天河二號搭建CT影像智能診斷平臺助力新冠肺炎

2020年新年開局，一場突如其來的新冠肺炎疫情席卷全國，給人民生命安全和經(jīng)濟社會發(fā)展帶來嚴峻考驗。在這場不能輸?shù)膽?zhàn)爭中，廣州科技力量精銳盡出。在國家超級計算廣州中心，“天河二號”超級計算機，以每秒最高十億億次的超強算力，助力篩選出能抑制病毒的小分子藥物，搭建“15 秒斷診”的新冠肺炎 CT 影像智能診斷平臺，建立新冠肺炎病患時空軌跡數(shù)據(jù)庫……

在“天河二號”的輔助下，科學團隊篩選出的某藥物與冠狀病毒蛋白的模擬結(jié)合模型。

平安是對社會最大的貢獻

為打贏疫情防控人民戰(zhàn)爭、總體戰(zhàn)、阻擊戰(zhàn)提供強大科技支撐

2020 年新年開局，一場突如其來的新冠肺炎疫情席卷全國，給人民生命安全和經(jīng)濟社會發(fā)展帶來嚴峻考驗。在這場不能輸?shù)膽?zhàn)爭中，廣州科技力量精銳盡出。在國家超級計算廣州中心，“天河二號”超級計算機，以每秒最高十億億次的超強算力，助力篩選出能抑制病毒的小分子藥物，搭建“15 秒斷診”的新冠肺炎 CT 影像智能診斷平臺，建立新冠肺炎病患時空軌跡數(shù)據(jù)庫……以大國重器之力，與時間賽跑，與死神戰(zhàn)斗。

重器之下還有人。大年初九，廣州智睿醫(yī)藥科技有限公司首席執(zhí)行官謝偉東博士搭上一班空蕩蕩的飛機，從加拿大返回廣州。彼時，智睿醫(yī)藥已通過“天河二號”從數(shù)千種上市藥物中篩選出 30 余種潛在藥物。但戰(zhàn)斗沒結(jié)束，他還要借助超算與人工智能算法的力量，從上億種化合物中繼續(xù)尋找對新冠病毒有特效的“克星”。

“人類同疾病較量最有力的武器就是科學技術(shù)?！睆V州超算，已全面融入防控疫情的主戰(zhàn)場，彰顯國之重器的力量與擔當。

文、圖/廣州日報全媒體記者方晴通訊員莫倩

找藥：兩三天選出 30 種潛在藥物

年廿八，在登上去加拿大的飛機前，謝偉東從長期合作伙伴廣州呼吸疾病研究所處聽說了新冠病毒所引發(fā)肺炎疫情的嚴重性。從事多年分子生物學研究和藥物篩選研發(fā)的他馬上意識到，對沒有特效藥的未知病毒，“老藥新用”是最快也最安全的。篩選出有效的“老藥”，正是他的強項！

作為一家把人工智能應用于新藥挖掘的企業(yè)，智睿醫(yī)藥自主研發(fā)了一套深度學習算法系統(tǒng)，過去一年半以來，該公司一直借助廣州超算中心的“天河二號”超級計算機開展化合物篩選、藥物挖掘。

謝偉東告訴記者，用算法篩查藥物的原理是，針對病毒結(jié)構(gòu)的特定靶點，把藥物化合物結(jié)構(gòu)輸入到系統(tǒng)中，跟靶點進行對接，通過多個指標評價其對接的情況，結(jié)合越好，代表藥物化合物效果更好。

為什么要用到超算？“因為蛋白晶體是一個很復雜的結(jié)構(gòu)，要用虛擬小分子找它的活性位，甚至需要幾百萬次的嘗試?！币云胀ㄓ嬎銠C的算力，從所有上市藥物中篩選出有效的藥物，需要 2 至 3 個月。而以“天河二號”的算力，只需要兩三天。“在這個過程中，超算、大數(shù)據(jù)、人工智能，缺一不可。”

大年初二（1 月 26 日），上?？萍即髮W饒子和/楊海濤課題組公布了測量的 2019-nCoV 冠狀病毒 3CL 水解酶(Mpro)的高分率晶體結(jié)構(gòu)。

同日，智睿醫(yī)藥研究團隊馬上聯(lián)動廣州超算中心科研團隊，啟動了基于“星光超算應用服務平臺”上自主研發(fā)的集合傳統(tǒng)統(tǒng)計、高通量計算、以及最新 AI 方法的藥物篩選軟件平臺，在“天河二號”超級計算機上重點針對已上市藥物進行了藥物虛擬篩選。

兩三天時間，便迅速定位了 30 余種可能起作用的潛在藥物，包括六種此前未見報道的藥物。團隊把這些結(jié)果全部公布在網(wǎng)上，供科研機構(gòu)無償使用。

為了方便其他科研團隊的后續(xù)研究，謝偉東還立即聯(lián)系全球多地藥物供應商，花了 2 周時間，完成所有潛在藥物化合物的采購，免費提供給下一個團隊開展病毒抑制試驗。目前藥效正在進一步驗證中。

“疫情暴發(fā)后，我相信全世界的科學家們，都在為治療新冠肺炎做著三件事：新藥研發(fā)、老藥新用、研制疫苗。這是身為科學家的責任?！敝x偉東說，“我大年初九從加拿大回來時，所有人都叫我不要回來，飛機幾乎是空的。但我一定要回來，這是一場戰(zhàn)斗，我們責無旁貸。”

