スマート医療診断を理解するためのレポート：AIエンパワーメントと分子診断の自動化

分子診断のミッドストリーム市場は、機器メーカーや試薬メーカーによって占められています。現在の分子診断関連の機器は、主に核酸診断技術とバイオチップ技術の2つのカテゴリに分かれています。前者は主に生物学的核酸分子の抽出と定量分析に焦点を当てており、その細分化にはポリメラーゼ連鎖反応、蛍光in situハイブリダイゼーション技術、遺伝子配列決定技術が含まれます。後者は主に遺伝子チップ技術とタンパク質チップ技術に分けられます。現在主流となっている核酸抽出装置やPCR増幅器などの分子診断機器では、人工知能技術の登場により、主にプロセスの自動化、インテリジェントなプロセス条件制御、正確な結果分析の面で、分子診断関連機器の機能がさらに強化されました。本レポートでは、分子診断関連機器における人工知能技術の応用と機器性能の向上について議論します。

1. 分子診断機器市場の現状の簡単な紹介

分子診断の市場シェアは近年徐々に増加しており、具体的には上流、中流、下流の3つのレベルの市場に分かれています。上流市場は、さまざまな生物学的酵素、ペプチド、生物学的指標などの診断原材料の提供に重点を置いています。中流市場には、試薬と機器のプロバイダーのほとんどが含まれます。下流市場は、教育機関と医療機関向けの実験室分析サービスに集中しています。米国の分子診断市場の統計によると、試薬と機器の中流市場が市場で最大のシェアを占めています。しかし、わが国の分子診断市場の発展は比較的不均一です。試薬市場は急速に発展し、2012年の市場シェアは72%でした。一方、機器市場は比較的小さな割合を占め、2012年の市場シェアは45%未満ですが、売上成長率は安定しています。現在、中国の人工知能技術は世界をリードするレベルに達しており、人工知能技術の統合は中国の計測器メーカーが市場を獲得することを促進する可能性がある。

2. 分子診断機器向け人工知能技術

モノのインターネット技術:主に、分子診断機器が情報伝達媒体を通じて情報を交換および通信できるようにするための情報センシングデバイスの使用を指します。実験プロセスをコンピューターで設計することで、機器のハードウェアのインテリジェントな制御を実現できます。センサー技術を使用することで、遠心速度、温度などの機器内の環境要因の状態をリアルタイムで正確に監視し、機器の動作状態を記録して科学的にリアルタイムで制御できます。

ロボット工学:ロボットはタスクを実行する物理的なエージェントであり、固定ロボットと移動ロボットに分けられます。固定ロボットの動きには通常、一連の制御可能なジョイントが関係します。固定ロボットは、ロボット アームや機械式ピペットなどの分子標的機器の設計に大きな可能性を秘めています。

センサー技術:センサーとは、特定の量を感知し、一定の規則に従って使用可能な出力信号に変換できるデバイスまたは機器の総称です。分子診断関連機器では、センサの測定量は一般に遠心分離速度、温度などの非電気的な物理量であり、出力信号は一般に電気量である。機器内の物理的状態を測定し、電気信号を制御装置に送り返すことで、機器内の物理的状態をインテリジェントに制御できます。

ビッグデータ テクノロジー:ビッグデータとは、既存のデータベース ツールが取得、保存、管理、分析できる能力を超える大規模なデータ セットを指します。ビッグデータ技術は、主に大規模な遺伝子データセットの遺伝子配列解析において、分子診断の分野で広く使用されています。

ニューラル ネットワーク:ニューラル ネットワークは、人工知能におけるディープラーニングの重要なアルゴリズムの 1 つであり、多くの属性予測に使用されます。遺伝子シーケンサーに付属するシーケンシングソフトウェアに関しては、ニューラルネットワークベースの塩基認識アルゴリズムが現段階で実装されており、時系列信号は再帰型ニューラルネットワーク（RNN）ディープラーニング手法によって処理されます。

