综述：推动非洲健康领域的人工智能和数据科学发展：教育、合作以及在全球健康优先事项中的应用

《Frontiers in Public Health》：Advancing AI and data science for health in Africa: education, collaboration, and applications for global health priorities

　　摘要
背景：非洲面临卫生数据科学家的短缺问题。尽管该地区承担了全球25%的疾病负担，但其卫生保健劳动力仅占全球的3%，且在卫生数据科学方面的专业人才更为匮乏。随着人工智能和数据科学在全球医疗保健领域的变革（从疾病监测到精准医疗），这一能力缺口对非洲应对健康挑战及利用其不断增长的年轻人口推动卫生创新构成了重大威胁。

方法：我们介绍了WASHA Takwimu项目，这是一个由美国国立卫生研究院（NIH）非洲数据科学倡议（DSI Africa）联盟资助的多机构能力建设计划。该项目通过以夸祖鲁-纳塔尔大学（UKZN）、哈佛T.H.陈公共卫生学院和海德堡全球健康研究所为核心的辐射模式运作，在加纳、尼日利亚、坦桑尼亚和乌干达设有合作伙伴。项目通过多种方式提供培训：硕士学位课程、博士后奖学金、短期课程以及专业发展活动。课程内容将数据科学方法与全球卫生重点领域的应用相结合，包括卫生系统强化、食品系统、气候变化和地球健康，并采用基于能力、以应用为导向及数字化增强的教学方法。

结果：2020年至2024年间，WASHA Takwimu项目在五个非洲国家培训了博士后研究员、博士生和其他早期职业生涯的研究人员及实践者。该项目支持了UKZN开设卫生数据科学硕士学位课程，并为马凯雷雷大学的类似课程提供了师资和课程开发支持。主要成就包括：通过师资交流替代了昂贵的国际学生实习方案；将技术创新融入教学过程；与国家研究和政策机构建立战略性合作伙伴关系，将培训与政策应用相联系。同时，项目也从中积累了关于基础设施限制、数据治理挑战、性别参与不平等以及如何在保持严格录取标准的同时管理学生期望等方面的经验教训。

意义：WASHA Takwimu项目证明了基于网络的方法——结合研究生培训、师资发展和利益相关者参与——能够构建非洲可持续的卫生数据科学能力。其辐射模式提供了一个可复制的框架，平衡了集中协调与分散实施，而硕士学位课程则为其他非洲机构提供了可借鉴的教育模板。然而，在扩大规模之前，必须巩固现有成果。战略重点包括加强与国家研究委员会和卫生部的合作、解决持续的性别差异问题、深化私营部门的参与度，以及逐步发展博士学位项目。随着非洲人口在2050年接近25亿，投资于卫生数据科学能力将对解决大陆健康问题及提升非洲机构在全球的地位至关重要。

引言
人工智能（AI）和数据科学正在推动全球公共卫生和医疗保健领域的革命性变革，从根本上改变疾病预防、公共卫生监测、临床诊断、治疗和卫生系统运作（1）。利用机器学习算法、数据分析和自动化技术，AI有潜力提升医疗决策和诊断水平，改善治疗效果，同时提高效率、提升护理质量和降低成本（2）。全球AI医疗保健市场正在经历前所未有的增长，预计从2023年的112亿美元增长到2032年的4275亿美元（1），这反映了人们越来越认识到数据驱动方法对现代医疗保健的重要性。然而，这种变革发展极不均衡，不同地区的受益程度存在差异。虽然面临严重卫生系统挑战的地区可能获益最多，但它们往往最缺乏采纳和运用这些技术的能力。

