數(shù)字孿生有望改變醫(yī)學(xué)未來
劉 霞
在巴塞羅那郊區(qū)一座19世紀(jì)小教堂的墻壁上，一顆心在慢慢收縮。但這不是一顆真正的心臟，而是一顆仍在患者胸腔內(nèi)跳動的心臟的虛擬副本——所謂的“數(shù)字孿生體”，其擁有100億個模擬細(xì)胞。
美國《時代》周刊在近日的報道中指出，目前全球很多科學(xué)家正在構(gòu)建包括心臟等在內(nèi)的人體器官和組織的數(shù)字孿生體，這些模型可廣泛應(yīng)用于預(yù)測和預(yù)防疾病、測試療法等多個方面，有望徹底改變未來醫(yī)學(xué)的面貌，實現(xiàn)真正的個性化醫(yī)療。
人體器官“數(shù)字孿生”頻現(xiàn)
“數(shù)字孿生”是近年來最受矚目的技術(shù)趨勢之一。事實上，已經(jīng)有一些大公司將這項技術(shù)應(yīng)用到航空航天與防務(wù)、自然資源、建筑與智慧城市等領(lǐng)域，當(dāng)然也包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
讓我們想象一下：醫(yī)生在計算機中存儲了我們每個人的數(shù)字副本，萬一我們出現(xiàn)任何事故或疾病，專家們會首先在這個副本身上測試治療方法。雖然這聽起來像科幻，但全世界已經(jīng)有多個團隊致力于研究并提升此項技術(shù)。科學(xué)家們認(rèn)為，最好的起點是心臟。
在德國海德堡大學(xué)醫(yī)院，放著一名患者真實心臟的數(shù)字孿生體，其外觀和律動與原心臟一樣，且每個細(xì)胞、每塊肌肉也與真人的心臟無異，唯一不同的是，它只在屏幕中存在和“呼吸”。
《時代》周刊報道指出，世界多地正在創(chuàng)建心臟的數(shù)字孿生體。如英國倫敦國王學(xué)院雷扎·拉扎維團隊創(chuàng)建數(shù)字孿生心臟模型來預(yù)測心動過速，這是心臟性猝死的主要原因；美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)娜塔莉·特拉婭諾娃團隊也在創(chuàng)建心臟的數(shù)字孿生體，以幫助治療不規(guī)則心跳；西班牙巴塞羅那超級計算機中心科學(xué)家開發(fā)的心臟數(shù)字孿生模型由約1億個虛擬心臟細(xì)胞組成，可揭示衰竭的心臟如何失去泵送能力，以及心臟藥物引起的危險心律失常。
據(jù)美國醫(yī)學(xué)未來學(xué)家網(wǎng)站報道，也有公司開發(fā)出了人體其他器官的數(shù)字孿生模型。如惠普與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作開展的“藍腦項目”，利用其超級計算機，為研究目的創(chuàng)建大腦的數(shù)字模型；西門子公司也在開發(fā)肺和肝臟等器官的數(shù)字孿生模型。
人工智能和超算加持
在人工智能與超級計算機的加持下，數(shù)字孿生體的用途日益廣泛。
海德堡大學(xué)醫(yī)院的數(shù)字孿生體可在超級計算機上運行，幫助醫(yī)生預(yù)測患者真實的心臟對特定治療的反應(yīng)。參與這些項目的科學(xué)家們認(rèn)為，這種創(chuàng)造虛擬細(xì)胞、組織和器官的研究是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的革命性舉措。
人工智能技術(shù)有助于科學(xué)家們?yōu)槿梭w器官設(shè)計數(shù)字孿生體。西門子醫(yī)療公司正在龐大的數(shù)據(jù)庫上訓(xùn)練其算法，該數(shù)據(jù)庫包含超過2.5億張帶注釋的圖像、報告和手術(shù)數(shù)據(jù)，研究團隊可借此根據(jù)患者數(shù)據(jù)設(shè)計其數(shù)字心臟模型。醫(yī)生可在模型上測試療法并查看結(jié)果，最終為特定患者選擇最佳療法。
此外，英國牛津大學(xué)計算醫(yī)學(xué)教授布蘭卡·羅德里格斯團隊達到了心臟數(shù)字孿生領(lǐng)域的一個重要里程碑：其心臟數(shù)字孿生提供的預(yù)測結(jié)果比同類動物研究獲得的結(jié)果更準(zhǔn)確。例如，在一項虛擬的藥物試驗中，研究團隊在人體心臟細(xì)胞數(shù)字孿生模型中測試了62種藥物和化合物導(dǎo)致心律異常的風(fēng)險，在一千多次試驗中準(zhǔn)確率為89%，而動物研究的準(zhǔn)確性為75%。
未來可期，挑戰(zhàn)仍巨
德國海德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院心臟病專家本雅明·梅德爾指出，未來的醫(yī)生了解某個病人所有的器官功能，所有的細(xì)胞功能，將能提前幾周或幾個月預(yù)測哪些患者會生病，某名患者對某種療法會產(chǎn)生何種反應(yīng)，哪些患者對某種療法受益最大等，這可能會徹底改變醫(yī)學(xué)的面貌。
不過，運行人體或器官數(shù)字孿生體所需的計算能力可能令人望而生畏。例如，對于“藍腦項目”，為單個神經(jīng)元建模就需要求解大約2萬個常微分方程。對于整個大腦區(qū)域，必須同時求解100億個方程。
此外，也有科學(xué)家建議對該技術(shù)進行監(jiān)管。人體器官數(shù)字孿生研究專家、英國科學(xué)家丹尼斯·諾布爾指出，10年后，人們將看到人類的數(shù)字孿生體。技術(shù)本身并不壞，問題是它的用途，因此有必要進行道德辯論并制定法律對其發(fā)展予以規(guī)范，以確保技術(shù)不被濫用。
