虛擬數(shù)字孿生如何改變現(xiàn)代醫(yī)療實(shí)踐

2019年5月的一個早晨，波士頓兒童醫(yī)院的心臟外科醫(yī)生走進(jìn)手術(shù)室，準(zhǔn)備進(jìn)行一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的心臟重建手術(shù)。不過這次他比以往任何時候都更有把握，因?yàn)樗呀?jīng)在這個孩子身上虛擬地進(jìn)行了數(shù)十次手術(shù)練習(xí)。在做第一刀之前，他就知道該怎么做，更重要的是，他知道哪種策略能為這個孩子帶來最佳結(jié)果。

這是如何做到的？在此前的幾周里，醫(yī)院的外科和心臟工程團(tuán)隊(duì)合作，利用核磁共振和CT掃描數(shù)據(jù)，構(gòu)建了這個孩子心臟和周圍血管系統(tǒng)的完全功能模型。他們首先仔細(xì)地將醫(yī)學(xué)影像轉(zhuǎn)換為3D模型，然后運(yùn)用物理學(xué)原理讓3D心臟"活"起來，創(chuàng)造了患者生理機(jī)能的動態(tài)數(shù)字副本。這個模擬模型能夠重現(xiàn)這顆特殊心臟的獨(dú)特行為，包括血液流動、壓力差異和肌肉組織應(yīng)力等細(xì)節(jié)。

這種被稱為虛擬孿生的模型不僅能識別醫(yī)療問題，還能提供詳細(xì)的診斷洞察。在波士頓，團(tuán)隊(duì)使用這個模型預(yù)測孩子的心臟如何對任何切口或縫合做出反應(yīng)，讓外科醫(yī)生能夠測試多種策略，為這個患者的確切解剖結(jié)構(gòu)找到最佳方案。

那天，風(fēng)險(xiǎn)很高。這個患者有獨(dú)特的病癥——心房和心室之間有大洞，導(dǎo)致血液在四個心腔之間流動——沒有手冊或教科書能完全指導(dǎo)醫(yī)生。這種情況會給肺部造成壓力，所以醫(yī)生計(jì)劃進(jìn)行開胸手術(shù)，將下半身的脫氧血液直接導(dǎo)向肺部，繞過心臟。通常這種手術(shù)需要在高壓條件下臨場做決定，存在很高的不確定性。但這次不同，手術(shù)方案已經(jīng)提前測試過，整個團(tuán)隊(duì)在第一次切口之前就已經(jīng)排練過了。手術(shù)獲得了完全成功。

這樣的手術(shù)已經(jīng)在波士頓醫(yī)院成為常規(guī)操作。從第一個患者開始，已經(jīng)有近2000例手術(shù)在虛擬孿生模型的指導(dǎo)下進(jìn)行。這就是生命心臟項(xiàng)目背后技術(shù)的力量，我在2014年啟動了這個項(xiàng)目，比第一例手術(shù)早了五年。該項(xiàng)目最初是一個探索性倡議，看看建模人類心臟是否可能。現(xiàn)在擁有來自28個國家的150多個成員組織，項(xiàng)目包括數(shù)十個多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，他們定期使用心臟和其他重要器官的多尺度虛擬孿生。

這項(xiàng)技術(shù)正在重塑我們理解和治療人體的方式。要達(dá)到這個變革性時刻，我們必須解決一個根本挑戰(zhàn)：建造一個足夠精確、足夠可信的數(shù)字心臟來指導(dǎo)真實(shí)的臨床決策。

數(shù)組

現(xiàn)在進(jìn)入第二個十年的生命心臟項(xiàng)目，部分源于個人信念。多年來，我無奈地看著我的女兒杰西面臨無盡的診斷不確定性，她患有一種罕見的先天性心臟病，心室位置顛倒，隨著成長威脅著她的生命。作為工程師，我理解心臟是一個泵腔陣列，由電信號控制，血液流動由瓣膜仔細(xì)調(diào)節(jié)。但我努力想要充分理解我女兒心臟的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和行為，以便對她的護(hù)理做出有意義的貢獻(xiàn)。她的專科醫(yī)生知道像她這樣的孩子如果不治療將面臨暗淡前景，但因?yàn)槊總€患有她這種病癥的心臟在解剖學(xué)上都是獨(dú)特的，他們只能憑最佳猜測來指導(dǎo)關(guān)于做什么和何時做的決定。每個專家都有新的猜測。

