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量子计算在医疗信息领域的应用研究综述
Keyword:Quantumcomputing;Medicalinformatization;Bigdata;
随着量子计算、量子工程及产业的进展,世界正处于量子革命的关键时期[1,2,3]。量子科技产业将对将来各国高端产业的竞争以及国家平安产生准备性的影响,因此,各国均乐观加强战略布局,推动国家量子科技产业的规划进展。
过去20年里,信息技术在不停地向各个领域渗透。医疗信息领域也因信息技术的应用和制造而发生了革命性的变化,由于它们有可能通过突破性创新降低成本并提高服务质量[4,5,6]。在医疗健康领域接受量子计算主导的信息系统至关重要,它能为许多难题供应创新性解决方案。全世界每天都会产生大量基于各种疾病的数据,从病例数量到开发药物和高级疫苗的各种临床试验,传统的计算方式根本难以处理[7,8]。量子计算的本质是制造了一个强大的计算基础设施,能够同时处理多个数据段,实时处理大量信息,其强大的计算力气有望开创计算技术的新纪元。
1量子计算
量子计算(quantumcomputing,QC)是一种极为高效的、遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算方式,它是以微粒子构成的量子单元作为信息处理和存储单元,不同于旧式计算中比特位非"1"即"0"的单一表现方式,量子计算利用叠加和纠缠的量子力学现象来创建与量子比特数或量子比特数成指数比例的状态[9,10]。与使用二进制位的经典计算机不同,量子计算机使用由对象的量子态产生的量子位来执行操作,其计算速率以及存储力气可随量子数量的递增而呈现出指数级飞跃。经典计算与量子计算的比较见表1。
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随着量子计算优越性得到试验验证,量子计算已进入有用化优势应用场景探究的新阶段,基于专用量子计算机,在不同领域和行业开展了广泛应用探究,在科学争论、科普教育、行业应用等多方面开展布局并取得进展,见图1。
2医疗信息化建设的主要挑战
随着医药数据的海量增加,数据分析和挖掘越来越频繁,以往的数据分析和算法无法满足将来时代进展的需求。同时,服务于大数据下的精准医疗进展与微生物组学的进展带来数据的急剧膨胀,现有的技术将无法支撑运算任务。
表1量子算法与经典算法比较
图1量子计算有用化应用探究进展方向
此时,应运而生的量子计算比传统的计算拥有更强大的计算力气,它能够解决一些高度简洁的医疗问题,可极大地提升运算速率,为医疗信息化进展奠定坚实的基础。量子计算特殊适用于医疗健康领域的众多计算密集型应用,尤其是在当前高度连接的数字医疗保健模式中[11,12],其中包括可能连接到互联网或云的互联医疗设备。连接的对象包括医疗传感器、医疗保健基础设施、机器、患者和医务人员等。在这种异构连接模式下,主要挑战是监控和确保全部连接基础设施的高效服务质量。因此,将医院的基础设施引入云计算,以及使用量子计算的快速处理实现医疗数据的平安,可能会给当前的医疗系统带来新的变革。
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3量子计算在医疗信息系统的潜在应用领域
本争论主要从医院、患者、制药公司及保险公司4个利益相关者动身,分析量子计算在医疗行业的应用及所担当的作用。他们可能是见证量子计算领导的医疗信息化创新建设的关键利益相关者,见表2。
