分子診斷的中游市場(chǎng)由儀器或試劑生產(chǎn)商占據(jù)，目前的分子診斷相關(guān)儀器主要服務(wù)于核酸診斷技術(shù)及生物芯片技術(shù)兩大類。前者主要針對(duì)生物核酸分子的提取和定量分析，細(xì)分包括聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，熒光原位雜交技術(shù)，基因測(cè)序技術(shù)。后者則主要細(xì)分為基因芯片和蛋白芯片技術(shù)。針對(duì)核酸提取儀、PCR 擴(kuò)增儀等當(dāng)前主流分子診斷儀器，人工智能技術(shù)的出現(xiàn)讓分子診斷相關(guān)儀器的功能性再次增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在流程自動(dòng)化、過(guò)程條件控制智能化、以及結(jié)果分析精確化。報(bào)告將討論人工智能技術(shù)在分子診斷相關(guān)儀器中的應(yīng)用，及對(duì)儀器性能的提升。

一、分子診斷儀器市場(chǎng)現(xiàn)狀簡(jiǎn)述

分子診斷近年來(lái)其市場(chǎng)份額逐漸增大，具體細(xì)分為上、中、下游三級(jí)市場(chǎng)：上游市場(chǎng)關(guān)注于診斷原材料的提供，包括各種生物酶、多肽、生物指針等；而中游市場(chǎng)囊括了大部分的試劑和儀器的提供方；下游市場(chǎng)集中于教育機(jī)構(gòu)及醫(yī)療機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室分析服務(wù)。從美國(guó)分子診斷市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)來(lái)看，針對(duì)于試劑及儀器的中游市場(chǎng)是占有最大比例的市場(chǎng)份額。而我國(guó)的分子診斷市場(chǎng)發(fā)展相對(duì)不均：試劑市場(chǎng)發(fā)展迅速，2012年市場(chǎng)占有率已高達(dá)72%；而儀器市場(chǎng)雖占比較小，2012年市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)占比僅不足45%，但銷售增速穩(wěn)定。目前，中國(guó)人工智能技術(shù)已達(dá)世界領(lǐng)先水平，通過(guò)人工智能技術(shù)的融入，或?qū)⑼苿?dòng)中國(guó)儀器制造商對(duì)市場(chǎng)的搶占。

二、分子診斷儀器的人工智能技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：主要是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分子診斷儀器通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信。通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，實(shí)現(xiàn)儀器硬件的智能化控制；利用傳感器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)儀器中環(huán)境因素狀態(tài)，如離心轉(zhuǎn)速、溫度等，對(duì)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄及科學(xué)控制。

機(jī)器人技術(shù)：機(jī)器人作為執(zhí)行任務(wù)的物理代理，分為固定機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人。固定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)通常涉及一系列可控關(guān)節(jié)，在分子針對(duì)儀器設(shè)計(jì)中，固定機(jī)器人有更大的潛力，例如機(jī)械臂或機(jī)械移液器等應(yīng)用。

傳感器技術(shù)：傳感器是指能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱。在分子診斷相關(guān)儀器中，傳感器的被測(cè)量一般為非電物理量，例如離心轉(zhuǎn)速、溫度等，輸出信號(hào)一般為電量。通過(guò)對(duì)儀器內(nèi)物理?xiàng)l件的測(cè)量，并將電信號(hào)傳輸回控制裝置，能夠?qū)x器內(nèi)的物理?xiàng)l件實(shí)現(xiàn)智能控制。

大數(shù)據(jù)技術(shù)：大數(shù)據(jù)指的是規(guī)模超過(guò)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)工具獲取、存儲(chǔ)、管理、和分析能力的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)技術(shù)在分子診斷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于基因大數(shù)據(jù)集基因測(cè)序分析方面。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network）屬于人工智能深度學(xué)習(xí)的重要算法之一，被用于許多屬性預(yù)測(cè)。在基因測(cè)序儀配套的測(cè)序軟件方面，現(xiàn)階段已推行基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的堿基識(shí)別算法，通過(guò)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)深度學(xué)習(xí)方法處理時(shí)間序列信號(hào)。

