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数字孪生有望改变医学未来

来源:本站   发布时间: 2023-04-24 22:26:38   字号: [大] [中] [小]

在巴塞罗那郊区一座19世纪小教堂的墙壁上,一颗心在慢慢收缩。但这不是一颗真正的心脏,而是一颗仍在患者胸腔内跳动的心脏的虚拟副本——所谓的“数字孪生体”,其拥有100亿个模拟细胞。

美国《时代》周刊在近日的报道中指出,目前全球很多科学家正在构建包括心脏等在内的人体器官和组织的数字孪生体,这些模型可广泛应用于预测和预防疾病、测试疗法等多个方面,有望彻底改变未来医学的面貌,实现真正的个性化医疗。

人体器官“数字孪生”频现

“数字孪生”是近年来最受瞩目的技术趋势之一。事实上,已经有一些大公司将这项技术应用到航空航天与防务、自然资源、建筑与智慧城市等领域,当然也包括医学领域。

让我们想象一下:医生在计算机中存储了我们每个人的数字副本,万一我们出现任何事故或疾病,专家们会首先在这个副本身上测试治疗方法。虽然这听起来像科幻,但全世界已经有多个团队致力于研究并提升此项技术。科学家们认为,最好的起点是心脏。心脏相关疾病目前仍然是全球头号死因,如英国每年1/4的逝者死于心脏病。

在德国海德堡大学医院,放着一名患者真实心脏的数字孪生体,其外观和律动与原心脏一样,且每个细胞、每块肌肉也与真人的心脏无异,唯一不同的是,它只在屏幕中存在和“呼吸”。

《时代》周刊报道指出,世界多地正在创建心脏的数字孪生体。如英国伦敦国王学院雷扎·拉扎维团队创建数字孪生心脏模型来预测心动过速,这是心脏性猝死的主要原因;美国约翰斯·霍普金斯大学娜塔莉·特拉娅诺娃团队也在创建心脏的数字孪生体,以帮助治疗不规则心跳;西班牙巴塞罗那超级计算机中心科学家开发的心脏数字孪生模型由约1亿个虚拟心脏细胞组成,可揭示衰竭的心脏如何失去泵送能力,以及心脏药物引起的危险心律失常。

据美国医学未来学家网站报道,也有公司开发出了人体其他器官的数字孪生模型。如惠普与瑞士洛桑联邦理工学院合作开展的“蓝脑项目”,利用其超级计算机,为研究目的创建大脑的数字模型;西门子公司也在开发肺和肝脏等器官的数字孪生模型。

专家预测,未来10年内,人们将看到人类的数字孪生体。

人工智能和超算加持

数字孪生体是现实及其环境的计算机表现,在人工智能与超级计算机的加持下,数字孪生体的用途日益广泛。

海德堡大学医院的数字孪生体可在超级计算机上运行,帮助医生预测患者真实的心脏对特定治疗的反应。参与这些项目的科学家们认为,这种创造虚拟细胞、组织和器官的研究是现代医学的革命性举措。

人工智能技术有助于科学家们为人体器官设计数字孪生体。西门子医疗公司正在庞大的数据库上训练其算法,该数据库包含超过2.5亿张带注释的图像、报告和手术数据,研究团队可借此根据患者数据设计其数字心脏模型。医生可在模型上测试疗法并查看结果,最终为特定患者选择最佳疗法。

此外,英国牛津大学计算医学教授布兰卡·罗德里格斯团队达到了心脏数字孪生领域的一个重要里程碑:其心脏数字孪生提供的预测结果比同类动物研究获得的结果更准确。例如,在一项虚拟的药物试验中,研究团队在人体心脏细胞数字孪生模型中测试了62种药物和化合物导致心律异常的风险,在一千多次试验中准确率为89%,而动物研究的准确性为75%。

未来可期,挑战仍巨

德国海德堡大学医学院心脏病专家本雅明·梅德尔正在测试西门子公司的数字心脏软件,他指出,未来的医生了解某个病人所有的器官功能,所有的细胞功能,将能提前几周或几个月预测哪些患者会生病,某名患者对某种疗法会产生何种反应,哪些患者对某种疗法受益最大等,这可能会彻底改变医学的面貌。

不过,运行人体或器官数字孪生体所需的计算能力可能令人望而生畏。例如,对于“蓝脑项目”,为单个神经元建模就需要求解大约2万个常微分方程。对于整个大脑区域,必须同时求解100亿个方程。

此外,也有科学家建议对该技术进行监管。人体器官数字孪生研究专家、英国科学家丹尼斯·诺布尔指出,10年后,人们将看到人类的数字孪生体。技术本身并不坏,问题是它的用途,因此有必要进行道德辩论并制定法律对其发展予以规范。公民意识和个人责任也不可或缺,人们必须知道什么是利害攸关的,什么是危险的,以确保技术不被滥用。

 

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