早期的诊断往往能降低治疗成本并取得更好的治疗效果。例如,当前的新冠肺炎等流行性疾病假如能在早期发觉并得以治疗,存活率会成倍增加,治疗成本也会显着降低。而量子计算在评估网络系统中的流行病方面很有用,由于对病毒传播的精确猜想包含了在经典计算中可能带来简洁性挑战的各种因素[13]。如隔离措施、社交距离、人口网络、自我爱惜行动等因素可能会导致一系列简洁的问题,这些因素却可以很简洁地输入量子计算设施,由于它具有持有大量信息和并行处理这些信息的内在力气。通过建立包含感染率和恢复率等作为其参数的量子电路可获得与冠状病毒传播曲线类似的概率图。通过把握参数可削减感染高峰时的感染数量,推迟病毒达到高峰的时间。此外,量子能量检测是临床医学的争论热点,量子共振检测在过敏原识别、肿瘤和精神疾病的争论中应用广泛。它的工作原理是在人患病时,微观结构中的电子与原子的微弱电磁波会产生特殊,这种特殊波随着体液传输到全身。通过探测人体微弱磁场的变化,可呈现人体健康与患病状况信息。量子共振检测只需要通过人体的毛发或者尿液进行检测,有效避开了侵入性检测造成的苦痛,具有无创的优点。因此,量子计算技术在制定流行病治理措施上具有指导性作用,在挽救人类生命和降低人类生命损失方面具有很大的潜力。
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在过去30多年里,医学成像技术在医疗行业发挥了重要作用。从历史上看,成像技术是过去1000年中的关键进展技术之一。医学成像的超声等技术有助于临床医生了解患者的身体结构并做出某些推断[14,15]。医学成像的中心任务是依据医疗设备(如CT、MRI和PET扫描仪)收集的数据重建图像或功能。当涉及简洁的身体参数时,典型的医学成像可能还需要再次提升。在现有的图像处理中,要实现分割、配准、压缩、检索和识别,需要在原始图像的基础上进行多次预处理,以提取关键特征。当数据作为量子态输入时,量子算法对图像重建的速度有指数级的提高[16,17]。量子技术可应用到乳腺X线摄影,通过探测量子能量信息后进行图像重建获得乳腺组织分布信息的量子图像,既能降低辐射剂量,同时还能获得比传统方法画质更好的图像。通过结合量子衍生的医学超声图像去斑方法,还能有效去除超声时乘性斑点噪声的干扰,避开图像细节的损失。
表2量子计算的应用及作用
放射治疗主要被用于治疗癌症和肿瘤手术,其目的是缩小不良肿瘤或癌细胞[18]。对非癌组织可能会导致患者消逝起泡、瘙痒等副作用。因此,需要一种技术能精确地关注损坏的特定细胞。在大多数手术中,放射治疗是一种主要方式。在大多数状况下,问题照旧是所需辐射的程度。量子计算技术提高了计算机的精确性和力气,可对病情和治疗进行高精度评估,由此呈现了量子计算存在数千个变量的状况下进行简洁优化的潜力。通过量子计算设施可以在几秒钟内完成多个模拟,从而供应最佳解决方案。量子计算在需要远程监控患者并考虑多个参数的不确定状况下很有关怀。
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疾病类型及其变种可能有数千种。据估量,大约有10000种疾病,而治疗方法只有约500种,这些方法可能有效或无效。随着疾病率的不断上升,到2040年,全球医疗支出估量将增至约18万亿美元[19]。分子设计是任何药物设计的首要步骤。现有的药物开发系统可在经典计算机的关怀下对确定大小分子进行数亿次的比较。量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成,并能快速识别其中最有效的组合,通过对大分子进行比较,进一步推动医药产品对各种疾病的治疗。与经典方法相比,量子计算技术在短时间内具有药物发觉、设计和疫苗开发的潜力。在开发药物时,监测分子间的相互作用也很重要,尤其是在原子水平上。人类基因组中有20000多种蛋白质需要模拟,以了解现有药物和尚未制造的新药之间的相互作用。例如,多肽药物具有较高的平安性和较高的靶标亲和力。而传统计算难以掩盖多肽变异数量过多的难题,通过将量子算法与机器学****化学分子模拟、组合优化等方法相结合,可用于研发基于蛋白质组合模型的多肽类药物并构建用于治疗的肽库。因此,量子计算技术可以引领医疗领域的创新。
