健康的心臟以每分鐘 60 到 100 次的穩(wěn)定頻率跳動，然而，并非每個人的心臟都能如此規(guī)律地運(yùn)作。當(dāng)我打開一個裝有約 20 個塑料心臟的紙箱時，這一事實(shí)再次讓我深有感觸——這些塑料心臟是從真人心臟的數(shù)據(jù)中精確復(fù)制而來。
這些模型原本陳列在倫敦西部的一間實(shí)驗室里，由哈默史密斯醫(yī)院心臟病患者的 MRI 和 CT 掃描數(shù)據(jù)生成。阿蘭·圖靈研究所和倫敦帝國理工學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程師 Steven Niederer 利用辦公室的 3D 打印機(jī)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)物心臟。
其中一個心臟用紅色再生塑料打印，乍看之下正符合我們對心臟的傳統(tǒng)認(rèn)知。它大小適中，剛好能握在手中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與教科書中的示意圖幾乎完全一致。或許正因為它是紅色的，讓人感到格外熟悉。
然而，并非所有模型都如此“正?！?。其中一個用黑色塑料打印的心臟顯得異常巨大，幾乎是紅色模型的兩倍大。后來我了解到，這顆心臟的原型來自一位心力衰竭患者。
這些塑料心臟的主要用途是教學(xué)，但 Niederer 的興趣更集中于計算機(jī)模擬。他致力于打造精確的人類心臟數(shù)字模型——這些“數(shù)字孿生體”與真實(shí)心臟的大小、形狀完全一致，甚至在虛擬環(huán)境中以相同的方式運(yùn)作?？茖W(xué)家可以對這些虛擬心臟進(jìn)行“手術(shù)”，為患者量身定制最佳治療方案。
經(jīng)過數(shù)十年的研究，類似的模型已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段，并開始應(yīng)用于患者護(hù)理。與此同時，科學(xué)家們還在開發(fā)其他器官的“數(shù)字孿生體”，包括大腦、腸道、肝臟以及神經(jīng)系統(tǒng)。甚至連人臉的虛擬模型也被用于手術(shù)模擬和面部特征分析。此外，科學(xué)家們還在數(shù)字癌癥模型上測試藥物。
這項技術(shù)的終極目標(biāo)是創(chuàng)建完整的數(shù)字人體——一種完全虛擬化的身體副本。這些數(shù)字人體不僅可以幫助研究人員評估個體患病風(fēng)險，還能測試最有效的治療方案。它們像是我們的“數(shù)字化身”，在真實(shí)治療之前進(jìn)行虛擬實(shí)驗，從而為醫(yī)療決策提供可靠依據(jù)。
對像 Niederer 這樣的工程師來說，這是一個既令人興奮又觸手可及的未來。已有幾項試點(diǎn)研究成功開展，更大規(guī)模的臨床試驗正在進(jìn)行中。業(yè)內(nèi)預(yù)測，未來五到十年內(nèi)，基于器官的數(shù)字孿生技術(shù)將成為臨床護(hù)理的一部分，為診斷和手術(shù)決策提供重要支持。更遠(yuǎn)的未來，人類甚至可以借助虛擬身體進(jìn)行全面的臨床試驗。
不過，這項技術(shù)的快速發(fā)展也引發(fā)了一些擔(dān)憂。一些人質(zhì)疑，高度個性化的數(shù)據(jù)應(yīng)由誰掌握，以及可能面臨的濫用風(fēng)險；另一些人擔(dān)心，虛擬記錄的存在是否會影響患者的自主權(quán)，醫(yī)生是否會更傾向于依賴模型而繞過患者的意見。此外，試圖在計算機(jī)中“復(fù)制人類”的概念也讓部分人感到不安。研究數(shù)字孿生技術(shù)的 Wahbi El-Bouri 表示：“有些人可能會說，‘我不希望你復(fù)制我。’因為他們會覺得自己的一部分被奪走了?！?/p>
邁向數(shù)字化
