分子診斷的中游市場由儀器或試劑生產商佔據，目前的分子診斷相關儀器主要服務於核酸診斷技術及生物芯片技術兩大類。前者主要針對生物核酸分子的提取和定量分析，細分包括聚合酶鏈式反應，熒光原位雜交技術，基因測序技術。後者則主要細分為基因芯片和蛋白芯片技術。針對核酸提取儀、PCR 擴增儀等當前主流分子診斷儀器，人工智能技術的出現讓分子診斷相關儀器的功能性再次增強，主要表現在流程自動化、過程條件控制智能化、以及結果分析精確化。報告將討論人工智能技術在分子診斷相關儀器中的應用，及對儀器性能的提升。
作者 | 於琳洋
一、分子診斷儀器市場現狀簡述
分子診斷近年來其市場份額逐漸增大，具體細分為上、中、下游三級市場：上游市場關注於診斷原材料的提供，包括各種生物酶、多肽、生物指針等；而中游市場囊括了大部分的試劑和儀器的提供方；下游市場集中於教育機構及醫療機構的實驗室分析服務。從美國分子診斷市場統計來看，針對於試劑及儀器的中游市場是佔有最大比例的市場份額。而我國的分子診斷市場發展相對不均：試劑市場發展迅速，2012年市場佔有率已高達72%；而儀器市場雖佔比較小，2012年市場統計佔比僅不足45%，但銷售增速穩定。目前，中國人工智能技術已達世界領先水平，通過人工智能技術的融入，或將推動中國儀器製造商對市場的搶佔。
二、分子診斷儀器的人工智能技術
物聯網技術：主要是指通過信息傳感設備，實現分子診斷儀器通過信息傳播媒介進行信息交換和通信。通過計算機設計實驗流程，實現儀器硬件的智能化控制；利用傳感器技術，可以實時精確監測儀器中環境因素狀態，如離心轉速、溫度等，對儀器運轉狀態實現實時記錄及科學控制。
機器人技術：機器人作為執行任務的物理代理，分為固定機器人和移動機器人。固定機器人的運動通常涉及一系列可控關節，在分子針對儀器設計中，固定機器人有更大的潛力，例如機械臂或機械移液器等應用。
傳感器技術：傳感器是指能夠感受規定的被測量並按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱。在分子診斷相關儀器中，傳感器的被測量一般為非電物理量，例如離心轉速、溫度等，輸出信號一般為電量。通過對儀器內物理條件的測量，並將電信號傳輸回控制裝置，能夠對儀器內的物理條件實現智能控制。
大數據技術：大數據指的是規模超過現有數據庫工具獲取、存儲、管理、和分析能力的數據集。大數據技術在分子診斷領域應用廣泛，主要應用於基因大數據集基因測序分析方面。
神經網絡：神經網絡（Neural Network）屬於人工智能深度學習的重要算法之一，被用於許多屬性預測。在基因測序儀配套的測序軟件方面，現階段已推行基於神經網絡的鹼基識別算法，通過遞歸神經網絡(RNN)深度學習方法處理時間序列信號。
三、人工智能在分子診斷儀器市場的應用分佈
四、人工智能技術在分子診斷儀器領域的應用案例
朗斯：開發核酸提取儀MGX-1600，通過物聯網技術和流程編輯，實現精密運動控制和全自動化流程。配合提取標本的獨立分裝試劑，只需要人為操作加入標本的動作，之後的提取純化過程全由儀器自動完成，不需要加入提取過程中所需要的實際過程。
zybio：開發exm9600全自動核酸提取儀，安裝內置氣體置換式移液機械臂，精準微量移液，分辨率可達0.1μL。利用機械臂完成核酸的提取動作,實現無交叉感染、無菌的操作過程。該儀器大大減輕了操作人員的勞動強度、減少了人工操作過程中的失誤和感染,增強了生物製備過程的安全性、有效性,加快了核酸提取的自動化進程。
上海雷康：開發GM05智能梯度基因擴增儀(控溫儀）PCR，利用物聯網技術實現網絡的延伸與拓展，以一臺上位機（PC）為主機，可連接多達200臺下位機（GM05智能梯度基因擴增儀/控溫儀），同時實現多臺儀器的智能溫控。
齊碳科技：為提升納米孔基因測序儀軟件計算能力開發了基於神經網絡的鹼基識別算法，通過遞歸神經網絡(RNN)深度學習方法處理時間序列信號，測序準確率達到90%以上。於2019年底推出最小可行化產品，實現384通道並行測序，單分子讀長達到10K以上，測序精度達到90%以上，並實時輸出測序結果。
Nanoporetech：開發MinION 基因測序儀該儀器上的基因測序是通過識別 DNA 單個分子在流過納米孔膜時流量的變化實現，每次可讀取一百萬個 DNA 字母。
五、人工智能在分子診斷儀器市場應用的侷限性
現階段人工智能技術在分子診斷儀器中的應用較為單一：大多集中於利用物聯網和傳感器技術所實現流程自動化及條件控制智能化方面，並未真正發揮出人工智能技術更深層次的優勢，例如基於大數據技術和雲計算的計算優勢、基於深度學習等複雜神經網絡結構的分析優勢，以及利用已有結果自我優化的機器學習/自學習優勢。
人工智能技術應用於分子診斷儀器功能提升的市場成本高：分子診斷儀器普遍價格較高，且通常使用壽命較長，往往有5-10年左右，淘汰率無法適應技術進步的速度，這導致融合人工智能技術的儀器開發和市場推廣成本過高。
六、人工智能在分子診斷儀器市場應用的發展趨勢
核酸產品提煉結果更純淨：通過智能條件控制，以及自動化流程編輯，為儀器運行創造封閉無汙染的環境，無論是核酸提取還是基因擴增，其儀器產物的純度都將更高。
分子診斷儀器實驗結果具有更高的可重複性：通過物聯網技術和傳感器技術，以及機器人技術對人為操作的替代，使儀器自動化程度更高，有效的提高無人化的儀器操作效率，實現短時間內的高通量操作；同時人為手動操作比例更低，可以有效減少因人為操作差異而導致的結果偏差。
* 本文為「智周」系列報告「核心版」，相應「深度版」的推出計劃將在後續公佈，敬請大家關注。針對「人工智能在分子診斷儀器優化中的應用與展望」這一主題，有哪些方向或主題，你希望在報告深度版中讀到詳細的闡述與分析，歡迎留言，這將成為我們製作報告深度版的重要參考。
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