借助加速圖形數(shù)據(jù)庫(kù)提高患者療效

醫(yī)療服務(wù)提供商收集的數(shù)據(jù)量正在不斷增長(zhǎng)，并正在顛覆當(dāng)前的數(shù)據(jù)分析方法。與此同時(shí)，跨表格和業(yè)務(wù)實(shí)體聯(lián)網(wǎng)并識(shí)別隱含關(guān)系與模式的能力，為提升患者護(hù)理和患者療效以及為醫(yī)療服務(wù)提供商降本增效方面，提供了誘人的突破。

使用圖形數(shù)據(jù)庫(kù)探索和分析互聯(lián)數(shù)據(jù)的企業(yè)每天都在增加。圖形數(shù)據(jù)庫(kù)高度重視數(shù)據(jù)間的聯(lián)系與關(guān)聯(lián)，而關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和其他 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)則對(duì)互聯(lián)數(shù)據(jù)一片茫然，所以圖形數(shù)據(jù)庫(kù)能夠更加深入地分析互聯(lián)數(shù)據(jù)。

圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的知名度、對(duì)它的興趣以及對(duì)它的評(píng)估與采用，繼續(xù)領(lǐng)先于其他數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。據(jù) Gartner 預(yù)測(cè)，圖形數(shù)據(jù)庫(kù)將呈加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)：“到 2025 年，80% 的數(shù)據(jù)和分析創(chuàng)新將采用圖形技術(shù)，遠(yuǎn)超 2021 年的 10%，這有利于在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)快速制定決策。”［1］

世界最大的醫(yī)療公司與圖形數(shù)據(jù)庫(kù)

Tigergraph 是世界上處理速度最快，可擴(kuò)展性最強(qiáng)的圖形平臺(tái)。在本文中，我們將探討 Tigergraph 如何借助賽靈思硬件加速技術(shù)與圖形分析庫(kù)，助力世界最大的醫(yī)療公司整合來(lái)自 200 多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，從而為每位用戶(hù)建立完整的縱向健康史，以簡(jiǎn)化其呼叫中心的工作負(fù)擔(dān)，并為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)治療路徑建議。

這家公司主要為客戶(hù)提供醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)、健康福利計(jì)劃以及保險(xiǎn)和金融服務(wù)，目前運(yùn)行著美國(guó)最大規(guī)模的互聯(lián)醫(yī)療圖形數(shù)據(jù)庫(kù)資產(chǎn)。該數(shù)據(jù)庫(kù)有超過(guò)百億個(gè)頂點(diǎn)，超過(guò) 500 億個(gè)邊，并為上億會(huì)員保存最近 18 個(gè)月的數(shù)據(jù)，內(nèi)容涉及賠付申請(qǐng)、臨床交互、提供商、電話(huà)號(hào)碼、上門(mén)服務(wù)等最新數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)擁有超過(guò) 1.2TB （太字節(jié)）數(shù)據(jù)量，并通過(guò)各類(lèi)應(yīng)用為 33，000 多位在線(xiàn)用戶(hù)提供支持。

這家公司采用 TigerGraph 的 Patient360 解決方案，通過(guò)呼叫中心客服快速高效地提供可靠的治療路徑建議。為了實(shí)時(shí)提供更優(yōu)質(zhì)、更高效的指引，他們的目標(biāo)是將 20 分鐘的呼叫縮短 10%，提高客戶(hù)滿(mǎn)意度并為呼叫中心節(jié)省 1 億美元的成本。

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的功能之一是計(jì)算患者相似性。這種用例也就是所謂的醫(yī)療孿生。正在治療患者的醫(yī)生希望分析與自己的患者癥狀相似的其他患者，以確定治療方案。為此，醫(yī)生會(huì)搜尋能夠匹配其患者的病史且療效最好的具有最相似癥狀的患者。下面我們深入了解一下如何操作。

余弦相似性的重要性

對(duì)于所有類(lèi)型的推薦引擎，相似性計(jì)算都是關(guān)鍵：試想一下，如果 YouTube（全球最大的視頻搜索和分享平臺(tái)）為您推薦的是來(lái)自您最喜愛(ài)歌手的新視頻、網(wǎng)飛（Netflix ，全球最大流媒體播放服務(wù)商）推薦的電影讓您如獲至寶，或是亞馬遜推薦的產(chǎn)品與您的審美不謀而合，是您居家住房改造最需要的神器，這將帶來(lái)難以比擬的實(shí)用性（以及愉悅度）。