然后我的工程好奇心激發(fā)了一個問題，這個問題此后一直指導(dǎo)著我的職業(yè)生涯：為什么我們不能像模擬汽車或飛機(jī)那樣模擬人體？

在波士頓的可視化中心，VR圖像幫助一個患有復(fù)雜心臟缺陷的小女孩的母親理解她孩子心臟的內(nèi)部運(yùn)作。

我的職業(yè)生涯致力于開發(fā)強(qiáng)大的計(jì)算工具來幫助工程師構(gòu)建復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字模型，使用的模型范圍從單個原子的相互作用到整個車輛的組件。這些模型的共同點(diǎn)是使用物理學(xué)來預(yù)測行為和優(yōu)化性能。但在今天的醫(yī)學(xué)中，這些基于物理學(xué)的方法很少用于決策。在大多數(shù)臨床環(huán)境中，治療決策仍然依賴于從靜態(tài)2D圖像、統(tǒng)計(jì)指南和回顧性研究中得出的判斷。

情況并非總是如此。歷史上，物理學(xué)是醫(yī)學(xué)的核心。"醫(yī)師"這個詞本身就可以追溯到拉丁語physica，意思是"自然科學(xué)"。早期的醫(yī)生在某種意義上是應(yīng)用物理學(xué)家。他們把心臟理解為泵，肺理解為風(fēng)箱，身體理解為動態(tài)系統(tǒng)。成為醫(yī)師意味著你是將物理學(xué)應(yīng)用于人體的大師。

隨著醫(yī)學(xué)的成熟，生物學(xué)和化學(xué)開始主導(dǎo)這個領(lǐng)域，物理學(xué)知識被拋在后面。但對于像我女兒、波士頓那個孩子以及數(shù)百萬像他們一樣的患者來說，結(jié)果受力學(xué)支配。沒有藥丸或藥膏——沒有基于化學(xué)的解決方案——能夠幫助，只有物理學(xué)。雖然當(dāng)時我沒有意識到，虛擬孿生可以讓現(xiàn)代醫(yī)生重新與他們的根源結(jié)合，使用工程原理、模擬科學(xué)和人工智能。

數(shù)組

生命心臟項(xiàng)目的概念很簡單：我們能否結(jié)合數(shù)百名跨多個專業(yè)的專家對人類心臟的了解，構(gòu)建一個足夠準(zhǔn)確可信、足夠靈活可個性化、足夠預(yù)測性能指導(dǎo)臨床護(hù)理的數(shù)字孿生？

我們邀請研究人員、臨床醫(yī)生、設(shè)備和藥物公司以及政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)分享他們的數(shù)據(jù)、工具和知識，朝著一個共同目標(biāo)努力，這將提升整個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。生命心臟項(xiàng)目啟動時有十幾個機(jī)構(gòu)加入。一年內(nèi)，我們創(chuàng)建了第一個完全功能的人類心臟虛擬孿生。

生命心臟不是解剖學(xué)渲染，調(diào)整來簡單復(fù)制我們觀察到的東西。它是一個第一原理模型，將心臟電氣系統(tǒng)中的纖維網(wǎng)絡(luò)——維持我們生命的生物電池——與心臟的機(jī)械反應(yīng)（我們稱之為心跳的肌肉收縮）結(jié)合起來。

生命心臟虛擬孿生模擬心臟如何跳動，提供不同視角幫助科學(xué)家和醫(yī)生更好地預(yù)測它如何對疾病或治療做出反應(yīng)。中心視圖顯示精細(xì)的工程網(wǎng)格，這是允許計(jì)算機(jī)建模心臟運(yùn)動的詳細(xì)框架。右側(cè)圖像使用顏色顯示驅(qū)動心跳的電波在肌肉中傳導(dǎo)，左側(cè)圖像顯示組織在拉伸和擠壓時承受多少應(yīng)變。

學(xué)術(shù)研究人員長期以來一直在探索心臟的計(jì)算模型，但這些項(xiàng)目通常受到他們可以訪問的技術(shù)的限制。我們的版本建立在達(dá)索系統(tǒng)的工業(yè)級模擬軟件上，這家公司以用于航空航天和汽車工程的建模工具而聞名，我在那里工作開發(fā)工程模擬部門。這個平臺為團(tuán)隊(duì)提供了工具，使用患者的核磁共振和CT數(shù)據(jù)、血壓讀數(shù)和超聲心動圖測量來個性化個體心臟模型，直接將掃描鏈接到模擬。

