中国科学家突破DNA存储技术，为医学影像数据管理提供新方案

中国科学家突破DNA存储技术，为医学影像数据管理提供新方案

引用

中国科学院

等

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来源

1.

http://www.siat.cas.cn/kyjz2016/202406/t20240603_7178007.html

2.

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/6/379878.shtm

3.

https://blog.csdn.net/zhuzongpeng/article/details/136062522

4.

https://www.sohu.com/a/830142223_121118798

5.

https://tech.sina.cn/2024-07-02/detail-incasipx8199320.d.html?oid=1.kpz&vt=4

6.

http://www.polymer.cn/sci/kjxw22750.html

在数字化时代，数据存储面临着前所未有的挑战。特别是在医疗领域，每天都在产生海量的医学影像数据。据估算，一个中大型三甲医院每天产生的数据量高达几TB，3年内可快速累积至PB级。而传统的存储技术，如光盘、硬盘等，不仅存储容量有限，保存期限也仅有几十年。面对这一挑战，中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队开发了一种名为"EDS"的DNA存储方法，为医学数据的长期保存提供了新的解决方案。

随着医疗技术的进步，医学影像数据，如磁共振成像（MRI）数据，已经成为疾病诊断、治疗规划和监测的重要工具。然而，这些数据的存储和管理正变得越来越具有挑战性。一方面，数据量呈指数级增长，预计到2040年全球存储数据量将达到10的24-28次方字节；另一方面，传统存储介质，如磁带和硬盘，已接近物理极限，无法满足长期存储的需求。

DNA存储技术的出现为解决这一问题提供了新的可能。DNA作为生命体遗传信息的载体，具有惊人的信息存储密度，每立方毫米可以存储约2.2拍字节（Petabytes）的数据，相当于2200TB。此外，DNA在适宜条件下可以保存数千年，且存储过程能耗极低，废弃后可自然降解，是一种环境友好的存储介质。

尽管DNA存储技术具有巨大潜力，但要将其应用于实际场景，还需要解决一系列技术难题。中国科学院深圳先进技术研究院的研究团队开发的EDS（Efficient DNA Storage）技术，正是针对这些挑战提出的创新解决方案。

创新点一：改进的编码模型

在DNA存储中，数据需要从二进制转换为DNA的四种碱基（A、T、C、G）序列。这个转换过程如果处理不当，容易导致数据丢失。EDS技术通过设计一种新颖的分块策略，有效地解决了旋转编码带来的数据丢失问题。这种分块策略将大文件分割成多个小块，每个小块都有独立的标识，确保了数据的完整性和可恢复性。

创新点二：冗余核苷酸的引入

为了提高数据的可靠性和精确恢复能力，研究团队在编码过程中引入了冗余核苷酸。这些额外的核苷酸序列可以看作是数据的"校验码"，即使在DNA序列发生部分降解或变异的情况下，也能通过这些冗余信息准确还原原始数据。

创新点三：独特的索引技术（DFS）

在DNA存储中，如何快速定位和提取特定信息是一个重大挑战。研究团队开发了一种名为DFS（DNA File System）的索引技术，通过在DNA序列中添加特定的标签和地址信息，实现了对数据的快速定位和检索。这种技术类似于计算机文件系统中的目录结构，使得用户可以像操作普通文件一样管理DNA存储的数据。

为了提高数据处理效率，研究团队还采用了多进程优化技术。通过将编码任务分解成多个子任务，并分配给多个CPU进行并行计算，大大缩短了数据处理时间。在实验中，研究团队成功测试了72GB的人体MRI数据，仅用9小时就完成了编码工作。根据预测，即使是1TB量级的数据，也可以在120小时内完成编码。

EDS技术的出现，为医学领域的数据存储和检索开辟了新的途径。它不仅提高了数据存储的安全性和精确度，还大大缩短了计算时间，降低了存储成本。未来，随着技术的进一步成熟，DNA存储有望与传统的磁带、光盘等存储工具结合，形成多层次的存储体系，为医疗、科研等领域提供更高效、更可靠的存储解决方案。

尽管DNA存储技术仍面临一些挑战，如编码解码效率、读写精度等，但其巨大的优势和潜力已经引起了全球科研机构和企业的广泛关注。可以预见，在不久的将来，DNA存储技术将从实验室走向实际应用，为人类社会提供一个持久、安全且环保的大容量存储解决方案，开启"生物比特"时代的新篇章。