TigerGraph 在他們的 Member Journey 解決方案中使用余弦相似性算法，為客戶(hù)提供同樣的神奇效果。

讓我們簡(jiǎn)單了解一下什么是余弦相似性，以及為什么這種算法對(duì)患者治療路徑建議有很大幫助?；趯傩缘南嗨菩杂糜谕ㄟ^(guò)比較屬性和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)圖形中最相似的項(xiàng)目。項(xiàng)目特征用數(shù)字表達(dá)，并以陣列形式保存在矩陣中。

過(guò)敏、醫(yī)療程序、免疫和狀況都是在這個(gè)用例下，可以構(gòu)成陣列組元的屬性類(lèi)型。通過(guò)為陣列中的數(shù)字計(jì)數(shù)和計(jì)算權(quán)重，就能創(chuàng)建矢量。然后，將目標(biāo)矢量（剛創(chuàng)建的矢量）與群體矢量進(jìn)行比較，找出最接近的匹配項(xiàng)。

那么為什么是“余弦”相似性？當(dāng)兩個(gè)矢量間的夾角縮小，這個(gè)角的余弦值就趨近于 1。當(dāng)兩個(gè)矢量間的夾角縮小到 0，余弦值等于 1 （cos（0）=1）。另一方面，當(dāng)兩個(gè)矢量正交，余弦值就為 0 （cos（90）=0）。余弦值越趨近于 1，兩個(gè)病史就越近似。

加速治療路徑

顯然，如果能夠根據(jù)數(shù)百種屬性搜索數(shù)百萬(wàn)份患者病歷以找出最相似的病歷，從而推導(dǎo)出治療路徑，將為患者康復(fù)提供莫大的福音。如果能快速完成這項(xiàng)工作，可以讓患者更加安心，并提高患者滿(mǎn)意度，同時(shí)提升呼叫中心效率，節(jié)省大量成本。

您處理的患者數(shù)量越大，實(shí)時(shí)完成這些工作的難度就越高。當(dāng)您有 1 億位患者，要及時(shí)找到最相似結(jié)果，并使之和人際間自然對(duì)話(huà)速度一樣快，難度極大。在幾分鐘內(nèi)獲得結(jié)果，這是 TigerGraph 使用常規(guī)的基于 CPU 的計(jì)算架構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的水平。這雖然足以令人印象深刻，但還是不能滿(mǎn)足這個(gè)用例的需要。

賽靈思FPGA的用武之地

這就是賽靈思技術(shù)的用武之地。賽靈思是 FPGA 領(lǐng)域的全球領(lǐng)先者。FPGA 是一種由可配置邏輯塊矩陣構(gòu)成的半導(dǎo)體器件。FPGA 的其他優(yōu)勢(shì)還有大規(guī)模并行，即能夠同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算。這使得 FPGA 成為計(jì)算密集型工作負(fù)載加速的理想選擇。

賽靈思 Alveo 加速器卡是標(biāo)準(zhǔn)的 PCIe 器件，非常方便在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器內(nèi)部署 FPGA 協(xié)處理。本用例使用 Alveo U50 卡，借助賽靈思 Vitis 庫(kù)，TigerGraph 等應(yīng)用能夠使用通用的高級(jí)語(yǔ)言，輕松靈活地為應(yīng)用提供 Alveo 加速。

賽靈思 FPGA 從架構(gòu)上允許“度身定制”的適配，高度契合患者建議引擎使用的余弦相似性等計(jì)算密集型工作負(fù)載的獨(dú)特需求。

賽靈思 Alveo U50 是一種基于 PCIe 的 FPGA 加速器卡，能夠部署到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器內(nèi)。該卡提供大規(guī)模并行 FPGA 處理能力，在計(jì)算余弦相似性算法時(shí)，通過(guò)快速訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)患者病歷的高帶寬存儲(chǔ)器 （HBM2），實(shí)現(xiàn)高速處理。這種方案與基于 CPU 的實(shí)現(xiàn)方案相比完成查詢(xún)搜索功能的速度快出 300 倍以上。

將患者相似性查詢(xún)從基于 CPU 的架構(gòu)遷移到賽靈思 Alveo 卡可實(shí)現(xiàn)性能飛躍。查詢(xún)響應(yīng)時(shí)間從 1 分鐘縮短到 50 毫秒。這既能夠幫助這家醫(yī)療服務(wù)提供商實(shí)現(xiàn)縮短呼叫時(shí)間、節(jié)約成本的目標(biāo)，也支持以人際對(duì)話(huà)的正常節(jié)奏將查詢(xún)結(jié)果提供給客服，讓患者與客服間的交流更人性、更自然。

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