全球工程開發(fā)前沿重點(diǎn)解讀

■文/全球工程前沿項(xiàng)目組（中國工程院）

一、基于3D打印的生物組織再生技術(shù)

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生命組織制造及其功能再生成為人類探索的前瞻方向，制造技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)融合正在展示其巨大的科技引領(lǐng)作用和未來產(chǎn)業(yè)價(jià)值。本方向的技術(shù)含義是采用3D打印技術(shù)，按照生物體的結(jié)構(gòu)與功能需要，制造類生命體組織，支撐生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。近期《Science》雜志封面報(bào)道，美國研究團(tuán)隊(duì)提出一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明：一個由水凝膠3D打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程，這就體現(xiàn)了制造技術(shù)向具有呼吸運(yùn)動和傳輸功能的制造技術(shù)發(fā)展的趨勢。以色列科學(xué)家也打印出可以跳動的人工心臟。腦科學(xué)一直是科技研究的熱點(diǎn)，人腦具有非邏輯的思考能力，具有計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的功能，也是人類創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)。通過認(rèn)識腦細(xì)胞間的關(guān)系，進(jìn)而培育和再生腦組織去發(fā)展類腦計(jì)算機(jī)，有望實(shí)現(xiàn)以極低的物質(zhì)代謝成本產(chǎn)生巨大的創(chuàng)新和運(yùn)算能力。本方向的主要研究包括以下技術(shù)方向。①復(fù)雜結(jié)構(gòu)器官的制造：重點(diǎn)解決人體功能性器官的研究，例如心臟組織，解決組織與神經(jīng)信號的協(xié)調(diào)機(jī)制，使構(gòu)建的組織從簡單的力學(xué)支撐組織向具有神經(jīng)調(diào)控的功能組織發(fā)展，進(jìn)而解決3D打印組織與人體宿主組織的融合共生，最終實(shí)現(xiàn)人體器官的再生與功能重建。②類腦組織制造：腦組織中的神經(jīng)元功能與信號發(fā)生和交換是形成思維功能的基礎(chǔ)，其內(nèi)部細(xì)胞的排列及它們在皮質(zhì)各層內(nèi)的類型和密度是大腦皮質(zhì)分區(qū)功能的基礎(chǔ)，從“認(rèn)識腦”到“創(chuàng)造腦”是發(fā)展類腦計(jì)算機(jī)的方向，在體外對腦組織進(jìn)行形態(tài)和功能構(gòu)建取決于對目標(biāo)功能部位所對應(yīng)的神經(jīng)元類型、構(gòu)筑結(jié)構(gòu)及神經(jīng)元組合的仿生設(shè)計(jì)和精確制造，是生物類腦功能3D打印發(fā)展的前瞻性方向。③生物能轉(zhuǎn)化組織：探索人體的能量和電能的形成與釋放機(jī)理，構(gòu)建人工肌肉和生物電池，提供高效率的能量釋放機(jī)制，形成軟體組織的能量轉(zhuǎn)化與釋放器件，發(fā)展更為高效的能量集成與釋放器件。④生物機(jī)械共生體：現(xiàn)有機(jī)器存在著能量轉(zhuǎn)化效率低、靈活性低等局限，用活體肌肉組織或細(xì)胞驅(qū)動的生物共生機(jī)器發(fā)展具有高能量轉(zhuǎn)化效率、本質(zhì)安全性、運(yùn)動靈活性的多自由度柔性類生命機(jī)器人。建立耦合生命體和機(jī)械體的類生命機(jī)器人多細(xì)胞/多材料復(fù)合制造方法，為柔性類生命機(jī)器人提供一種從運(yùn)動功能需求出發(fā)、可重復(fù)、可定制的快速制造新途徑。

生物組織的制造使得人類從木材、金屬、硅材料向生命體材料發(fā)展。在這個過程中需要建立功能引導(dǎo)變革新進(jìn)步的新產(chǎn)品，在研究中圍繞以下方向開展工作。