數(shù)字孿生技術(shù)在其他工程領(lǐng)域已經(jīng)非常成熟，例如，它早已用于模擬機(jī)械設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。盡管近年來“數(shù)字孿生”這一術(shù)語可能更多作為營銷熱詞出現(xiàn)，但對于專注于醫(yī)療健康領(lǐng)域的人來說，它卻有著非常具體的意義。
利物浦大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程師 Wahbi El-Bouri 將數(shù)字孿生技術(shù)分為三個獨(dú)立的部分：
第一部分是被模擬的對象。這個對象可以是噴氣發(fā)動機(jī)、橋梁，或者是人的心臟——本質(zhì)上，它是我們希望測試或研究的具體事物。
第二部分是該對象的數(shù)字復(fù)制品。數(shù)字副本是通過對真實(shí)物體進(jìn)行大量測量后創(chuàng)建的，這些測量數(shù)據(jù)被輸入計算機(jī)。以心臟為例，數(shù)字模型可能包含血壓數(shù)據(jù)，以及通過 MRI 和 CT 掃描收集的信息。
第三部分是輸入模型的新數(shù)據(jù)。真正的數(shù)字孿生體能夠?qū)崟r更新。這意味著，如果它是某人心臟的模型，那么可以通過可穿戴設(shè)備收集的信息不斷更新，使模型始終反映該心臟的最新狀態(tài)。
測量飛機(jī)和橋梁的數(shù)據(jù)是一回事，而從人體獲取連續(xù)的數(shù)據(jù)流則要困難得多，尤其是當(dāng)你需要獲取心臟或大腦內(nèi)部功能的詳細(xì)信息時。
信息傳遞在數(shù)字孿生技術(shù)中應(yīng)當(dāng)是雙向的。就像傳感器可以從人體心臟中收集數(shù)據(jù)一樣，計算機(jī)也能夠基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，預(yù)測潛在結(jié)果，并將這些信息反饋給患者或醫(yī)療提供者。例如，醫(yī)療團(tuán)隊可能需要預(yù)測某人對藥物的反應(yīng)，或者在實(shí)施真實(shí)手術(shù)之前，通過數(shù)字模型測試不同的手術(shù)方案。
按照這一定義，幾乎任何能夠追蹤健康狀況的智能設(shè)備都可以被視為一種初級形式的數(shù)字孿生技術(shù)?！翱梢哉f，Apple Watch 以一種不那么復(fù)雜的方式滿足了數(shù)字孿生的基本定義?！盨teven Niederer 表示，“它可以告訴你是否有心房顫動?！?/p>
然而，像 Niederer 這樣的研究人員正在開發(fā)的數(shù)字孿生技術(shù)遠(yuǎn)比這些智能設(shè)備復(fù)雜得多，并且更加精細(xì)。它不僅可以提供個體化疾病風(fēng)險的指導(dǎo)，還能幫助確定最有效的藥物，甚至為手術(shù)過程提供精確的操作建議。
但要完全實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前仍有許多技術(shù)障礙需要克服。Niederer 指出，測量飛機(jī)和橋梁是一回事，而從人體獲取連續(xù)的數(shù)據(jù)流則要復(fù)雜得多，尤其是當(dāng)涉及到獲取心臟或大腦內(nèi)部的詳細(xì)功能數(shù)據(jù)時。目前，工程師主要依賴醫(yī)院和科研項目中之前收集的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建“患者特定模型”。這些模型通常是靜態(tài)的，并不具備實(shí)時更新的能力。
在現(xiàn)有的醫(yī)療數(shù)字孿生技術(shù)中，針對人類心臟的模型是發(fā)展最為先進(jìn)的。這部分是因為心臟在功能上類似于泵——這種機(jī)械設(shè)備工程師們早已非常熟悉；另一方面，心臟病是全球范圍內(nèi)健康問題和死亡的主要原因之一，因而心臟模型具有極高的研究價值。El-Bouri 指出，隨著成像技術(shù)和計算機(jī)處理能力的不斷進(jìn)步，研究人員現(xiàn)在可以以臨床需求的精確度來模擬心臟這一復(fù)雜器官。
