打造你的數(shù)字分身：精準醫(yī)療背后的秘密武器

健康的心臟以每分鐘60～100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)律地運作。

陳列在英國倫敦西部的一間實驗室里的約20個塑料心臟，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院的生物醫(yī)學工程師斯蒂芬·尼德爾利用辦公室的3D打印機將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實物心臟。

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?；蛟S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，但斯蒂芬·尼德爾的興趣更集中于計算機模擬。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作?？茖W家可以對這些虛擬心臟進行“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)進入臨床試驗階段，并開始應用于患者護理。與此同時，科學家們還在開發(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”，在真實治療之前進行虛擬實驗，從而為醫(yī)療決策提供可靠依據(jù)。

對像斯蒂芬這樣的工程師來說，這是一個既令人興奮又觸手可及的未來。已有幾項試點研究成功開展，更大規(guī)模的臨床試驗正在進行中。業(yè)內(nèi)預測，未來五到十年內(nèi)，基于器官的數(shù)字孿生技術(shù)將成為臨床護理的一部分，為診斷和手術(shù)決策提供重要支持。更遠的未來，人類甚至可以借助虛擬身體進行全面的臨床試驗。

不過，這項技術(shù)的快速發(fā)展也引發(fā)了一些擔憂。一些人質(zhì)疑，高度個性化的數(shù)據(jù)應由誰掌握，以及可能面臨的濫用風險；另一些人擔心，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，試圖在計算機中“復制人類”的概念也讓部分人感到不安。研究數(shù)字孿生技術(shù)的瓦赫比·布里表示：“有些人可能會說，‘我不希望你復制我?！驗樗麄儠X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)在其他工程領域已經(jīng)非常成熟，例如，它早已用于模擬機械設備和基礎設施。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)療健康領域的人來說，它卻有著非常具體的意義。

利物浦大學的生物醫(yī)學工程師瓦赫比·布里將數(shù)字孿生技術(shù)分為三個獨立的部分：

第一部分是被模擬的對象。這個對象可以是噴氣發(fā)動機、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)字復制品。數(shù)字副本是通過對真實物體進行大量測量后創(chuàng)建的，這些測量數(shù)據(jù)被輸入計算機。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，尤其是當你需要獲取心臟或大腦內(nèi)部功能的詳細信息時。

信息傳遞在數(shù)字孿生技術(shù)中應當是雙向的。就像傳感器可以從人體心臟中收集數(shù)據(jù)一樣，計算機也能夠基于這些數(shù)據(jù)進行模擬，預測潛在結(jié)果，并將這些信息反饋給患者或醫(yī)療提供者。例如，醫(yī)療團隊可能需要預測某人對藥物的反應，或者在實施真實手術(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，蘋果手表以一種不那么復雜的方式滿足了數(shù)字孿生的基本定義?！彼沟俜摇つ岬聽柋硎?，“它可以告訴你是否有心房顫動?！?/p>

然而，像斯蒂芬這樣的研究人員正在開發(fā)的數(shù)字孿生技術(shù)遠比這些智能設備復雜得多，并且更加精細。它不僅可以提供個體化疾病風險的指導，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。

但要完全實現(xiàn)這一目標，目前仍有許多技術(shù)障礙需要克服。斯蒂芬指出，測量飛機和橋梁是一回事，而從人體獲取連續(xù)的數(shù)據(jù)流則要復雜得多，尤其是當涉及獲取心臟或大腦內(nèi)部的詳細功能數(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)展最為先進的。這部分是因為心臟在功能上類似于泵——這種機械設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。瓦赫比指出，隨著成像技術(shù)和計算機處理能力的不斷進步，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心臟進行成像。盡管不同研究團隊的方法可能有所不同，但通常會從對患者心臟進行MRI和CT掃描入手。這些掃描圖像被輸入到計算機軟件中，用來生成一個3D動態(tài)模型。有些掃描還能標記出受損的組織區(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”。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胞，并可以根據(jù)其傳導電脈沖的能力賦予特定的數(shù)學屬性?！耙磺卸細w結(jié)為數(shù)學方程?！奔s翰霍普金斯大學生物醫(yī)學工程教授納塔莉亞·特拉雅諾娃解釋道。

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)有的關于人類心臟的研究或與患者疾病相關的研究數(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?！爱斘覀儞碛羞@個模型時，你可以對它進行各種試驗，看看在不同情況下會發(fā)生什么?！奔{塔莉亞·特拉雅諾娃說道。

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。

在納塔莉亞的工作中，這些“試驗”旨在幫助外科醫(yī)生作出更精確的決策。心臟掃描可以標記出一些受損或疤痕組織的區(qū)域，而她的團隊利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生模型，以更準確地定位節(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?。”納塔莉亞說道。截至目前，已有59名患者參與了這項技術(shù)的試驗，未來還計劃擴大覆蓋范圍。

在類似的案例中，模型并不總需要實時更新。納塔莉亞指出，例如，一位心臟外科醫(yī)生可能只需要運行模擬來確定設備植入的最佳位置?！耙坏┦中g(shù)完成，可能就不再需要額外的數(shù)據(jù)支持?！彼a充道。

