การแพทย์แม่นยำและจีโนมิกส์ที่ผันเปลี่ยนไปจากเอดจ์สู่คลาวด์

Intel ขับเคลื่อนเทคโนโลยีการแพทย์แม่นยำ

การแพทย์แม่นยำจัดให้มีการรักษาแบบส่วนบุคคลและการดูแลแบบผู้ป่วยเป็นศูนย์กลางสำหรับกลุ่มย่อยเฉพาะของบุคคลที่มีเครื่องหมายทางพันธุกรรม นิสัย หรือสภาวะร่วมกัน เทคโนโลยีนี้ต้องเปิดใช้งานโมเดลการรักษาแบบเปลี่ยนโฉมที่ครอบคลุมตั้งแต่ข้อมูลที่ผลิตขึ้นที่เอดจ์ กระทั่งเวิร์กโหลดวิทยาศาสตร์ข้อมูลบน แพลตฟอร์ม High Performance Computing (HPC) ในคลาวด์หรือในสถานที่ การประยุกต์ใช้งานคลินิก การวิจัยทางวิชาการ และการค้นพบแลการผลิตทางเภสัชกรรมจะต้องใช้ชุดเครื่องมือ การวิเคราะห์ และ HPC อันทรงพลัง

ในฐานะเป็นส่วนหนึ่งในภารกิจของเราที่จะสร้างเทคโนโลยีแบบเปลี่ยนแปลงโลกที่จะยกระดับคุณภาพชีวิตของทุกคนบนโลกนี้ Intel จึงมีบทบาทสำคัญที่ทำให้โซลูชันการแพทย์แม่นยำเกิดขึ้น ผู้ผลิตใช้เทคโนโลยีฮาร์ดแวร์และเครื่องมือซอฟต์แวร์ของเราเพื่อสร้างโซลูชันการแพทย์แม่นยำ เช่น ที่ทำหน้าที่จับกระบวนการทางชีวภาพ วิเคราะห์ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพ และคาดการณ์อันตรกิริยาระหว่างยา

ไม่ว่าคุณจะทำงานร่วมกันกับผู้ให้บริการอุปกรณ์แล็บที่เปิดใช้งาน AI เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพเอดจ์บนเครื่องหาลำดับเบสยุคใหม่ จะทำงานกับ OEM หรือผู้ให้บริการคลาวด์เพื่อสร้างสถาปัตยกรรม HPC ที่เร่งการวิเคราะห์ขั้นสูง หรือจะช่วย ISV ทำการเพิ่มประสิทธิภาพโซลูชันของตนบนสถาปัตยกรรม Intel® ก็ตาม Intel ก็ทุ่มเทที่จะยกคุณภาพชีวิตผ่านเทคโนโลยีจีโนมิกส์และการแพทย์แม่นยำ

ตัวอย่างเช่น เราได้ทำงานกับ Broad Institute เพื่อสร้าง Intel® Select Solution ที่ช่วยให้องค์กรต่างๆ จัดใช้คลัสเตอร์ HPC แบบปรับขยายได้สำรหับการวิเคราะห์จีโนมิกส์ การเปิดตัวล่าสุดช่วยให้ผู้ใช้สามารถดำเนินงาน GATK Best Practices Pipeline ของ Broad Institute สำหรับ Germline Variant Calling เพื่อประมวลได้สูงสุดทั้งหมดแปดตัวอย่างจีโนมต่อโหนดการคำนวณผลต่อวัน

เรายังได้ทำงานกับผู้ให้บริการแอปพลิเคชันด้านสุขภาพและชีววิทยาศาสตร์เพื่อปรับปรุงโค้ดของพวกเขาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและประสบการณ์ผู้ใช้/ผู้พัฒนาที่ดีขึ้น

คุณสามารถค้นหาตัวอย่างเพิ่มเติมสำหรับนวัตกรรมที่เราเปิดใช้งานใน Intel® Solutions Marketplace