構(gòu)建一顆數(shù)字心臟
構(gòu)建數(shù)字心臟的第一步是對真實(shí)心臟進(jìn)行成像。盡管不同研究團(tuán)隊的方法可能有所不同，但通常會從對患者心臟進(jìn)行 MRI 和 CT 掃描入手。這些掃描圖像被輸入到計算機(jī)軟件中，用來生成一個 3D 動態(tài)模型。有些掃描還能標(biāo)記出受損的組織區(qū)域，這些區(qū)域可能會影響控制心臟肌肉收縮的電脈沖在心臟內(nèi)的傳播路徑。
接下來的步驟是將這個 3D 模型分解成極小的單元。工程師們將這種分解后的結(jié)構(gòu)稱為“計算網(wǎng)格”（computational mesh）。它看起來像一個由成千上萬個 3D 小塊組成的心臟圖像。每個小塊代表一小組細(xì)胞，并可以根據(jù)其傳導(dǎo)電脈沖的能力賦予特定的數(shù)學(xué)屬性?！耙磺卸?xì)w結(jié)為數(shù)學(xué)方程?！奔s翰霍普金斯大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授 Natalia Trayanova 解釋道。
目前，這些屬性的確定仍然涉及一定程度的近似。工程師通常依據(jù)現(xiàn)有的關(guān)于人類心臟的研究或與患者疾病相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，推斷出心臟各部分的工作狀態(tài)。最終，這些推斷生成了一個能夠跳動和泵血的虛擬心臟模型。“當(dāng)我們擁有這個模型時，你可以對它進(jìn)行各種試驗，看看在不同情況下會發(fā)生什么。”約翰霍普金斯大學(xué)的 Natalia Trayanova 說道。
她開發(fā)的數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)被用于幫助患有心房顫動（AF）的患者。心房顫動是一種常見的疾病，會導(dǎo)致心跳過快或不規(guī)則。一種治療方法是燒除引起節(jié)律紊亂的心臟組織部分。通常情況下，這需要外科醫(yī)生根據(jù)經(jīng)驗判斷具體需要燒除的區(qū)域。
在 Trayanova 的工作中，這些“試驗”旨在幫助外科醫(yī)生作出更精確的決策。心臟掃描可以標(biāo)記出一些受損或疤痕組織的區(qū)域，而她的團(tuán)隊利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型，以更準(zhǔn)確地定位節(jié)律紊亂的根源。模型通常會建議燒除兩到三個區(qū)域，但在極少數(shù)情況下，它可能會顯示更多區(qū)域?！八麄冎荒芟嘈盼覀儭！盩rayanova 說道。截至目前，已有 59 名患者參與了這項技術(shù)的試驗，未來還計劃擴(kuò)大覆蓋范圍。
在類似的案例中，模型并不總需要實(shí)時更新。Trayanova 指出，例如，一位心臟外科醫(yī)生可能只需要運(yùn)行模擬來確定設(shè)備植入的最佳位置。“一旦手術(shù)完成，可能就不再需要額外的數(shù)據(jù)支持。”她補(bǔ)充道。
準(zhǔn)患者
在倫敦哈默史密斯醫(yī)院校園的實(shí)驗室里，Steven Niederer 也在致力于構(gòu)建虛擬心臟模型。他的研究重點(diǎn)是探索這些模型是否能夠幫助確定心臟起搏器的最佳植入位置。他的方法與 Natalia Trayanova 的研究類似，但他的模型還整合了患者的心電圖（ECG）數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能夠揭示電脈沖如何通過心臟組織傳播。
