统的测试是静态测试。本项目采用全程语音特性动态化校准测量方法,具有国际领先水平,为人体精密测量保驾护航。

——《非接触式眼压计型式评价大纲》

非接触式眼压计是一种测量眼压的仪器,可辅助诊断白内障,青光眼等眼疾。该大纲的制定实现了非接触式眼压计的量值溯源,有效提升了该类产品的检测能力和数据准确度,使检测水平与国际有效接轨,有效促进医疗使用中眼压计的检定工作,支撑政府对医疗计量器具的强制监管工作,保障人类表型领域眼压量值的准确可靠。

计量这把神奇的“尺子”,将通过构建人体精密测量大健康产业先进测量体系,更加精准地感知动态世界变化,服务未来生物产业与大健康产业发展需求,为守护人类健康“保驾护航”!

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