เครื่องมือและเทคนิคของการแพทย์แม่นยำ

การแพทย์แม่นยำจะใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การวินิจฉัยระดับโมเลกุล (ซึ่งรวมถึงกการตรวจยีน) การถ่ายภาพระดับโมเลกุล การหาลำดับเบสยุคใหม่ และ Molecular Dynamics เพื่อวินิจฉัยโรคและปรับการรักษาให้เหมาะกับบุคคล

การวินิจฉัยระดับโมเลกุลและการวิเคราะห์จีโนม

การวินิจฉัยระดับโมเลกุลจะเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพด้วยวิธีการหาลำดับจีโนม การตรวจยีนเหล่านี้จะเผยข้อมูลที่สามารถนำไปใช้บอกการรักษาที่ได้ผลที่สุด หรือคาดการณ์ว่ายาตัวใดจะได้ผลดีที่สุดต่อผู้ป่วย

การหาลำดับเบสยุคใหม่

ความก้าวหน้าต่างๆ เช่น การหาลำดับเบสยุคใหม่ได้ส่งผลต่อการวิจัยด้านจีโนมอย่างมาก ขณะที่เทคโนโลยีการหาลำดับเบสแบบดั้งเดิมจะต้องใช้เวลานับทศวรรษเพื่อแสดงผลลัพธ์ เทคโนโลยียุคใหม่สามารถทำการจัดลำดับจีโนมของมนุษย์ทั้งหมดได้เสร็จภายในประมาณ 40 ชั่วโมง

การถ่ายภาพระดับโมเลกุล

การถ่ายภาพระดับโมเลกุล โดยเฉพาะวิธีที่เรียกว่า Cryogenic Electron Microscopy (หรือ cryo-EM) ถูกนำไปใช้อย่างมากมายในกระบวนการค้นพบยา เพื่อให้ได้มาซึ่งข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างแบบ 3D ของโปรตีนและหน่วยทางชีวภาพอื่นๆ เมื่อเร็วๆ นี้ เทคโนโลยีนี้ก็ถูกนำไปใช้ระบุโมเลกุลขนาดเล็กที่เหมือนยา รูปแบบอื่นๆ ของการถ่ายภาพระดับโมเลกุลจะถือเป็นการถ่ายภาพทางการแพทย์ อาทิ การใช้หลายๆ วิธีการ (MRI, CT, PET) กับสารสร้างความคมชัดเพื่อแสดงภาพ บ่งบอกคุณลักษณะ และกำหนดปริมาณกระบวนการทางชีวภาพในตัวผู้ป่วย

Molecular Dynamics

Molecular Dynamics เป็นวิธีการคำนวณผลที่ประมาณการการกำหนดค่าแบบสามมิติที่เป็นไปได้ของโครงสร้างทางเคมีและชีวภาพ รวมทั้งจำลองการเคลื่อนไหวของโครงสร้างเหล่านี้ Molecular Dynamics มักจะใช้ร่วมกับการจับเชิงโมเลกุลหรือ Molecular Docking ซึ่งมักจะเรียกกันแค่ว่า "ด็อกกิ้ง"

ด็อกกิ้งเป็นวิธีการที่ไว้ใช้คาดการณ์ว่าสารทดสอบทางยาโมเลกุลขนาดเล็กจะมีปฏิกิริยากับโปรตีนที่สนใจสำหรับโรคหนึ่งๆ อย่างไร วิธีการจำลองเหล่านี้ช่วยให้สามารถทำการประเมินความแน่นแฟ้นของอันตรกิริยาระหว่างแต่ละสารทดสอบทางยา และในท้ายที่สุดก็จะช่วยให้นักวิจัยสามารถทำการจัดอันดับสำหรับความมีประสิทธิภาพของสารทดสอบทางยาหลายตัว

แพลตฟอร์มแบบครบวงจรสำหรับจีโนมิกส์และการแพทย์แม่นยำ

หากมองในมุมของเทคโนโลยี การแพทย์แม่นยำนั้นจะเกี่ยวข้องทั้งอุปกรณ์ทางการแพทย์หรือเวิร์กสเตชันพีซีที่เอดจ์และระบบไอทีในศูนย์ข้อมูล ฮาร์ดแวร์ Intel® จะขับเคลื่อนโซลูชันไปทั้งกระบวนการ