到目前為止，Niederer 和他的團(tuán)隊已發(fā)表了一項針對 10 名患者的試驗研究，評估了心臟模型的效果。不過，這些模型尚未正式用于手術(shù)決策。盡管如此，他已經(jīng)收到設(shè)備制造商的請求，希望利用這些模型進(jìn)行虛擬產(chǎn)品測試。例如，有幾家公司要求他幫助選擇適合電池驅(qū)動起搏器放置的位置，以確保設(shè)備不會接觸心臟組織。Niederer 和他的團(tuán)隊不僅能夠通過虛擬測試完成這些任務(wù)，還可以針對不同大小的心臟進(jìn)行模擬測試。他們能夠在數(shù)百種虛擬心臟中，評估設(shè)備在上百個潛在位置的表現(xiàn)，并且可以在一周內(nèi)完成整個過程。
這種在計算機(jī)上運(yùn)行的臨床試驗被稱為“in silico trials”。在某些情況下，不僅試驗本身是數(shù)字化的，甚至參與的志愿者也是虛擬的。
Wahbi El-Bouri 和他的團(tuán)隊正在探索為臨床試驗創(chuàng)建“合成”參與者的方法。他們從真實(shí)人群中收集數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)構(gòu)建全新的數(shù)字器官，這些虛擬器官混合了真實(shí)志愿者的各種特征。
這類“in silico trials”尤其在研究孕婦治療方案方面展現(xiàn)了潛力，因為孕婦通常被排除在許多傳統(tǒng)臨床試驗之外。
Wahbi El-Bouri 的研究之一聚焦于中風(fēng)，這是一種由于血栓或出血引發(fā)的醫(yī)學(xué)緊急情況，會導(dǎo)致部分腦區(qū)的血流受阻。在研究中，他的團(tuán)隊會模擬大腦及其供血的血管網(wǎng)絡(luò)?！拔覀兛梢曰诨颊邤?shù)據(jù)，生成許多不同形狀和大小的大腦模型?！盓l-Bouri 解釋道。一旦生成了一組合成的患者大腦模型，就可以測試血栓如何影響血液或氧氣的流動，以及大腦組織的哪些區(qū)域會受到影響。他們還可以測試某些藥物的效果，或模擬通過支架移除血栓后的情況。
在另一個項目中，El-Bouri 正在創(chuàng)建合成視網(wǎng)膜。他的團(tuán)隊利用約 100 名真實(shí)人的視網(wǎng)膜掃描數(shù)據(jù)，輕松生成 200 個或更多的合成眼球模型?！拜p而易舉?！彼f。關(guān)鍵在于找出血管分布的數(shù)學(xué)規(guī)律，并通過一組算法重現(xiàn)這一規(guī)律。他希望將這些合成視網(wǎng)膜用于藥物試驗，例如研究治療年齡相關(guān)性黃斑變性（這種常見疾病可能導(dǎo)致失明）的最佳劑量。
這種“in silico trials”在幫助確定孕期治療方案方面尤為重要。由于實(shí)驗性治療可能對胎兒造成潛在風(fēng)險，孕婦這一群體通常被排除在許多臨床試驗之外。Michelle Oyen 是底特律韋恩州立大學(xué)的一名生物醫(yī)學(xué)工程教授，她正致力于孕期數(shù)字孿生模型的研究。
創(chuàng)建孕期數(shù)字孿生模型面臨許多挑戰(zhàn)，首要問題是數(shù)據(jù)獲取的困難。懷孕期間，通常建議孕婦避免非必要的掃描或侵入性檢查?！拔覀兡塬@取的數(shù)據(jù)非常有限?！監(jiān)yen 說道。不過，她的團(tuán)隊利用了超聲影像數(shù)據(jù)，其中包括一種能夠測量血流的超聲技術(shù)。通過這些圖像，他們可以觀察子宮和胎盤中的血流如何與胎兒的生長發(fā)育相關(guān)聯(lián)。
目前，Oyen 和她的團(tuán)隊并沒有創(chuàng)建胎兒本身的模型，而是專注于胎兒的生存環(huán)境，包括胎盤和子宮。胎盤是支持胎兒生長發(fā)育的關(guān)鍵器官，如果胎盤功能退化，可能導(dǎo)致悲劇性的死胎結(jié)果。她正在研究如何在孕期實(shí)時監(jiān)測胎盤功能。這些數(shù)據(jù)可以反饋到數(shù)字孿生模型中，從而幫助醫(yī)生及時干預(yù)以挽救胎兒的生命。“我認(rèn)為這將是孕期研究的一個重大突破?！彼f道，“因為它為孕期研究提供了一種低風(fēng)險的方式，不會對胎兒或母體造成影響?！?/p>