目前非洲人口约为15亿，占全球人口的19%（3）。预计到2050年，非洲人口将达到25亿，占全球人口的约25%（3），这一变化既带来了卫生服务提供和数据基础设施方面的机遇，也带来了挑战（4）。非洲面临着高昂的疾病负担：孕产妇死亡率为每10万例活产中有531例，是全球平均水平（约223例）的两倍；儿童发育迟缓的比例为31%，而全球平均值为22%左右；此外，卫生劳动力和研究能力也长期不足（4）。这些问题的根本原因在于基础设施有限、缺乏专业人才、受过培训的卫生工作者流向高收入国家以及经济不稳定，这些因素共同限制了人们获得优质卫生服务的机会（4）。此外，在将数据科学应用于气候变化、食品系统和地球健康之间的复杂相互作用方面也存在重大空白。尽管非洲对环境变化敏感，但对其如何影响粮食安全和营养结果进行建模的能力仍然不足。同时，快速增长的年轻人口为非洲带来了机会：如果赋予他们先进的定量和分析技能，新一代非洲研究人员和从业者可以在数字健康和卫生分析领域推动本地创新。然而，与其他地区相比，非洲在这些领域的科研和发展能力最为薄弱，这引发了人们对数据驱动的卫生系统可能加剧现有不平等的担忧。

数据科学（包括生成式AI）在非洲尤为重要，因为它可以解决由碎片化系统、次优的食品系统和环境脆弱性导致的问题。例如，该技术可以连接不同医疗机构的患者信息，以支持破碎医疗系统中的连续护理（5）；整合卫星图像和气候数据来预测疾病风险、粮食安全问题和营养危机，并指导偏远地区的准备工作（6）；优化供应链（包括疫苗冷链），解决运输限制和电力不稳定带来的服务问题（7）。尽管需求不断增长，相关研究生项目和合作倡议也在不断增加，但主要障碍仍限制了数据科学在非洲的应用。近年来，非洲的数据科学培训项目有所扩展（表1），但大多数项目的范围较广，对卫生领域的应用关注不足。首先，由于国内投资不足和公共部门重视不够，基础设施受限（如互联网连接不均衡、电力中断、计算资源有限及专有软件成本高昂），限制了培训的实际效果（8）。其次，数据质量、互操作性、获取性和治理方面的问题，以及隐私保护、伦理使用和负责任数据共享框架的缺失，也限制了常规卫生信息和新兴数据源的利用（4, 9, 10）。第三，师资短缺和持续的性别差异限制了可持续且具有代表性的卫生数据科学家和学术领导者的培养（8, 11）。

表1：各国提供的数据科学培训项目

要克服这些障碍，需要超越短期个人培训的协调性能力建设。实际可行的方法包括：（i）培养具备统计学、计算能力和卫生/食品系统专业知识综合能力的毕业生；（ii）通过交流、短期课程和导师制加强师资能力，以跟上快速发展的技术步伐；（iii）通过合作伙伴关系改善基础设施，提供高质量数据集的访问，并在学术界、政府和产业界建立职业发展路径（8, 12）。在此背景下，我们介绍了WASHA Takwimu项目，这是一个基于网络的辐射模型，旨在构建非洲可持续的卫生数据科学能力（4, 8, 12）。该项目旨在描述其培训模式和合作伙伴关系、在非洲机构开展硕士课程的情况、经验教训以及推广和扩大规模的建议。WASHA Takwimu项目于2020年作为NIH非洲数据科学倡议（DS-I Africa）的一部分启动。在初期阶段，该项目主要通过短期课程、奖学金和合作研究活动培训早期职业生涯的研究人员和公共卫生专业人士。随着时间的推移，其模式逐渐发展为更制度化的能力建设模式，认识到在非洲大学内部建立可持续培训路径的必要性。

WASHA Takwimu项目概述
基于2014年成立的非洲研究、实施科学与教育（ARISE）网络（一个由非洲顶尖大学组成的多国合作伙伴关系），WASHA Takwimu项目通过以南非夸祖鲁-纳塔尔大学、哈佛T.H.陈公共卫生学院和海德堡全球健康研究所为核心的辐射模式运作。该项目与加纳、尼日利亚、坦桑尼亚和乌干达的大学建立了合作，形成了覆盖多个非洲地区的综合网络（图1）。这一机构安排促进了资源共享，同时保持地方自主权，平衡了集中协调与分散实施。项目设计旨在促进南南合作和北南合作，优先考虑可持续的机构发展而非单纯的个体培训。