ตัวอย่างเช่น ในด้านจีโนมิกส์ เทคโนโลยีเอดจ์ของเรา เช่น โปรเซสเซอร์ Intel Atom®, Intel® Core™, และ Intel® Xeon® E ช่วยให้เกิดการวิเคราะห์หลักแบบรวดเร็วสำหรับตัวอย่างในอุปกรณ์แล็บที่พาร์ทเนอร์ Intel หลายรายจัดไว้ให้ โปรเซสเซอร์ Intel® Xeon® แบบปรับขนาดได้ ยังทำหน้าที่ขับเคลื่อนอัลกอริทึมการตีความหาเบส และเครื่องมือการจัดเรียงลำดับที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์ทุติยภูมิในระบบส่วนหลัง ตลอดตัวอย่างทั้งหมดเหล่านี้ เทคโนโลยีหน่วยความจำ GPU หน่วยจัดเก็บข้อมูล และระบบเชื่อมต่อของเราก็สามารถนำไปใช้เพิ่มอัตราความเร็วและประสิทธิภาพโซลูชันโดยรวมได้

High Performance Computing ในการแพทย์แม่นยำ

สำหรับการวิเคราะห์ทุติยภูมิ ระบบ HPC จะกระจายเวิร์กโหลดการคำนวณผลอันเข้มข้นเหล่านี้ไปยังโหนดที่บริหารจัดการจากส่วนกลางหลายๆ โหนด เป็นการประมวลผลข้อมูลคู่ขนานเพื่อผลิตผลลัพธ์ให้เร็วขึ้นอย่างมาก โครงสร้างพื้นฐานของ HPC แบบใช้ Intel ช่วยให้เกิดการค้นพบและการวิจัยที่มีประสิทธิภาพเพื่อปรับปรุงการคาดการณ์และโมเดล

ในฐานะเป็นส่วนสำคัญของระบบ HPC มากมายที่รองรับเวิร์กโหลดการแพทย์แม่นยำ โปรเซสเซอร์ Intel® Xeon® แบบปรับขนาดได้ เอื้อให้เกิดความก้าวหน้าสำหรับรูปแบบการใช้งานหลักๆ และแอปพลิเคชันทั่วไป เช่น:

• จีโนมิกส์: ทำให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นเกี่ยวกับพันธุกรรมของแต่ละคนเพื่อผลลัพธ์ด้านสุขภาพที่ดีขึ้นด้วยแอปพลิเคชันอย่างเช่น Genome Analysis Toolkit (GATK) 4.x.
• Cryo-EM: กำหนดโครงสร้างเชิงโมเลกุลสำหรับการศึกษาด้านชีวภาพและการพัฒนายาด้วย RELION 3.x.
• กลศาสตร์ควอนตัม: อธิบายอันตรกิริยาระหว่างอะตอม โมเลกุล และมาโครโมเลกุลด้วย VASP และ NWChem
• Molecular Dynamics: จำลองและวิเคราะห์การเคลื่อนไหวของอะตอมและโมเลกุลด้วย NAMD, GROMACS, และ LAMMPS

เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและทำให้การจัดใช้เรียบง่ายสำหรับรูปแบบการใช้งานการแพทย์แม่นยำ เราจัดมอบ Intel® Select Solutions ทั้งสำหรับ Molecular Dynamics และจีโนมิกส์

แม้ว่าแต่ละเวิร์กโหลดที่สำคัญต่อการวิจัยเหล่านี้จะมีข้อกำหนดที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดต่างก็มีความต้องการคล้ายๆ กันในด้านพลังการคำนวณผลอันเข้มข้นอย่างขนานใหญ่ โปรเซสเซอร์ Intel® Xeon® แบบปรับขนาดได้ เจนเนอเรชั่น 3 รองรับความต้องการนี้ด้วยอัตราความเร็วแบบเร่ง พร้อมด้วยความจุที่มากขึ้นสำหรับ I/O และหน่วยความจำ เราทำงานกันอย่างใกล้ชิดกับพาร์ทเนอร์ทั่วอุตสาหกรรมเพื่อช่วยให้องค์กรการวิจัย ผู้ให้บริการโซลูชัน และผู้จัดจำหน่ายซอฟต์แวร์เลือกและปรับฮาร์ดแวร์ที่เหมาะสมสำหรับแต่ละเวิร์กโหลด