（1）基于功能的生命體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造。在認(rèn)識生命體自我生長特性的基礎(chǔ)上，發(fā)展基于細(xì)胞/基因尺度的單元原始態(tài)與生長過程的結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)理論。突破現(xiàn)有的以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)功能為主的機(jī)械設(shè)計(jì)理論，向結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、功能共生和演變的設(shè)計(jì)方法發(fā)展。需要認(rèn)識細(xì)胞和基因在其自繁衍和自我復(fù)制過程中的規(guī)律，利用該規(guī)律，設(shè)計(jì)原始狀態(tài)細(xì)胞的組成和結(jié)構(gòu)，使得生命單元生長功能隨時(shí)間和功能的演變在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。具有可降解、工程強(qiáng)度及在一定環(huán)境下可活化、可生長的結(jié)構(gòu)體的材料、制造工藝與工程控制研究。

（2）3D打印的生命單元調(diào)控方法與活性保持。在3D打印中，生命體單元是進(jìn)行組織生長與發(fā)育的基礎(chǔ)，有機(jī)的細(xì)胞或基因的有機(jī)組合是后期功能呈現(xiàn)的核心，制造中需要進(jìn)行單細(xì)胞和基因的微納尺度的生命單元的堆積，需要研究其堆積的原理以及相互間的作用關(guān)系，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞之間的關(guān)系，為生長和功能再生提供三維結(jié)構(gòu)和時(shí)變功能調(diào)控能力。3D打印的最大難點(diǎn)是生命體的應(yīng)用，保證生命體的活性是基本保障，因此，生命體的制造需要與其適應(yīng)的培養(yǎng)環(huán)境，包括培養(yǎng)液的更新、氧氣與二氧化碳等氣氛環(huán)境的調(diào)控，形成生物環(huán)境與打印工藝的復(fù)合。

（3）功能形成機(jī)理與構(gòu)件功能形成。3D打印的初始結(jié)構(gòu)與功能需要在特定環(huán)境下發(fā)展形成最終功能，這其中需要對功能的形成與設(shè)計(jì)制造的關(guān)系進(jìn)行認(rèn)識和發(fā)展。為形成這些功能，需要認(rèn)識功能與多細(xì)胞體系隨時(shí)間發(fā)展而變化的規(guī)律，包括細(xì)胞互聯(lián)和相互作用的關(guān)系，通過細(xì)胞之間的作用，形成的能量（肌細(xì)胞）釋放或者信息（神經(jīng)元）傳遞功能，為利用這些功能向具有多功能的器件發(fā)展提供基礎(chǔ)。

（4）多功能器件或組織的制造與功能評價(jià)。基于以上設(shè)計(jì)、制造和原理的認(rèn)識，以特定的器官或生物器件為目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能生長設(shè)計(jì)，認(rèn)識在生命體單元的發(fā)展中，需要研究調(diào)控3D打印的細(xì)胞或基因組合，控制打印過程中的工藝對生命體的損傷，調(diào)控形成的器官或器件所具有的功能以及在細(xì)胞生長中所進(jìn)行的干預(yù)和導(dǎo)向。需要認(rèn)識3D打印與功能形成的關(guān)系，對功能的評價(jià)和測定，形成生命體單元—功能設(shè)計(jì)—無損傷打印—功能生成的研究體系，為制備具有生命體的器官和器件提供技術(shù)。

（5）類腦的設(shè)計(jì)與制造。人工智能的深度學(xué)習(xí)是按照模型猜想、數(shù)據(jù)訓(xùn)練及不斷的學(xué)習(xí)積累，甚至采用了生物遺傳算法來實(shí)現(xiàn)其功能的，恰如飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了鳥類的飛翔。將來，類腦是采用3D打印方法把生物芯片植入再造的器官或者人造腦中，或者學(xué)習(xí)人腦神經(jīng)元的隨機(jī)互聯(lián)來制造功能強(qiáng)大的生物芯片，或者采用基因手段來完全仿制一個具有生物活性的大腦，實(shí)現(xiàn)人造大腦與人體原器官及若干人造器官的信息收集、決策控制與驅(qū)動等都是有待研究和創(chuàng)新的領(lǐng)域。