项目的长期目标是通过严格的教学大纲和一系列培训及研究活动，在非洲培养高级卫生数据科学人才，以满足该大陆的健康需求。该项目追求三个相互关联的目标：
- 在南非UKZN培养中级和高级研究人员，使他们成为能够利用数据科学解决重要全球健康挑战的教育者和首席研究员；
- 在ARISE网络内的五个非洲国家培养一批初级公共卫生和医学专业人员，使他们能够通过短期课程和专业发展活动设计并成功实施严谨的卫生研究项目；
- 在非洲机构开发可持续的卫生数据科学硕士学位课程，满足该地区的研发需求，并在WASHA Takwimu网络内外建立合作培训文化。

WASHA Takwimu课程将数据科学方法应用于两个对非洲至关重要的全球卫生重点领域：
- **卫生系统强化**：数据科学有助于解决非洲特有的挑战，如预测医疗需求、优化资源分配以及在资源有限的环境中改善服务提供。学生将学习如何使用常规卫生信息系统、人口调查数据以及来自纸质记录和电子病历的各种数据来源；
- **食品系统、气候变化和地球健康**：该领域培训关注气候变化与健康结果之间的双向关系，学生将学习如何整合卫星图像、气候数据、农业生产数据、营养调查和流行病学信息，以了解气候变化如何影响粮食安全、营养和人口健康。

项目通过多种相互关联的培训方式提供能力建设，每种方式针对不同的职业阶段和学习需求：
- **硕士培训**：提供生物统计学、机器学习和卫生信息学的专门课程，学生将在导师指导下完成解决地区特定问题的论文项目；
- **博士后奖学金**：结合基于AI的诊断技术、可持续食品系统建模和基因组流行病学的研究，以及科研写作、教学和科学沟通的专业发展，为博士后人员未来的教学或领导职位做准备；
- **短期课程**：为中级专业人士提供预测建模、卫生数据可视化和伦理AI的密集培训，使卫生部门、非政府组织和医院能够在不完成完整学位课程的情况下发展相关能力；
- **年度研讨会**：年度研讨会汇集学员、教师、政策制定者和行业合作伙伴，展示研究成果、讨论新兴趋势并通过报告和专业发展研讨会建立合作；
- **月度研讨会系列**：每月举办的研讨会通过技术展示和广泛讨论保持进展，内容在线存档，便于异步学习和支持社区持续参与。

WASHA Takwimu项目可持续性的关键组成部分是建立认证的卫生数据科学硕士学位（MHDS）课程。目前，南非的UKZN和乌干达的马凯雷雷大学已率先开发了全面的此类课程。这些项目的结构都围绕一个统一的框架展开（见图2）。虽然这两个项目都旨在通过专业培训来培养健康数据科学的能力，但它们采用了不同的方法，这反映了各自的机构背景和国家监管框架：

1. **项目结构和学分系统**：UKZN项目是NIH资助的WASHA Takwimu培训计划的一部分，被设计为一个192学分的资格证书，属于南非国家资格框架（NQF）9级（相当于硕士学位水平），通过混合式教学方式在四个学期内完成。该项目包括必修模块、选修模块和研究论文，符合南非高等教育资格子框架中每学分10个理论小时的要求。

2. **核心能力和课程重点**：UKZN的课程涵盖了六个关键领域：（1）统计基础，帮助参与者掌握健康数据科学所需的生物统计学知识；（2）计算和软件工程，使学生具备编程和数据库管理能力；（3）人工智能，涵盖模型选择、训练、评估和解释，用于临床预测、分类和聚类；（4）流行病学，提升对疾病模式、风险因素和干预效果的理解，以增强健康数据分析能力；（5）健康系统，学生学习如何整合来自常规健康信息系统和人口调查的数据；（6）食物系统、气候变化和地球健康，理解气候变化对粮食安全和公共卫生的影响，以及数据科学如何制定可持续解决方案。Makerere大学的两年制项目采用东非地区的学分体系，第一年侧重于建立基础能力，第二年深化专业应用。学生通过“Plan B”项目完成培训，该项目比传统论文更具灵活性，允许产生多样化的研究成果，以适应职业发展和当地健康需求。