3. 分子診断機器市場における人工知能の応用分布

IV. 分子診断機器分野における人工知能技術の応用事例

LANCE： IoT技術とプロセス編集を活用し、精密な動作制御と完全自動化プロセスを実現する核酸抽出装置MGX-1600を開発しました。検体抽出用の試薬が独立して包装されているため、手動で検体を追加する操作のみが必要で、その後の抽出および精製プロセスは機器によって自動的に完了し、抽出プロセスに必要な実際のプロセスを追加する必要がありません。

zybio:ガス置換ピペッティングロボットアームを内蔵し、精密なマイクロピペッティングと最大0.1μLの分解能を備えた全自動核酸抽出装置exm9600を開発しました。ロボットアームを使用して核酸の抽出を完了し、交差感染のない無菌操作プロセスを実現します。この機器は、オペレーターの労働強度を大幅に軽減し、手動操作中のエラーや感染を減らし、生物学的調製プロセスの安全性と有効性を高め、核酸抽出の自動化プロセスを加速します。

上海雷康： GM05インテリジェント勾配遺伝子増幅装置（温度コントローラ）PCRを開発し、モノのインターネット技術を使用してネットワークの拡張と拡大を実現しました。 1台のホストコンピューター（PC）をホストとして、最大200台のスレーブコンピューター（GM05インテリジェント勾配遺伝子増幅装置/温度コントローラ）を接続し、複数の装置を同時にインテリジェント温度制御できます。

Qitan Technology：ナノポア遺伝子シーケンサーソフトウェアの計算能力を向上させるために、ニューラルネットワークベースの塩基認識アルゴリズムを開発しました。時系列信号は再帰ニューラルネットワーク（RNN）ディープラーニング方式で処理され、シーケンシング精度は90％以上に達しました。最小限の実行可能な製品は 2019 年末に発売され、384 チャネルの並列シーケンス、10K を超える単一分子読み取り長、90% を超えるシーケンス精度、およびシーケンス結果のリアルタイム出力を実現しました。

Nanoporetech: MinION 遺伝子シーケンサーの開発。この装置による遺伝子シーケンシングは、ナノポア膜を通過する個々の DNA 分子の流速の変化を識別することによって実現され、一度に 100 万個の DNA 文字を読み取ることができます。

5. 分子診断機器市場におけるAIアプリケーションの限界

現在、分子診断機器における人工知能技術の応用は比較的単純で、そのほとんどはモノのインターネットとセンサー技術を利用してプロセスの自動化とインテリジェントな状態制御を実現することに集中しており、ビッグデータ技術とクラウドコンピューティングに基づくコンピューティングの利点、ディープラーニングなどの複雑なニューラルネットワーク構造に基づく分析の利点、既存の結果を使用して自己最適化する機械学習/自己学習の利点など、人工知能技術のより深い利点を実際に発揮していません。

分子診断機器の機能向上に人工知能技術を応用する市場コストは高く、分子診断機器は一般的に高価で、耐用年数も通常5～10年程度と長い。陳腐化の速度が技術進歩のスピードに追いつけず、人工知能技術を統合した機器の開発と販売にかかるコストが過度に高くなる。

6. 分子診断機器市場における人工知能応用の開発動向

核酸製品の抽出結果はより純粋です: インテリジェントな条件制御と自動プロセス編集により、機器操作のための密閉された無公害環境が作られます。核酸抽出でも遺伝子増幅でも、機器製品の純度はより高くなります。

分子診断機器の実験結果はより高い再現性を持っています。モノのインターネット技術とセンサー技術、およびロボット技術による人間の操作の置き換えにより、機器の自動化度が高まり、無人機器の操作効率が効果的に向上し、短時間で高スループットの操作が実現します。同時に、手動操作の割合が低くなり、人間の操作の違いによる結果の偏差を効果的に減らすことができます。