外科醫(yī)生然后開始使用生命心臟來建模手術(shù)。設(shè)備制造商用它來設(shè)計(jì)和測試植入物。制藥公司用它來評估藥物效果，如毒性。數(shù)百篇出版物從該項(xiàng)目中涌現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兌脊蚕硐嗤幕A(chǔ)，所以發(fā)現(xiàn)可以被重現(xiàn)、重用和建立。隨著每個應(yīng)用，研究社區(qū)對心臟的理解雪球般增長。

早期，我們還解決了這些創(chuàng)新到達(dá)患者的基本要求：監(jiān)管接受。在項(xiàng)目的第一年內(nèi)，美國食品藥品監(jiān)督管理局同意作為觀察員加入項(xiàng)目。在接下來的幾年里，使用虛擬心臟模型作為科學(xué)證據(jù)的方法開始在監(jiān)管研究項(xiàng)目中成形。2019年，我們與FDA設(shè)備和放射健康中心正式化了第二個五年合作，有一個具體目標(biāo)。

那個目標(biāo)是使用心臟模型創(chuàng)建虛擬患者群體，重新創(chuàng)建一個先前批準(zhǔn)的修復(fù)心臟二尖瓣設(shè)備的關(guān)鍵試驗(yàn)。這幫助我們的團(tuán)隊(duì)學(xué)會如何創(chuàng)建這樣的人群，讓FDA嘗試評估虛擬證據(jù)作為來自血肉患者證據(jù)的替代。2024年8月，我們發(fā)表了結(jié)果，創(chuàng)建了第一個FDA主導(dǎo)的計(jì)算機(jī)臨床試驗(yàn)指南，建立了簡化和降低整個臨床試驗(yàn)過程風(fēng)險(xiǎn)的新范式。

十年來，我們從許多人懷疑能夠?qū)崿F(xiàn)的概念發(fā)展到監(jiān)管現(xiàn)實(shí)。但建造心臟只是開始。遵循心臟團(tuán)隊(duì)設(shè)定的模板，我們已經(jīng)擴(kuò)展項(xiàng)目以開發(fā)其他器官的虛擬孿生，包括肺、肝臟、大腦、眼睛和腸道。每個對應(yīng)不同的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有自己的社區(qū)、數(shù)據(jù)類型和臨床用例。獨(dú)立工作，這些團(tuán)隊(duì)正在朝著我們對人體理解的突破前進(jìn)：一個多尺度、模塊化的孿生平臺，其中每個器官孿生都可以插入統(tǒng)一的虛擬人類。

數(shù)組

心臟數(shù)字孿生從醫(yī)學(xué)影像開始，通常是核磁共振、CT或兩者。切片被重建為心臟和連接血管的3D幾何形狀。然后必須將整個器官的幾何形狀分割為其組成部分，這樣每個子結(jié)構(gòu)——心房、心室、瓣膜等——都可以分配其獨(dú)特屬性。

此時，對象被轉(zhuǎn)換為功能性計(jì)算模型，可以表示各種心臟組織在負(fù)載下如何變形——力學(xué)。當(dāng)我們整合驅(qū)動肌肉組織機(jī)械收縮的電纖維網(wǎng)絡(luò)時，完整的數(shù)字孿生模型變得"活躍"。

心臟的每個部分，如左心室，都疊加了詳細(xì)的數(shù)字網(wǎng)格以重新創(chuàng)建其生理學(xué)。這些部分組合起來形成整個器官的解剖學(xué)精確渲染。

為了模擬循環(huán)，孿生添加血流動力學(xué)的計(jì)算模型，血液流動和壓力的物理學(xué)。模型受到血流、瓣膜行為和血管阻力的邊界條件約束，設(shè)定為密切匹配人類生理學(xué)。這讓模型預(yù)測血流模式、壓力差異和組織應(yīng)力。

最后，使用可用的患者數(shù)據(jù)個性化和校準(zhǔn)模型，如心臟腔室在心臟周期中體積變化多少、壓力測量和電脈沖時機(jī)。這意味著孿生不僅反映患者的解剖結(jié)構(gòu)，還反映他們特定心臟的功能。

數(shù)組

當(dāng)FDA計(jì)算機(jī)臨床試驗(yàn)倡議在2019年啟動時，項(xiàng)目的重點(diǎn)從這些特定患者的手工制作虛擬孿生轉(zhuǎn)向足夠大的隊(duì)列，可以代表整個試驗(yàn)人群。今天這種規(guī)模之所以可行，只是因?yàn)樘摂M孿生已經(jīng)與生成式AI融合。使用傳統(tǒng)數(shù)字孿生模擬來建模數(shù)千名患者對治療的反應(yīng)或預(yù)測多年疾病進(jìn)展是緩慢得令人望而卻步的。生成式AI消除了那個瓶頸。