3. **教学方法和专业方向**：UKZN项目提供三个主要的专业方向：健康系统强化、食物系统/气候变化/地球健康以及数据治理/伦理/法律。这种结构明确地将两个专业领域（健康系统和气候/食物系统）作为独立方向，体现了南非在地球健康方面的国家优先事项。UKZN计划开设一门16学分的关于数据治理、伦理和法律的必修课，重点介绍非洲的数据保护立法和FAIR原则，确保毕业生了解在非洲背景下负责任的数据管理。Makerere大学则在必修课中融入了机器学习等内容，为毕业生在实际环境中部署和维护模型做准备。伦理教育通过一门3学分的必修课进行，所有学生都必须学习。Makerere大学还定期举办为期两学期的研讨会，让学生有机会展示研究工作，获得同行和教师的反馈，并参与当前的健康数据科学研究，从而建立学术交流社区。

4. **开发过程和质量保证**：UKZN的项目开发过程中，对国际健康数据科学项目进行了全面分析，参考了哈佛大学和HIGH等机构的课程设置，以确定最佳实践和学分分配方案。相关研讨会邀请了加纳、尼日利亚、坦桑尼亚和乌干达的合作大学教师以及UKZN的教职员工参与，确保项目能满足WASHA Takwimu网络各成员的需求。目前UKZN项目已进入开发后期，核心课程基本确定，正在接受质量保证和认证流程，并根据反馈进行持续优化。Makerere大学完全依靠内部资源开发项目，展现出对健康数据科学能力建设的坚定承诺。其课程设计灵活，包含机器学习等前沿内容，强调实践应用，并通过伦理课程确保学生具备相关知识。

5. **独特优势与互补模式**：这两个项目为非洲的健康数据科学教育提供了互补的模式，各自适应不同的机构环境。UKZN提供两个选修方向，分别与地球健康和气候变化相关；项目包含大量独立研究（占总学分的50%），并通过NQF 9级认证符合国际标准。Makerere大学的课程结构更加灵活，将新兴技术作为独立课程，通过项目式学习培养学生，适应学术界、政府、非政府组织和私营部门的多种职业路径，并利用内部资源实现可持续发展。这些项目不仅注重技术培训，还强调跨学科能力的培养，认识到健康数据科学是一项协作性的工作，需要与多种利益相关者合作。

这两个项目为非洲的健康数据科学教育提供了坚实的基础模板，有助于其他WASHA Takwimu合作机构快速发展。这种平台化方法能够减少开发时间和成本，促进资源共享和教学质量提升，同时促进机构间的交流与合作。

总之，WASHA Takwimu项目的实施为非洲健康数据科学能力的建设提供了宝贵经验，对整个大陆类似项目的开发具有指导意义。基于网络的合作伙伴关系在实现规模化发展的同时保持了内容的针对性；跨机构的人才交流促进了知识共享和能力提升。此外，项目成功整合了现代教学方法和技术创新，提升了学习的可访问性和效果。关于项目范围和支持内容的清晰沟通对于管理这些期望至关重要。此外，并非所有申请者都具备健康数据科学硕士和博士后培训所需的先决技能。该项目要求申请者在数学、统计学方面有扎实的基础，同时对编程能力也越来越重视。在选拔具备足够准备的候选人的同时，还要确保对代表性不足群体的包容性，这需要仔细权衡。该项目通过提供预备课程并明确说明入学要求来应对这一问题，尽管招募充分准备好的候选人仍是一个持续面临的挑战，尤其是在博士后职位方面。此外，该项目最初计划在哈弗公共卫生学院（HSPH）培训非洲的硕士生，但后来改为通过教师交流来实现更广泛的影响力。这种做法扩大了影响力：返回本土机构的教师能够培训数百名学生。该模式收到了积极的反馈，参与者利用本地数据集将哈佛的课程内容进行了适应性修改以适应非洲的实际情况。