“基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿中核心專利公開量排在前三位的國家/地區(qū)分別為中國（143）、美國（28）和韓國（6），篇均被引頻次排在前三位的國家/地區(qū)分別為瑞典（21.5）、美國（3.11）和日本（1.25），見表1。在公開量Top 10國家/地區(qū)中，美國和瑞典，英國和意大利之間存在合作，見圖1。核心專利公開量排在前三位的機(jī)構(gòu)分別為UYXJ（6）、UYQI（5）和UYJI（4），見表2。從目前樣本數(shù)據(jù)看，專利主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)之間基本不存在合作，見圖2。我國公開的與“基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿相關(guān)的核心專利有143項(xiàng)，公開較多的大陸機(jī)構(gòu)為XPCB和USWH。

表1 “基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿中核心專利的主要產(chǎn)出國家/地區(qū)

表2 “基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿中核心專利的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)

圖1 “基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿主要產(chǎn)出國家/地區(qū)間的合作網(wǎng)絡(luò)

圖2 “基于3D打印的生物組織再生技術(shù)”工程開發(fā)前沿主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)

二、毫米波高速通信技術(shù)

毫米波高速通信技術(shù)是指利用毫米波頻段頻譜資源實(shí)現(xiàn)高速信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。毫米波的頻率范圍為26.5～300GHz，對應(yīng)的波長范圍為1～10mm。利用這一頻段豐富的頻譜資源，信息傳輸速率可達(dá)Gbps甚至Tbps量級。一方面，毫米波與太赫茲集成電路的電性能隨著頻率升高而下降，成本隨著頻率升高而升高；另一方面，在相同增益情況下，天線及無源元件尺寸隨著頻率升高而減??；此外，利用空間分割特性，可大幅度提高頻率復(fù)用率。工業(yè)和信息化部已將24.75～27.5GHz和37～42.5GHz這兩個毫米波頻段確定為5G實(shí)驗(yàn)頻段。作為毫米波高速通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)利用大規(guī)模天線陣列調(diào)控電磁波，進(jìn)行波束成形，能夠有效提高系統(tǒng)的通信容量和速率。這也給毫米波通信技術(shù)帶來挑戰(zhàn)，包括：基站和終端架構(gòu)、多通道芯片、器件封裝、系統(tǒng)空口測量（OTA）等。毫米波通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢包括實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)吞吐率、系統(tǒng)一體化集成等。

5G毫米波通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括基站（BS）和核心網(wǎng)（N）。BS主要包括有源陣列天線單元（AAU）和基帶單元（BBU）。其中，AAU通常為天線、射頻與基帶預(yù)處理一體化集成形態(tài)，并采用大規(guī)模MIMO技術(shù)克服較高的路徑損耗，終端主要采用分組相控陣。目前，5G毫米波AAU一般采用較大規(guī)模天線陣列（如256根），用于提高傳輸速率和系統(tǒng)容量，其中多通道、高性能一體化射頻集成技術(shù)被廣泛采用。針對毫米波終端，考慮體積、能耗、成本的約束，架構(gòu)一般采用較小規(guī)模的天線陣列（如4根），且天線和射頻芯片的一體化集成以毫米波前端模組形式出現(xiàn)。毫米波多通道高集成度芯片成為技術(shù)攻關(guān)方向，擬在同一塊芯片上集成多個射頻收發(fā)通道，進(jìn)而減小體積、成本和功耗，由此支持毫米波基站和終端的小型化。為提高毫米波系統(tǒng)性能，對封裝技術(shù)提出嚴(yán)格要求，發(fā)展以封裝天線為代表的先進(jìn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)天線和射頻多通道芯片的一體化集成。此外，高集成度給評估系統(tǒng)性能帶來挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的指標(biāo)測試失效，基于空口的測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)、測量設(shè)備和測量方法正在深入研究。