三、人工智能在分子診斷儀器市場(chǎng)的應(yīng)用分布

四、人工智能技術(shù)在分子診斷儀器領(lǐng)域的應(yīng)用案例

朗斯：開(kāi)發(fā)核酸提取儀MGX-1600，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和流程編輯，實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)控制和全自動(dòng)化流程。配合提取標(biāo)本的獨(dú)立分裝試劑，只需要人為操作加入標(biāo)本的動(dòng)作，之后的提取純化過(guò)程全由儀器自動(dòng)完成，不需要加入提取過(guò)程中所需要的實(shí)際過(guò)程。

zybio：開(kāi)發(fā)exm9600全自動(dòng)核酸提取儀，安裝內(nèi)置氣體置換式移液機(jī)械臂，精準(zhǔn)微量移液，分辨率可達(dá)0.1μL。利用機(jī)械臂完成核酸的提取動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)無(wú)交叉感染、無(wú)菌的操作過(guò)程。該儀器大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了人工操作過(guò)程中的失誤和感染,增強(qiáng)了生物制備過(guò)程的安全性、有效性,加快了核酸提取的自動(dòng)化進(jìn)程。

上海雷康：開(kāi)發(fā)GM05智能梯度基因擴(kuò)增儀(控溫儀）PCR，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的延伸與拓展，以一臺(tái)上位機(jī)（PC）為主機(jī)，可連接多達(dá)200臺(tái)下位機(jī)（GM05智能梯度基因擴(kuò)增儀/控溫儀），同時(shí)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器的智能溫控。

齊碳科技：為提升納米孔基因測(cè)序儀軟件計(jì)算能力開(kāi)發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的堿基識(shí)別算法，通過(guò)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)深度學(xué)習(xí)方法處理時(shí)間序列信號(hào)，測(cè)序準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。于2019年底推出最小可行化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)384通道并行測(cè)序，單分子讀長(zhǎng)達(dá)到10K以上，測(cè)序精度達(dá)到90%以上，并實(shí)時(shí)輸出測(cè)序結(jié)果。

Nanoporetech：開(kāi)發(fā)MinION 基因測(cè)序儀該儀器上的基因測(cè)序是通過(guò)識(shí)別 DNA 單個(gè)分子在流過(guò)納米孔膜時(shí)流量的變化實(shí)現(xiàn)，每次可讀取一百萬(wàn)個(gè) DNA 字母。

五、人工智能在分子診斷儀器市場(chǎng)應(yīng)用的局限性

現(xiàn)階段人工智能技術(shù)在分子診斷儀器中的應(yīng)用較為單一：大多集中于利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)所實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化及條件控制智能化方面，并未真正發(fā)揮出人工智能技術(shù)更深層次的優(yōu)勢(shì)，例如基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和云計(jì)算的計(jì)算優(yōu)勢(shì)、基于深度學(xué)習(xí)等復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)勢(shì)，以及利用已有結(jié)果自我優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)/自學(xué)習(xí)優(yōu)勢(shì)。

人工智能技術(shù)應(yīng)用于分子診斷儀器功能提升的市場(chǎng)成本高：分子診斷儀器普遍價(jià)格較高，且通常使用壽命較長(zhǎng)，往往有5-10年左右，淘汰率無(wú)法適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的速度，這導(dǎo)致融合人工智能技術(shù)的儀器開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)推廣成本過(guò)高。

六、人工智能在分子診斷儀器市場(chǎng)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

核酸產(chǎn)品提煉結(jié)果更純凈：通過(guò)智能條件控制，以及自動(dòng)化流程編輯，為儀器運(yùn)行創(chuàng)造封閉無(wú)污染的環(huán)境，無(wú)論是核酸提取還是基因擴(kuò)增，其儀器產(chǎn)物的純度都將更高。

分子診斷儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有更高的可重復(fù)性：通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，以及機(jī)器人技術(shù)對(duì)人為操作的替代，使儀器自動(dòng)化程度更高，有效的提高無(wú)人化的儀器操作效率，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的高通量操作；同時(shí)人為手動(dòng)操作比例更低，可以有效減少因人為操作差異而導(dǎo)致的結(jié)果偏差。