การสร้างแอปพลิเคชันที่มีการคำนวณผลเข้มข้นเหล่านี้เพื่อใช้บนระบบ HPC แบบกระจายตัวนั้นก่อให้เกิดความท้าทายเฉพาะตัวในการพัฒนาซอฟต์แวร์ นักพัฒนาสามารถสร้าง วิเคราะห์ เพิ่มประสิทธิภาพ และปรับขยายแอปพลิเคชัน HPC บนสถาปัตยกรรมหลายๆ ประเภทได้ง่ายขึ้นโดยใช้ ชุดเครื่องมือพื้นฐาน Intel® oneAPI และ ชุดเครื่องมือ Intel® oneAPI HPC ทรัพยากรเหล่านี้ประกอบด้วยเทคนิคสุดล้ำในการแปลงภาพเป็นเวกเตอร์ การทำมัลติเธรด การทำงานแบบขนานของโหนด และการเพิ่มประสิทธิภาพหน่วยความจำ

ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ในการแพทย์แม่นยำ

เครื่องมือการแพทย์แม่นยำนับวันยิ่งจะอัดแน่นไปด้วยความสามารถด้าน AI เพื่อเร่งการวิจัยที่จะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ดีด้านสุขภาพ เวิร์กโหลดเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้บนระบบ HPC แบบกระจายหรือที่เอดจ์ โดยที่โมเดล AI ถูกฝังไว้ในอุปกรณ์แล็บ เพื่อช่วยเร่งรัดกระบวนการและช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ข้อมูลและนักวิจัยเข้าใจข้อมูลเชิงลึกได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิผลมากขึ้น

ที่ Intel เราจัดให้มีการคำนวณผล AI แบบเร่งที่นักวิจัย ผู้ผลิตอุปกรณ์ และผู้ให้บริการซอฟต์แวร์ต่างต้องการเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่รวดเร็วไร้รอยต่อ โปรเซสเซอร์ Intel® Xeon® แบบปรับขนาดได้ จัดให้มีการเร่งความเร็ว AI ในตัวผ่านทางคุณสมบัติ Intel® AVX-512 และ Intel® Deep Learning Boost ซึ่งเป็นวิธีง่ายๆ ในการขับพลังประสิทธิภาพ AI ในศูนย์ข้อมูล

ภายในแล็บ เราช่วยให้ผู้ผลิตอุปกรณ์และนักพัฒนาซอฟต์แวร์ทำการผนวกรวม AI เข้าไว้ในโซลูชันของตนได้อย่างง่ายดายขึ้น ขณะที่โดยปกติ AI จะถูกมองว่าต้องใช้ฮาร์ดแวร์พิเศษราคาแพง นวัตกรรมและเครื่องมือของ Intel® กลับทำให้เกิดการผนึกรวมอัลกอริทึม AI ขั้นสูงไว้ในอุปกรณ์แล็บได้โดยตรง โดยใช้ฮาร์ดแวร์การคำนวณผลตามวัตถุประสงค์ทั่วไปในราคาย่อมเยา

ตัวอย่างเช่น Intel® Distribution ของชุดเครื่องมือ OpenVINO™ จะช่วยปรับให้ง่ายและเพิ่มประสิทธิภาพการฝึกอบรมและการจัดใช้อัลกอริทึมการอนุมาน AI ในสถาปัตยกรรมต่างๆ ทำให้เป็นเรื่องง่ายที่จะจัดใช้เฟรมเวิร์กที่คุ้นเคยบนสถาปัตยกรรม Intel® ที่คุ้มค่า โดยไม่ต้องสูญเสียประสิทธิภาพและความแม่นยำ