毫米波高速通信技術(shù)對5G/6G、下一代無線互聯(lián)網(wǎng)、空/天/海/地一體化衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域產(chǎn)生關(guān)鍵使能作用，成為未來電子通訊產(chǎn)業(yè)的核心支撐技術(shù)，也是世界各國長期戰(zhàn)略扶持和重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。全球機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究開發(fā)50GHz以下頻譜資源，主要國家均對頻譜劃分提出相關(guān)建議，正在積極推進(jìn)毫米波通信技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)布局。目前，本方向?qū)＠_量有293項(xiàng)，呈逐年遞增趨勢，美國、中國和日本排列前三位（見表3）。核心專利主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)方面，美國的ITLC、QCOM和日本的MATU排名前三位（見表4）。國家或地區(qū)間合作網(wǎng)絡(luò)（見圖3）集中在中國、美國、俄羅斯、瑞典等。主要機(jī)構(gòu)間的合作并不密切（見圖4）。

綜上，毫米波高速通信技術(shù)在全球逐步形成了包括工藝代工、器件研制、芯片設(shè)計(jì)、封裝測量、系統(tǒng)集成在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。我國已有相關(guān)技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，應(yīng)從戰(zhàn)略高度重視該領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，進(jìn)一步加強(qiáng)整合能力。

三、超精密儀器技術(shù)及智能化

測量儀器一般是指在認(rèn)識世界過程中，為取得目標(biāo)物某些屬性值而進(jìn)行衡量所需要的第三方標(biāo)準(zhǔn)或工具。超精密儀器是指測量儀器中精度水平最高、對科學(xué)前沿研究和技術(shù)前沿開發(fā)起到引領(lǐng)和支撐作用的最尖端儀器。超精密儀器主要技術(shù)方向包括：尖端科學(xué)探索儀器技術(shù)（引力波探測、新原理顯微鏡等）、生產(chǎn)中的工程測量儀器技術(shù)（動態(tài)測量、超精密激光測量、工業(yè)透射測量等）、生物醫(yī)療儀器技術(shù)（高分辨率生物顯微鏡、冷凍電鏡等）、計(jì)量及測量基標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)等。隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)興起，超精密儀器技術(shù)在進(jìn)一步提升測量精度和多參量同時(shí)測量基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)集成化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢。

超精密儀器技術(shù)是指測量儀器中精度最高、能力最強(qiáng)、對科學(xué)前沿研究和技術(shù)前沿開發(fā)起到引領(lǐng)和支撐作用的一類高精尖儀器技術(shù)。一個國家儀器技術(shù)的發(fā)展水平往往標(biāo)志著這個國家的創(chuàng)新能力、科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平及核心競爭能力。世界科技強(qiáng)國都是儀器強(qiáng)國。超精密儀器技術(shù)是構(gòu)建國家測量體系、引領(lǐng)科學(xué)探索、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的必備手段，也是支撐精準(zhǔn)醫(yī)療和高端裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展不可或缺的手段。

表3 “毫米波高速通信技術(shù)”核心專利主要產(chǎn)出國家/地區(qū)

表4 “毫米波高速通信技術(shù)”核心專利主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)

圖3 “ 毫米波高速通信技術(shù)”主要國家/地區(qū)間合作網(wǎng)絡(luò)

圖4 “毫米波高速通信技術(shù)”主要機(jī)構(gòu)間合作網(wǎng)絡(luò)

超精密儀器一直引領(lǐng)著世界科學(xué)探索和尖端工業(yè)的發(fā)展。截至2018年，諾貝爾獎總數(shù)為374項(xiàng)，其中約72%的物理學(xué)獎、81%的化學(xué)獎、95%的生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎都是借助相關(guān)尖端儀器完成的。超精密儀器呈現(xiàn)精密化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等發(fā)展趨勢。

（1）新原理儀器的研發(fā)。不斷提高儀器精度是儀器科學(xué)追求的永恒目標(biāo)，基于新原理的儀器研發(fā)是未來儀器精度水平進(jìn)步的關(guān)鍵，不僅能夠提升現(xiàn)有測量參量的精度水平，亦可實(shí)現(xiàn)對新參量的測量。例如，掃描隧道顯微鏡的發(fā)明使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，使測量分辨率提升到原子級水平，對表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)領(lǐng)域研究起到重大推動作用。當(dāng)前新原理超精密儀器不斷被開發(fā)，如X射線三維顯微鏡，可在不破壞檢測對象的情況下，實(shí)現(xiàn)對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率成像；掃描電子顯微鏡也出現(xiàn)高通量化、飛秒級超快時(shí)間分辨率、原位觀測等趨勢。