除了学术准备之外，公平性和可及性也是重要的考虑因素。该项目通过吸引来自多个国家的参与者，并提供减少参与障碍的短期课程和混合学习机会，来促进包容性。虽然专门用于全额奖学金的资金仍然有限，但已通过提供旅行支持、共享资源以及导师指导等方式来支持学员。满足代表性不足群体的需求仍然是优先事项，需要进一步努力扩大资金支持机制并增加培训机会的获取渠道。

基于WASHA Takwimu项目的经验教训，有几个重点可以提升非洲的健康数据科学能力：首先，能力建设工作应继续优先考虑基于网络的模式，以实现机构间的资源共享和持续合作；其次，与国家研究机构的更紧密对接是确保培训内容符合政策需求并为毕业生就业创造明确路径的关键；第三，对教师发展和机构项目（包括硕士和未来的博士培养）的持续投资对于长期可持续发展至关重要；最后，通过针对代表性不足群体的支持来扩大参与范围，对于确保包容性和实际应用的相关性十分重要。

此外，将自然语言处理等新兴领域整合到健康数据科学培训中也是一个增长机遇。加入涉及政策和机构文档分析的实际 component 可以提高学生处理非结构化数据的能力，并为公共卫生决策提供有价值的见解。

WASHA Takwimu项目表明，基于网络的方法可以有效解决非洲健康数据科学家短缺的问题，并建立可持续的能力体系。该项目通过向五个非洲国家的博士后研究员、博士生和其他早期职业研究人员提供奖学金和短期课程进行了短期和长期培训，并在南非凯普塔斯大学（UKZN）建立了健康数据科学硕士项目，同时为马凯雷大学（Makerere University）建立类似项目做出了贡献。这些成就表明，协调一致的研究生培训、教师发展和利益相关者参与能够带来超越孤立个体能力建设的系统变革。

随着项目的推进，巩固现有成果应优先于雄心勃勃的扩张。南非凯普塔斯大学和马凯雷大学的硕士项目仍在认证过程中，而后者还处于发展的早期阶段。在广泛推广项目模板之前，确保这些基础项目获得全面认证、成功培养毕业生并建立完善的质量保证机制至关重要。这种做法优先考虑长期质量和可持续性，而非过早扩大规模可能削弱项目效果。战略性区域扩张应利用现有的合作伙伴关系，特别是ARISE网络，该网络为加纳、尼日利亚、坦桑尼亚和乌干达等国家的推广提供了平台。参与机构可以逐步将南非凯普塔斯大学和马凯雷大学的课程调整适应各自国家的监管框架和当地健康重点，从短期课程和研究生证书开始，再逐步发展成完整的学位项目。与政策组织的系统合作至关重要，项目的合作将确保培训内容解决优先的健康问题，为毕业生创造就业机会，提供必要的数据集，并建立将研究成果转化为政策行动的渠道。这些政策合作伙伴关系是实现大规模可持续影响的关键推动因素。

到2050年，非洲人口将增长到25亿，占全球人口的四分之一，因此投资健康数据科学能力对于应对非洲独特的健康挑战和影响全球健康结果至关重要。WASHA Takwimu项目通过创新的培训模式、可复制的课程和动态的网络建立了坚实的基础。通过巩固这些成果、战略性扩展以及持续关注可持续性和公平性，该项目使非洲机构不再仅仅是外部专家的接受者，而是成为全球健康数据科学领域的领导者和服务提供者。这种方法使他们能够开展解决大陆重点问题的研究，最终改善所有非洲人的健康状况。