制藥：目前已篩選出一批化合物

但特效藥還沒有誕生，戰(zhàn)斗還沒有結(jié)束。謝偉東告訴記者，智睿醫(yī)藥正依托集合了近一億個化合物的 3D 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，通過“天河二號”超級計算機開展化合物的挖掘。目前已篩選出一批化合物，完成采購后將聯(lián)合 P3 實驗室開展病毒抑制實驗。但新藥研發(fā)并不容易，它需要嚴格、復雜的步驟和大量的投入，最快也需要 2 到 3 年時間。

“所幸，人類現(xiàn)在有超算、人工智能、大數(shù)據(jù)這些科技力量，縮短了新藥研發(fā)的時間?！敝x偉東說，“我是廣州人，也是中大人。我很自豪，在廣州、在中大，有‘天河二號’這樣的超級計算機。在這場戰(zhàn)‘疫’中，它是科學家手中強大的武器?！?/p>

分析：定點醫(yī)院療效數(shù)據(jù)在線分析

對疫情的防控也離不開大數(shù)據(jù)的測算與助力。當前，廣州超算正在助力全國戰(zhàn)“疫”。

昨日，超算中心負責人向記者介紹，通過與國家衛(wèi)健委及其所屬機構(gòu)的合作，超算中心部署了國務院醫(yī)療救助組新冠肺炎病例醫(yī)療質(zhì)控系統(tǒng)?！拔覀兝靡延薪】滇t(yī)療平臺的優(yōu)勢基礎(chǔ)，緊急研發(fā)部署了基于超算的抗新冠病毒疫情信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)定點醫(yī)院全部病例數(shù)據(jù)和臨床藥物療效數(shù)據(jù)的實時采集與在線分析，實現(xiàn)抗疫醫(yī)療質(zhì)量控制與分析?！?/p>

在阻斷疫情擴散方面，廣州超算中心也發(fā)揮了重要作用。該負責人介紹，從大年三十開始，廣州超算中心的科研團隊就參與啟動了“疫情蹤”軟件的研發(fā)工作。這個軟件基于已確診的病患，利用傳統(tǒng)流行病調(diào)查與大數(shù)據(jù)追蹤分析等手段，結(jié)合地理信息技術(shù)，構(gòu)建了新冠病毒肺炎病患時空軌跡數(shù)據(jù)庫。

“軟件可以每5-10 分鐘采集一次用戶的軌跡數(shù)據(jù)，并反饋到廣州超算中心，通過中心強大的計算后臺，定期將用戶數(shù)據(jù)和已確診病患的數(shù)據(jù)進行時空匹配度對比，這樣，就可以實時評估、反饋用戶的感染風險，并且提醒用戶進行自我隔離或主動就醫(yī)，從而幫助阻斷病毒傳染?！?/p>

診斷：標注可疑區(qū)域輔助精確診斷

記者了解到，除助力藥物篩選、研制戰(zhàn)“疫”“彈藥”，超算中心還和中山大學附屬醫(yī)院合作，緊急開發(fā)了一套新冠病毒肺炎 CT 影像智能診斷平臺。

之所以是緊急研發(fā)，是因為這個平臺是拿來“救急的”。超算中心負責人昨日告訴記者，在疫情暴發(fā)的初期，全國疑似病例迅速增加，湖北省的情況尤其嚴重?！暗晃粚I(yè)醫(yī)生在一天內(nèi)只能診斷 70 多個病人，在疫情重災區(qū)是遠遠不夠的。”

因此，在拿到第一手新型冠狀病毒肺炎 CT 影像數(shù)據(jù)后，廣州超算中心緊急組織了醫(yī)學圖像智能診斷小組，與中山大學附屬醫(yī)院的專業(yè)醫(yī)生合作，僅用一天的時間就開發(fā)出了初步診斷模型，并部署到超算平臺上進行模型調(diào)優(yōu)和測試優(yōu)化，成功搭建了基于超算的新型冠狀病毒肺炎 CT 影像智能診斷平臺。

據(jù)悉，這個平臺能夠在高檢測精度下，平均 15 秒完成一個病人的 CT 圖像診斷。醫(yī)生僅需將病人的 CT 圖像批量打包上傳到平臺上，即可在短時間內(nèi)得到全部影像的智能診斷結(jié)果，平臺還會將 CT 圖像中的可疑區(qū)域標注出，輔助醫(yī)生進行精確診斷。

“天河二號”： 疫情發(fā)生前就是醫(yī)療“老手”

在這場戰(zhàn)“疫”中，廣州超算為什么深受信賴？是實力。據(jù)悉，廣州超算中心的“天河二號”超級計算機拿下了全球超算五百強的六連冠。在廣東省、廣州市政府的支持下，廣州超算已經(jīng)成為全球應用領(lǐng)域最廣、用戶數(shù)量最多的超算中心之一，在全球超算 Dominant Sites 排名上位列第五，是我國唯一進入這個排名前十的超算中心。

該負責人告訴記者，生物醫(yī)藥、健康醫(yī)療領(lǐng)域是廣州超算中心一直以來重點發(fā)展的應用領(lǐng)域，中心在這一領(lǐng)域投入了大量的資源、人才團隊開展應用研究和用戶合作，取得顯著應用成效。

“比如，我們與國家衛(wèi)健委下屬的標普醫(yī)學中心是長期合作單位。在疫情暴發(fā)前，我們已經(jīng)有了優(yōu)秀的應用基礎(chǔ)、完善可靠的硬件基礎(chǔ)和軟件環(huán)境、業(yè)務熟練的人才團隊，可以迅速開展疫情防控的相關(guān)工作，在短時間內(nèi)就取得比較好的成果。”