（2）計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)趨向量子化。復(fù)現(xiàn)和保存國際單位制SI中基本單位的經(jīng)典方法是使用實(shí)物基準(zhǔn)，而實(shí)物基準(zhǔn)具有穩(wěn)定性不高、難以準(zhǔn)確復(fù)制等缺點(diǎn)。量子化計(jì)量基準(zhǔn)具有小型化和芯片化的優(yōu)勢，可以直接嵌入超精密儀器與裝備中，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，使儀器與裝備的精度水平達(dá)到最優(yōu)，顯著提高裝備制造效率。未來發(fā)展重點(diǎn)方向還包括對基本物理常數(shù)（如牛頓萬有引力常數(shù)、普朗克常數(shù)、阿伏加德羅常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)等）和基本物理量（如質(zhì)量、電壓、電流等）的更高精度計(jì)量。

（3）測量儀器朝著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。隨著人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈的日趨完善，儀器技術(shù)的未來發(fā)展將從功能化向智能化方向轉(zhuǎn)變，從單一參數(shù)測量儀器向復(fù)合式多參數(shù)測量儀器轉(zhuǎn)變。這些新型智能化超精密儀器將在宇宙開發(fā)、深海探測、環(huán)境監(jiān)測以及生物工程眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本方向核心專利共有186項(xiàng)（見表5），中國、日本和中國臺灣排名前三位。從核心專利主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)（見表6）來看，排名前三的機(jī)構(gòu)為CNNU、BEIT、CHAV。主要國家或地區(qū)間研究相對獨(dú)立（見圖5），主要機(jī)構(gòu)間合作關(guān)系不夠密切（見圖6）。

表5 “超精密儀器技術(shù)及智能化”核心專利主要產(chǎn)出國家/地區(qū)

表6 “超精密儀器技術(shù)及智能化”核心專利主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)

圖5 “超精密儀器技術(shù)及智能化”主要國家/地區(qū)間合作網(wǎng)絡(luò)

圖6 “超精密儀器技術(shù)及智能化”主要機(jī)構(gòu)間合作網(wǎng)絡(luò)

四、智能輔助診斷技術(shù)

智能輔助診斷是指由計(jì)算機(jī)在臨床診斷中提供輔助病情分析，幫助醫(yī)生更充分地利用多方面信息，提升診斷質(zhì)量和診療效率。智能輔助診斷技術(shù)的應(yīng)用不僅可以緩解當(dāng)前醫(yī)療資源的不足，而且還會有力地推動醫(yī)療體系改革，有助于醫(yī)療領(lǐng)域逐步形成新的戰(zhàn)略性新型業(yè)態(tài)。智能輔助診斷技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代后期，主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：首先是以知識工程為主的醫(yī)療知識梳理、構(gòu)建與積累階段；然后是以集傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)與特征工程于一體的淺層語義學(xué)習(xí)與推理的發(fā)展階段；第三階段是以海量醫(yī)療數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)方法為典型特征的醫(yī)療診斷決策推理自主學(xué)習(xí)。目前智能輔助診斷技術(shù)正處于由第二向第三階段跨越發(fā)展時(shí)期。

智能輔助診斷技術(shù)研發(fā)擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括：醫(yī)療知識的表征學(xué)習(xí)問題、基于診療思路的復(fù)雜推理模型構(gòu)建問題、智能輔助診斷結(jié)果的泛化問題以及智能診斷模型的生物學(xué)可解釋性問題等。近年來，世界各國在醫(yī)學(xué)人工智能領(lǐng)域的投資呈現(xiàn)出快速上漲的態(tài)勢，國內(nèi)的智能輔助診斷相關(guān)行業(yè)也迅速崛起，2017年行業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到130億元以上，增長40.7%；2018年有望突破200億元。目前國內(nèi)外科技巨頭都加緊在智能輔助診斷技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行布局，以IBM、谷歌和西門子為代表的國外科技公司在智能輔助診斷領(lǐng)域深耕多年，積累了大量的發(fā)明專利，形成了一定的技術(shù)壁壘；國內(nèi)的騰訊、聯(lián)影智能、科大訊飛等高技術(shù)企業(yè)近幾年也在多個關(guān)鍵方向上取得了重要突破，逐步形成了適應(yīng)我國國情的智能輔助診斷技術(shù)的發(fā)展道路。