เพื่อช่วยเร่งความเร็ว AI และการวิเคราะห์บนโครงสร้างพื้นฐาน HPC ทาง Intel จัดให้มี ชุดเครื่องมือ Intel® oneAPI AI Analytics แพ็กเก็จที่ครบถ้วนนี้มีเครื่องมือ Python และเฟรมเวิร์ก AI ที่คุ้นเคยให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ข้อมูล นักพัฒนา AI และนักวิจัย เพื่อเร่งไปป์ไลน์การวิเคราะห์และวิทยาศาสตร์ข้อมูลแบบครบวงจรบนสถาปัตยกรรม Intel®

ส่วนประกอบของชุดเครื่องมือ Intel® oneAPI AI Analytics ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ไลบรารี oneAPI เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณผลระดับล่าง เช่นเดียวกับชุดเครื่องมือ Intel® oneAPI HPC ชุดเครื่องมือนี้ยกระดับประสิทธิภาพแบบครบวงจร ตั้งแต่ก่อนการประมวลผลไปจนถึงการเรียนรู้ของเครื่อง และจัดให้มีความสามารถในการใช้งานร่วมกันเพื่อการจัดใช้โมเดลที่มีประสิทธิผล

ส่วนประกอบสำคัญในการสร้างโซลูชันการแพทย์แม่นยำแบบ AI ก็คือการนำเอาหลากหลายแหล่งข้อมูลมาไว้ด้วยกันอย่างปลอดภัย เพื่อไว้ฝึกอบรมอัลกอริทึมและโมเดล AI ได้ดีขึ้น โดยที่ Intel® Software Guard Extensions (SGX) สามารถนำมาเปิดใช้งานสหการเรียนรู้ที่ป้องกันไว้ โดยป้องกันเวิร์กโหลดและข้อมูลภายในเขตสงวนที่ปลอดภัยของการคำนวณผลแบบเก็บข้อมูลเป็นความลับ ภายในคลาวด์หรือในสถานที่ เพื่อรักษาความเป็นส่วนตัวและมาตรฐานการรักษาความปลอดภัย

การเพิ่มประสิทธิภาพจีโนมิกส์สำหรับการวิเคราะห์ในคลาวด์

Intel มุ่งเน้นกับการทำให้เวิร์กโหลดจีโนมิกส์ดำเนินงานไปด้วยความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพสูงสุดในคลาวด์ เราพยายามสนับสนุนงานออกแบบที่เน้นทำงานบนคลาวด์ในหมู่พาร์ทเนอร์ระบบนิเวศของเรา เพื่อที่ลูกค้าจะได้สัมผัสกับผลลัพธ์ที่ดีเมื่อทำการโยกย้ายไปยังระบบคลาวด์ โดยได้รับประโยชน์ทั้งในด้านค่าใช้จ่ายและประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ การร่วมมือของเรากับ Broad Institute ยังรวมถึงการปรับปรุงคำแนะนำในด้านฮาร์ดแวร์ของ GATK Best Practices สำหรับเวิร์กโหลดด้านจีโนมิกส์ทั้งในรูปแบบการใช้งานในสถานที่ คลาวด์สาธารณะ และคลาวด์แบบไฮบริด

การแผ้วถางอนาคตของการแพทย์แม่นยำ

ขณะที่การแพทย์แม่นยำเดินหน้าพัฒนา Intel ก็มุ่งมั่นที่จะทำงานกับพาร์ทเนอร์ นักวิจัย และผู้ให้บริการการดูแลสุขภาพเพื่อผลักดันนวัตกรรมและความก้าวหน้าต่อไป เมื่อมองจากมุมของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ เราได้จัดเตรียมองค์ประกอบสำคัญที่ต้องใช้สร้างเทคโนโลยีการแพทย์แม่นยำและจีโนมิกส์ พร้อมกับปรับเวิร์กโฟลว์ให้เรียบง่าย เร่งการได้มาซึ่งข้อมูลเชิงลึก และปรับปรุงการดูแลผู้ป่วยทั่วโลก