準患者

在倫敦哈默史密斯醫(yī)院校園的實驗室里，斯蒂芬·尼德爾也在致力于構(gòu)建虛擬心臟模型。他的研究重點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。他的方法與納塔莉亞的研究類似，但他的模型還整合了患者的心電圖數(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，斯蒂芬·尼德爾和他的團隊已發(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)收到設備制造商的請求，希望利用這些模型進行虛擬產(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，以確保設備不會接觸心臟組織。斯蒂芬·尼德爾和他的團隊不僅能夠通過虛擬測試完成這些任務，還可以針對不同大小的心臟進行模擬測試。他們能夠在數(shù)百種虛擬心臟中，評估設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。

這種在計算機上運行的臨床試驗被稱為“in silico trials”（“計算機模擬試驗”）。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。

瓦赫比·布里和他的團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。

瓦赫比·布里的研究之一聚焦于中風，這是一種由于血栓或出血引發(fā)的醫(yī)學緊急情況，會導致部分腦區(qū)的血流受阻。在研究中，他的團隊會模擬大腦及其供血的血管網(wǎng)絡?！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?！蓖吆毡冉忉尩?。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，瓦赫比·布里正在創(chuàng)建合成視網(wǎng)膜。他的團隊利用約100名真實人的視網(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。關鍵在于找出血管分布的數(shù)學規(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性黃斑變性（這種常見疾病可能導致失明）的最佳劑量。

這種“in silico trials”（“計算機模擬試驗”）在幫助確定孕期治療方案方面尤為重要。由于實驗性治療可能對胎兒造成潛在風險，孕婦這一群體通常被排除在許多臨床試驗之外。米歇爾·奧恩是底特律韋恩州立大學的一名生物醫(yī)學工程教授，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?！泵仔獱栒f道。不過，她的團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)育相關聯(lián)。

目前，米歇爾和她的團隊并沒有創(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)育的關鍵器官，如果胎盤功能退化，可能導致悲劇性的死胎結(jié)果。她正在研究如何在孕期實時監(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)生及時干預以挽救胎兒的生命。“我認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險的方式，不會對胎兒或母體造成影響?！?/p>

另一個項目中，米歇爾的團隊正在研究剖腹產(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，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，團隊希望預測未來妊娠的可能風險，并判斷是否需要額外的專業(yè)護理。

米歇爾的長期目標是創(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?！暗覀冸x這一目標還很遙遠——比起心血管領域的研究，我們落后了幾十年?！彼f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

創(chuàng)建虛擬的身體部位是數(shù)字孿生技術(shù)的重要起點，但人類的身體是一個復雜的整體，各個器官和系統(tǒng)之間密切關聯(lián)。因此，這項技術(shù)的宏偉目標是復制完整的人體。“從長遠來看，擁有一個完整的數(shù)字人體將是非常理想的目標。”瓦赫比說道。

這個目標可能比人們想象的更接近實現(xiàn)。許多研究團隊已經(jīng)在獨立開發(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?！蓖吆毡缺硎?，并補充道：“甚至可能有人已經(jīng)在研究舌頭的模型?！?/p>

然而，真正的挑戰(zhàn)在于如何整合這些分散的研究成果，因為各團隊使用的研究方法和編寫的代碼往往不同?！八械慕M件其實已經(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。納塔莉亞·特拉雅諾娃設想了一個未來，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，確實有可能拼湊出一個人的身份?！?/p>

瓦赫比·布里表示，對于數(shù)字孿生這一概念，人們的反應存在明顯分歧。有些人認為這一技術(shù)“非常令人興奮且很酷”，但也有人強烈反對在計算機上保存自己的虛擬副本，“他們完全不想?yún)⑴c其中?！彼J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)的真實看法和顧慮。

此外，還有關于患者自主權(quán)的擔憂。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)生不應該繞過患者而僅僅‘詢問機器’，”德國波恩大學的社會倫理學家馬蒂亞斯·博朗指出，“這可能缺乏知情同意，侵犯患者自主權(quán)，甚至帶來傷害。”他強調(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。馬蒂亞斯·博朗提議，一個基于患者醫(yī)療數(shù)據(jù)和數(shù)字行為訓練出的數(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)字孿生在患者護理中引發(fā)倫理問題，那么在“in silico trials”（“計算機模擬試驗”）中也可能面臨類似爭議。南非開普敦大學的倫理學家詹蒂娜·德·弗里斯提到，用于創(chuàng)建數(shù)字孿生和合成“準患者”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。“數(shù)據(jù)稀缺直接導致這些技術(shù)無法針對多樣化的人群進行優(yōu)化?！彼忉尩?。

為了解決這一問題，詹蒂娜主張數(shù)據(jù)應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。

納塔莉亞·特拉雅諾娃強調(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。“我知道關于他們的一切?！彼f。

斯蒂芬·尼德爾則指出，他的研究團隊所獲取的數(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)。他補充道，有時團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)療團隊以外的任何人共享數(shù)據(jù)?！?/p>

瓦赫比認為，分享健康數(shù)據(jù)的患者應當獲得某種補償，例如優(yōu)先使用某些藥物或醫(yī)療設備。他也承認，完全實現(xiàn)數(shù)據(jù)匿名化并不容易，尤其是當這些數(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)和模型確實可能重新拼湊出一個人的身份?！?/p>

當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)常認為，這只是個模擬而已?！蓖吆毡日f道，“但它其實是一個個體的數(shù)字化呈現(xiàn)?！?/p>