2013—2018年，從“智能輔助診斷技術(shù)”前沿發(fā)明專利的申請情況來看，美國、中國和日本占據(jù)了專利申請量的前3名，其中中國申請的專利占比達(dá)到了25.01%，是該工程開發(fā)前沿的重點(diǎn)布局國家之一，但平均被引頻次僅為0.93，遠(yuǎn)低于美日等發(fā)達(dá)國家，反映出我國的專利質(zhì)量和基礎(chǔ)研究尚待進(jìn)一步提升。目前智能輔助診斷技術(shù)發(fā)展主要包括以下幾個熱點(diǎn)方向。①面向醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)底層數(shù)學(xué)模型：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型是建立智能輔助診斷技術(shù)的基礎(chǔ)，醫(yī)療數(shù)據(jù)所描述的分子、細(xì)胞、組織、器官通常具有多維度屬性，研究深度學(xué)習(xí)底層數(shù)據(jù)模型可以作為一個接口把多維度的數(shù)據(jù)連接起來，進(jìn)而揭示數(shù)據(jù)的本質(zhì)屬性以及背后的邏輯關(guān)系。②影像組學(xué)智能分析：利用人工智能技術(shù)，全方位處理X射線、CT、核磁共振、正電子斷層掃描、超聲、病理等全模態(tài)的影像數(shù)據(jù)，為醫(yī)生提供全棧式的智能輔助決策，從而有效提高醫(yī)生診療效率和診斷精度。③基因組學(xué)智能診斷：利用智能分析方法解碼癌癥等重大疾病背后的基因信息，通過開發(fā)基于人工智能的輔助決策系統(tǒng)，從海量基因數(shù)據(jù)中分析出癌細(xì)胞的生物標(biāo)記物，進(jìn)而對癌細(xì)胞在體內(nèi)的活動進(jìn)行跟蹤和預(yù)測。④體征監(jiān)測及智能分析：將智能分析算法集成到隨身穿戴設(shè)備的持續(xù)、即時(shí)和跟蹤監(jiān)測中，構(gòu)建深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型對心電圖、連續(xù)血糖等體征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不僅可以在第一時(shí)間對潛在的疾病進(jìn)行預(yù)警，而且還能夠?yàn)楹罄m(xù)的診斷提供重要的參考依據(jù)。⑤臨床數(shù)據(jù)智能輔助決策：開發(fā)基于人工智能的臨床數(shù)據(jù)管理平臺，將臨床數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、模型化，并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘等智能分析方法，監(jiān)控臨床治療體征，評估診斷方法，可視化數(shù)據(jù)結(jié)果，從而將臨床決策規(guī)劃嵌入到臨床治療過程中，進(jìn)而指導(dǎo)醫(yī)生的醫(yī)療行為。⑥智能輔診自然語言處理：主要研究人工智能技術(shù)處理及運(yùn)用自然語言，為患者進(jìn)行癥狀分析，并提供就診建議、導(dǎo)診和導(dǎo)醫(yī)決策、電子病歷的錄入等個性化的醫(yī)療服務(wù)，從而提升就診效率、提高病歷質(zhì)量。⑦醫(yī)學(xué)人工智能專用芯片：醫(yī)學(xué)人工智能專用芯片是智能輔助診斷技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的算力保障，不僅需要適應(yīng)專業(yè)醫(yī)療場景下對實(shí)時(shí)性的要求，而且還需要充分支持醫(yī)學(xué)診斷所涉及的各型深度學(xué)習(xí)算法的加速與優(yōu)化，從而提供更加快速、更加準(zhǔn)確的醫(yī)學(xué)診斷。⑧醫(yī)療輔助機(jī)器人：這是一個交叉領(lǐng)域，不僅涉及智能輔助診斷技術(shù)，包括對病灶的自動識別、診斷和決策，而且還涉及機(jī)器人、生物材料以及無線傳輸?shù)雀呔饧夹g(shù)，通過這些技術(shù)的有機(jī)融合，推動膠囊機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人等高端醫(yī)療裝備的升級發(fā)展。