另一個項目中，Oyen 的團(tuán)隊正在研究剖腹產(chǎn)留下的疤痕如何影響未來妊娠。剖腹產(chǎn)會在腹部和子宮的多層組織上留下切口，如果疤痕愈合不良，就可能成為子宮的薄弱點(diǎn)，從而影響后續(xù)懷孕的安全性。通過在數(shù)字孿生模型中模擬這些疤痕，團(tuán)隊希望預(yù)測未來妊娠的可能風(fēng)險，并判斷是否需要額外的專業(yè)護(hù)理。
Oyen 的長期目標(biāo)是創(chuàng)建一個完整的孕期虛擬模型，包括子宮、胎兒及其生存環(huán)境。“但我們離這一目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)——比起心血管領(lǐng)域的研究，我們落后了幾十年，”她說道?！斑@就是孕期研究的現(xiàn)狀，”她總結(jié)道，“我們總是落后幾十年?！?/p>
數(shù)字孿生的全身化目標(biāo)
創(chuàng)建虛擬的身體部位是數(shù)字孿生技術(shù)的重要起點(diǎn)，但人類的身體是一個復(fù)雜的整體，各個器官和系統(tǒng)之間密切關(guān)聯(lián)。因此，這項技術(shù)的宏偉目標(biāo)是復(fù)制完整的人體?！皬拈L遠(yuǎn)來看，擁有一個完整的數(shù)字人體將是非常理想的目標(biāo)。”Wahbi El-Bouri 說道。
這個目標(biāo)可能比人們想象的更接近實(shí)現(xiàn)。許多研究團(tuán)隊已經(jīng)在獨(dú)立開發(fā)心臟、大腦、肺、腎臟、肝臟、肌肉骨骼系統(tǒng)、血管、免疫系統(tǒng)、眼睛、耳朵等器官的數(shù)字模型?！叭绻覀兡軐⑷蛩袕氖聰?shù)字孿生研究的團(tuán)隊匯集在一起，我相信我們可以拼湊出一個完整的數(shù)字人體?！盓l-Bouri 表示，并補(bǔ)充道：“甚至可能有人已經(jīng)在研究舌頭的模型。”
然而，真正的挑戰(zhàn)在于如何整合這些分散的研究成果，因為各團(tuán)隊使用的研究方法和編寫的代碼往往不同。“所有的組件其實(shí)已經(jīng)存在?！彼f，“問題是如何將它們組合在一起?！?/p>
理論上，這樣的全身數(shù)字孿生模型可以徹底革新醫(yī)療保健。Natalia Trayanova 設(shè)想了一個未來，數(shù)字孿生將作為個人醫(yī)療記錄的一部分，醫(yī)生可以借助它量身定制治療方案，從而大幅提高醫(yī)療決策的精準(zhǔn)性和效率。
“從技術(shù)上講，如果有人真的投入足夠的精力，通過器官掃描和數(shù)字孿生模型，確實(shí)有可能拼湊出一個人的身份。”
Wahbi El-Bouri 表示，對于數(shù)字孿生這一概念，人們的反應(yīng)存在明顯分歧。有些人認(rèn)為這一技術(shù)“非常令人興奮且很酷”，但也有人強(qiáng)烈反對在計算機(jī)上保存自己的虛擬副本，“他們完全不想?yún)⑴c其中。”他認(rèn)為，研究人員需要更加積極地與公眾交流，了解人們對這項技術(shù)的真實(shí)看法和顧慮。
此外，還有關(guān)于患者自主權(quán)的擔(dān)憂。如果醫(yī)生能夠直接訪問患者的數(shù)字孿生，并依賴其指導(dǎo)醫(yī)療決策，那么患者自身的意見在這一過程中可能會被弱化。一些開發(fā)數(shù)字孿生技術(shù)的研究人員指出，這些模型甚至可能顯示患者是否按時服藥或近期飲食狀況。這是否會導(dǎo)致醫(yī)生更傾向于依賴數(shù)字孿生，而不是患者的自述？
