上呼吸道病毒現形高手：利用深度學習模型來建立上呼吸道病毒序列基因型即時分析平台

學研新創 - 創新防疫科技

2020-12-23

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林仲彥研究員團隊/中央研究院資訊科學研究所

林仲彥、林介華、徐哲仁、呂怡萱、熊昭、陳淑華

上呼吸道感染為台灣常見疾病，而急性呼吸道感染對兒童及嬰幼兒影響更為嚴重，呼吸道感染的症狀大多類似感冒，重則造成器官的衰竭甚至導致死亡； 107年衛福部健保署統計急性上呼吸道感染的醫療支出佔全民健保第四名，可見造成醫療資源之鉅。造成上呼吸道感染的致病原中，病毒占約九成五以上，如腸病毒、流感、類流感等。而截至目前為止，除麻疹與特定流感品系外，尚無疫苗或藥物可供上呼吸道感染的預防或治療。
目前檢測以免疫偵測為主，可能因採檢部位與病毒量濃度影響有偽陽或偽陰性，且僅能針對已知的病毒型做判斷。現今由於基因定序檢測技術的飛躍進步，以NGS技術配合高敏感度的病毒序列分類模型分析，將可快速辨別採樣檢體是否為與重症相關的病毒株，進而提供相應治療。
本團隊以大量由公有資料庫取得的上呼吸道病毒序列為基礎，分為11大類、 13個屬共35個種，結合其基因型資訊進行分類清洗，增加整體資料的精準度，及均化各個分類型別的資料筆數，透過基因序列的向量轉化模型(Word2Vec)，結合第一層卷積神經網絡(Convolutional Neural Network, CNN)的建置，再結合細部分類模型，可提供更為精準的病毒分型，並鑑別出可能造成重症的品系，提供醫療療的重要指引，目前我們所建置的病毒分類模型準確率高達九成二，穩定度佳，同時每一分類的偽陽性大多低於2%。

評審推薦

本案利用oxford naropore建立上呼吸道病毒序列基因型即時分析平台，可針對187 種品系病毒進行分析，潛力佳。

2022年度精進成果

1. 對本研究所使用之上呼吸道病毒序列資料集進行更新，更新至2022年10月，共收錄超過250萬筆序列資料，為2021年資料量二倍。
2. 本年度新增猴痘病毒(Monkeypox virus)為可預測病毒型別；本系統可預測上呼道病毒數量總計共11大類，16個屬別(genus)，46個種別(species)，囊括種別下共87個亞基因型(genotype)。
3. 透過對病毒的基因體特性所制訂的資料治理規則，針對巨量資料進行更為細緻化與特異化的梳理，優化選出最佳訓練集用於建立預測模型。目前的結果顯示，使用優化後的資料集所建立的AI模型，其預測準確率、召回率與F1 score等，皆大幅提昇，猴痘病毒和SARS-CoV-2 F1 score更可高達99.96%以上。
4. 目前正結合集成學習(Ensemble learning)概念，將整合多個不同的機器學習與深度學習演算法，同時優化深度學習模型參數，以提昇病毒分類預測結果。

團隊簡介

林仲彥
學歷	博士
現職	研究員
經歷	1. Joint-appointed Associate Research Fellow, National Health Research Institutes, Institute of Population Health Sciences, Taiwan (2012/1–present) 2. Invited Visiting Scholar, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Computational Biology Research Center, Japan (2011/9–2012/7) 3. Associate Research Fellow, Academia Sinica, Institute of Information Science, Taiwan (2011/3–present) 4. Visiting Scholar , Molecular & Medical Phamacology , David Geffen School of Medicine at UCLA, United States (2010/8–2011/1) 5. Joint-appointed Assistant Principle Investigator, National Health Research Institutes, Division of Biostatistics and Bioinformatics, Taiwan (2005/11–2011/12) 6. Assistant Research Fellow, Academia Sinica, Institute of Information Science, Taiwan (2005/10–2011/1) 7. Joint-appointed Assistant Professor , National Taiwan University, College of Life Science, Taiwan (2005/2–present) 8. Assistant Investigator, National Health Research Institutes, Division of Biostatistics and Bioinformatics, Taiwan (2004/1–2005/10) 9. Postdoctoral Fellow, National Health Research Institutes, Division of Biostatistics and Bioinformatics, Taiwan (1999/10–2003/10) 10. Founder, Yam Navigator (http://www.yam.com), Taiwan (1997/6–present)