隨著人工智能的迅速發(fā)展，人工智能在醫(yī)療場景中的技術(shù)積累愈發(fā)成熟，智能輔助診斷作為這一領(lǐng)域的典型技術(shù)受到了國際社會的廣泛關(guān)注。尤其在我國，由于具有醫(yī)療大數(shù)據(jù)的獨(dú)特優(yōu)勢，為智能輔助診斷技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。然而，各個醫(yī)院之間由于存在信息系統(tǒng)不匹配，導(dǎo)致“信息孤島”現(xiàn)象非常明顯，與此同時(shí)醫(yī)療數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化嚴(yán)重不足造成了有用的醫(yī)療數(shù)據(jù)非常匱乏，這些現(xiàn)狀都嚴(yán)重制約了智能輔助診斷技術(shù)的發(fā)展。雖然目前已開發(fā)的面向各種疾病的智能輔助診斷系統(tǒng)都宣稱具有較高的診斷精度，但是距離實(shí)際應(yīng)用還存在一定差距。各企業(yè)或高校、科研院所在開發(fā)智能診斷模型時(shí)都是建立在自備的有限數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上，而實(shí)際應(yīng)用場景往往更加復(fù)雜，因此在未得到大規(guī)模臨床檢驗(yàn)證實(shí)之前均無實(shí)用價(jià)值可言。但隨著業(yè)界與醫(yī)院合作的日趨緊密，未來有望建立多中心的智能輔助診斷臨床驗(yàn)證開放平臺，將會為智能輔助診斷技術(shù)的臨床應(yīng)用創(chuàng)建有利的條件。另一方面，智能輔助診斷技術(shù)對醫(yī)療責(zé)任的辨識帶來諸多障礙，特別是在判定醫(yī)療過失中的責(zé)任范圍，需要完善智能輔助診斷相關(guān)的法律法規(guī)，明確醫(yī)療責(zé)任主體，清晰權(quán)責(zé)范圍。當(dāng)前，我國借助對人工智能國家級開放平臺的建立匯聚了眾多醫(yī)學(xué)人工智能領(lǐng)域的高端人才，加快推進(jìn)智能輔助診斷技術(shù)朝著更深層次的跨學(xué)科方向發(fā)展，努力應(yīng)對未來的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“智能輔助診斷技術(shù)”工程開發(fā)前沿的專利排名前三的國家為美國、中國和日本，其中中國作者申請的專利占比達(dá)到了25.01%，在專利數(shù)量方面僅次于美國，是該工程開發(fā)前沿的重點(diǎn)布局國家之一，但平均被引頻次僅為0.93（見表7），遠(yuǎn)低于其他國家，證明專利質(zhì)量尚待提升。從專利產(chǎn)出的國家之間的合作網(wǎng)絡(luò)（見圖7）來看，美國和德國、加拿大合作較為密切。專利產(chǎn)出排名前三的機(jī)構(gòu)分別是美國火山公司（Volcano Corporation），美國國際商業(yè)機(jī)器公司（International Business Machines Corporation）和德國西門子公司（SIEMENS AG）（見表8）。從主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)（見圖8）來看，西門子公司（SIEMENS AG）和Cerner創(chuàng)新公司（Cerner Innovation Inc.）之間存在合作關(guān)系。

表7 “智能輔助診斷技術(shù)”工程開發(fā)前沿中專利的主要產(chǎn)出國家或地區(qū)

表8 “智能輔助診斷技術(shù)”工程開發(fā)前沿中專利的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)

圖7 “智能輔助診斷技術(shù)”工程開發(fā)前沿主要國家或地區(qū)間的合作網(wǎng)絡(luò)

圖8 “智能輔助診斷技術(shù)”工程開發(fā)前沿主要機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)