“醫(yī)生不應(yīng)該繞過患者而僅僅‘詢問機(jī)器’，”德國波恩大學(xué)的社會倫理學(xué)家 Matthias Braun 指出，“這可能缺乏知情同意，侵犯患者自主權(quán)，甚至帶來傷害?！彼麖?qiáng)調(diào)，即使是患有相同疾病的兩位患者，他們的生活經(jīng)歷和需求也可能截然不同，不能簡單地用數(shù)字模型來取代人與人之間的溝通和理解。
然而，在一些情況下，比如患者昏迷時，臨床醫(yī)生通常需要找到一個代理人代為作出治療決策。Braun 提議，一個基于患者醫(yī)療數(shù)據(jù)和數(shù)字行為訓(xùn)練出的數(shù)字心理孿生，可能比不了解患者偏好的親屬更適合作為決策代理。
如果數(shù)字孿生在患者護(hù)理中引發(fā)倫理問題，那么在“in silico trials”中也可能面臨類似爭議。南非開普敦大學(xué)的倫理學(xué)家 Jantina de Vries 提到，用于創(chuàng)建數(shù)字孿生和合成“準(zhǔn)患者”的數(shù)據(jù)通常來源于能夠接受掃描和監(jiān)控的人群，而那些生活在非洲大陸等資源匱乏地區(qū)的人，往往無法參與其中?！皵?shù)據(jù)稀缺直接導(dǎo)致這些技術(shù)無法針對多樣化的人群進(jìn)行優(yōu)化，”她解釋道。
為了解決這一問題，De Vries 主張數(shù)據(jù)應(yīng)該作為一種公共資源，確保更多人能夠受益于數(shù)字孿生技術(shù)。她建議，所有數(shù)據(jù)都應(yīng)被匿名化，并存儲在全球研究人員可以訪問的公共數(shù)據(jù)庫中。
Natalia Trayanova 強(qiáng)調(diào)，在她的研究中，參與者需要明確授權(quán)她訪問他們的數(shù)據(jù)及身份信息?！拔抑狸P(guān)于他們的一切。”她說。
Steven Niederer 則指出，他的研究團(tuán)隊所獲取的數(shù)據(jù)是經(jīng)過匿名化處理的。參與者需同意數(shù)據(jù)的使用范圍，比如研究團(tuán)隊可以訪問匿名化數(shù)據(jù)，而臨床醫(yī)生則可以查看全部醫(yī)療數(shù)據(jù)。他補(bǔ)充道，有時團(tuán)隊會請求參與者允許將完全匿名化的數(shù)據(jù)上傳到公共數(shù)據(jù)庫，但公司僅限于使用這些匿名數(shù)據(jù)。他保證，“我們不會與研究或醫(yī)療團(tuán)隊以外的任何人共享數(shù)據(jù)?！?/p>
El-Bouri 認(rèn)為，分享健康數(shù)據(jù)的患者應(yīng)當(dāng)獲得某種補(bǔ)償，例如優(yōu)先使用某些藥物或醫(yī)療設(shè)備。他也承認(rèn)，“完全實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匿名化并不容易，尤其是當(dāng)這些數(shù)據(jù)涉及掃描圖像和器官孿生模型時。”他坦率地說，“從技術(shù)上講，如果有人投入足夠的精力，通過這些數(shù)據(jù)和模型確實(shí)可能重新拼湊出一個人的身份。”
當(dāng)我看到那些匿名的塑料心臟時，它們安靜地堆放在一個紙箱里，似乎已經(jīng)完全脫離了它們所代表的真實(shí)生命。然而，數(shù)字孿生卻不同。它們是動態(tài)的、活生生的數(shù)字再現(xiàn)。
“人們經(jīng)常認(rèn)為，這只是個模擬而已?！盓l-Bouri 說道，“但它其實(shí)是一個個體的數(shù)字化呈現(xiàn)。”
https://www.technologyreview.com/2024/12/19/1108447/digital-twins-human-organs-medical-treatment-drug-trials/
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