量子优化下乳腺癌转移多组学标志物预测模型

运筹优化

一种基于量子框架的方法,挖掘乳腺癌转移标志物,实现肿瘤转移高精度预测。

天津医科大学
生命科学医学
QUANTUM × PRECISION MEDICINE
QUBO 特征筛选 · 量子-经典混合多组学分析

⚛️ 专用量子计算机

🧬 多组学分析

🧮 QUBO 特征筛选

🏥 肿瘤精准医疗

业务痛点 PAIN POINTS

乳腺癌是全球女性高发恶性肿瘤,肿瘤转移是患者预后恶化、生存率骤降的核心诱因。当前临床转移预测依赖肿瘤大小、淋巴结状态等静态病理指标,无法捕捉肿瘤异质性与分子调控动态,易遗漏早期转移信号。

🩺
静态指标局限 · 早期信号遗漏
当前临床转移预测依赖肿瘤大小、淋巴结状态等静态病理指标,无法捕捉肿瘤异质性与分子调控动态,易遗漏早期转移信号。
⚠️
特征筛选困难 · 传统模型精度不足
乳腺癌多组学数据具备高维度、高冗余、高噪声特点,特征筛选属于复杂组合优化问题;传统机器学习模型(SelectKBest、Lasso、随机森林)处理海量组学数据时计算效率低、容易陷入局部最优,模型泛化能力弱、预测精度不足,无法满足临床精准预测需求。

场景亮点 HIGHLIGHTS

🧬
多组学高维数据适配
适配基因组、转录组等多组学高维生物数据,可高效剔除冗余、噪声特征
⚛️
全局特征组合筛选
借助量子方法跳出局部最优解,实现全局最优特征组合筛选
📈
泛化能力表现稳定
模型泛化能力强,在外部独立数据集上表现稳定
🎯
核心标志物挖掘
精准挖掘肿瘤转移相关核心生物标志物,兼顾科研价值与临床实用性,可快速对接肿瘤临床检测场景

解决方案 SOLUTION

01
QUBO 特征筛选框架 · 量子-经典混合架构
搭建QUBO 量子特征筛选框架,依托550计算量子比特专用量子计算机开展全局组合优化;以逻辑回归作为统一评估器,先通过QUBO模型完成多组学特征粗筛,再利用专用量子计算机真机二次精简核心特征,形成量子-经典混合计算架构。

落地效果 RESULTS

📊

预测精度与特征筛选

+20%

量子真机筛选后 AUC 相比传统方法提升

预测精度:传统模型最优测试AUC为0.7571、F1值0.5851;QUBO模型独立测试AUC达0.8989;量子真机筛选后AUC提升至0.920,相比传统方法提升超20%。特征筛选:传统模型高维特征挖掘能力弱、过拟合严重;量子框架精准筛选出乳腺癌转移关键标志物,特征子集稳定性更强。

⏱️

运行效率与外部验证

12.97ms

量子真机单次求解耗时

运行效率:量子真机单次求解耗时仅12.97ms,大幅缩短高维组学数据运算时长,解决传统模型计算低效问题。外部验证:量子模型在独立外部数据集GSE193103中AUC达0.8542,各项指标表现优异,泛化能力远优于传统模型。

应用价值 VALUE

🏥

面向临床

可实现乳腺癌转移早期预警,辅助医生优化诊疗方案、开展预后分层评估,助力肿瘤精准医疗与早期干预,提升患者生存率。

早期预警

精准医疗

🔬

面向科研

构建成熟的量子-经典混合多组学分析范式,框架可迁移应用于其他肿瘤研究,为生物标志物挖掘提供全新技术思路。

分析范式

可迁移应用

🌐

面向行业

充分验证量子计算在生物信息学、精准医学领域的落地可行性,打通量子技术与生物医药的跨界应用通道,开拓量子计算在医疗健康领域的全新应用赛道,推动两大领域深度融合发展。

跨界融合

落地可行