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冠状病毒仍是当今人类的主要威逼之一[20,21]。而制药公司尚未开发针对0~18岁儿童的疫苗。量子计算机可在研发试验室接受多种联合疗法,以确定适合儿童的疫苗。在量子比特的关怀下,可以在应对简洁性的同时实现精确的疫苗和药物开发。临床试验是验证和加强治疗或疫苗牢靠性的方法之一。临床试验药物或疫苗的牢靠性与计算机系统的潜力相对应,计算机系统可以从嘈杂的数据集中识别有用的信息,从而进一步有助于设计反应或进展治疗关系。为了通过技术加快临床试验,需要通过技术和数学提高经典系统的计算力气,以处理质量数据。在大多数临床试验中,量子计算可以模拟人类进而避开人类作为测试载体[22,23]。
量子计算技术可为医疗保险公司供应以客户/患者为中心的解决方案。依据患者的生活方式和生活环境,供应最适合患者的健康保险[24]。通过量子计算技术猜想患者当前的身体状况和是否受患病影响的倾始终进行风险分析,这对于保险费的定价和优化是有用的。使用传统系统进行风险分析特殊耗时且成本昂扬。通过在模拟的关怀下使用量子计算,可以快速访问不同的场景,并降低风险分析的成本,使其与法律框架相匹配。这有助于医疗保险公司在风险聚合过程中发挥承保职能。量子计算将影响医疗健康保险,其中产品牢靠性、第三方参与和全部权转移的风险可以为保险组织和用户供应前瞻性的方案。
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在许多进展中国家,假冒产品在医药行业中随处可见,医药行业是医疗保健的关键行业。任何经济体中存在的假冒产品都对其公民的平安和健康构成威逼[25,26]。据WHO估量,全球每年因服用假药造成病情延误甚至死亡的人数达150万~300万[27]。在电子商务环境下,很难追踪药品的质量。因此,可以设计一种创新的加密系统,以防止侵害学问产权。量子计算技术呈现了利用量子不确定性进行加密的潜力,它可以用来制作密钥,对在线可用的信息进行加密,并可以防止复制粘贴问题产生虚假的药物产品。此外,同样可以应用于爱惜患者的数据。通过量子计算,密钥和数据可以通过有保证的不行破解加密无限期地得到爱惜[28,29,30,31]。因此,密码学有望成为量子计算在医疗实践中的第一个应用,以确保医疗记录和通信的平安。
医疗保险公司不仅要依据有需要的患者快速支付,而且还要依据法律框架向其他利益相关者快速付款。从保险公司到医院的医疗自动化和验证传输可以依据量子计算原理进行设计,从而实现无障碍体验。量子计算技术会准时订正支付过程中消逝的任何错误,可防止医疗保险机构的大规模数据被泄露。自动支付将关怀公司按时获得应有的保险费,同时它也是急需治疗资金的患者在患病时的准时雨。
4小结
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综上所述,量子计算技术可以给医院最常见的领域带来创新,如医学成像、诊断和放射治疗,以高精度实现每次大规模定制的目标。量子计算可以在短时间内促进应急药物开发、生产和分销的不同阶段的决策。药物或疫苗的精确剂量和化合物可在几天内确定,并有助于确定进行临床试验所需的人群,以确保任何药物的牢靠性。基于身体和遗传条件的全面风险参数建模也可以通过量子计算技术来实现。对于面对患者的医疗行业,量子计算有助于设计服务和削减/消退不必要的活动。此外,利用量子计算可以确保数据的平安性,并且可以精确治疗疾病。
5展望
目前,人工智能、机器学****与量子计算作为交叉融合的热点争论方向,在医疗信息领域仍处于试验和探究的过程中,例如机器智能学****中的医疗大数据与量子编码相互匹配的问题,量子版本的机器智能学****是否可以完全发挥量子计算的巨大优势,简洁且多变的量子机器智能学****任务如何与量子计算硬件进行协同适配,如何利用基于量子计算的技术从预防性健康过渡到猜想性健康等。因此,将来可以考虑量子计算如何整合保险代理、医院、制药公司、付款人和患者等不同利益相关者,并探究机器学****和人工智能在医疗信息领域实现量子计算中的作用。
参考文献
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