AI以兩種互補(bǔ)方式提升虛擬孿生的能力。首先，機(jī)器學(xué)習(xí)算法在整合構(gòu)建高保真孿生所需的成像、傳感器和臨床記錄拼湊方面無與倫比。算法快速搜索數(shù)千個模型排列，根據(jù)患者數(shù)據(jù)對每個進(jìn)行基準(zhǔn)測試，并收斂到最準(zhǔn)確的表示。曾經(jīng)需要幾個月手動調(diào)整的工作流程現(xiàn)在可以在幾天內(nèi)完成，使得在人群規(guī)模隊(duì)列上進(jìn)行操作或在診所實(shí)時個性化單個孿生成為現(xiàn)實(shí)。

其次，用來自經(jīng)過驗(yàn)證的虛擬患者的數(shù)據(jù)豐富AI模型的訓(xùn)練集，將AI模擬建立在物理學(xué)基礎(chǔ)上。相比之下，許多傳統(tǒng)AI對患者軌跡的預(yù)測依賴于在回顧性數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的統(tǒng)計(jì)建模。這樣的模型可能偏離生理現(xiàn)實(shí)，但虛擬孿生將預(yù)測錨定在血流動力學(xué)、電生理學(xué)和組織力學(xué)定律中。這種額外的嚴(yán)謹(jǐn)性對研究和臨床護(hù)理都不可或缺——特別是在真實(shí)世界數(shù)據(jù)稀缺的領(lǐng)域，無論是因?yàn)榧膊『币娺€是因?yàn)槟承┗颊呷后w（如兒童）在現(xiàn)有數(shù)據(jù)集中代表不足。

數(shù)組

在研究方面，我們在2024年完成的FDA贊助的計(jì)算機(jī)臨床試驗(yàn)項(xiàng)目為醫(yī)學(xué)創(chuàng)新開啟了一個新世界。傳統(tǒng)臨床試驗(yàn)可能需要十年，90%的新藥物治療在過程中失敗。虛擬孿生結(jié)合AI方法，允許研究人員在模擬人類環(huán)境中快速設(shè)計(jì)和測試治療。通過小型虛擬孿生庫，AI模型可以快速創(chuàng)建廣泛的虛擬患者隊(duì)列來覆蓋一般人群的任何子集。隨著臨床數(shù)據(jù)變得可用，它可以被添加到訓(xùn)練集中以增加可靠性并實(shí)現(xiàn)更好的預(yù)測。

生命心臟項(xiàng)目已經(jīng)擴(kuò)展到心臟之外，對全身器官進(jìn)行建模。3D大腦重建顯示大腦白質(zhì)中連接大腦色彩編碼區(qū)域的主要通路。肺虛擬孿生將器官的幾何形狀與空氣流經(jīng)氣管進(jìn)入支氣管的基于物理的模擬相結(jié)合?；颊咦悴康臋M截面顯示承重時軟組織的應(yīng)變點(diǎn)。

虛擬孿生隊(duì)列可以通過構(gòu)建因年齡、性別、種族、體重、疾病狀態(tài)、合并癥和生活方式因素而異的個體"虛擬患者"來代表現(xiàn)實(shí)人群。這些孿生可以用作AI模型的豐富訓(xùn)練集，這可以將隊(duì)列從幾十個擴(kuò)展到數(shù)十萬個。接下來，虛擬隊(duì)列可以被過濾以識別可能對治療有反應(yīng)的患者，增加目標(biāo)人群成功試驗(yàn)的機(jī)會。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)還可以包括不太可能反應(yīng)或具有高風(fēng)險(xiǎn)因素的患者類型樣本，從而允許監(jiān)管機(jī)構(gòu)和臨床醫(yī)生了解對更廣泛人群的風(fēng)險(xiǎn)，而不會危及整體試驗(yàn)成功。這種方法提高了臨床研究的精度和效率，提供了以前只有在多年真實(shí)世界證據(jù)后才可用的人群級洞察。

當(dāng)然，盡管今天的心臟數(shù)字孿生很強(qiáng)大，但它們不是完美的復(fù)制品。它們的準(zhǔn)確性受到三個主要因素的限制：我們能測量什么（例如，圖像分辨率或組織在現(xiàn)實(shí)生活中如何表現(xiàn)的不確定性）、我們必須對生理學(xué)假設(shè)什么，以及我們能對真實(shí)結(jié)果驗(yàn)證什么。許多輸入，如疤痕、微血管功能或藥物效果，在臨床上很難捕獲，所以模型經(jīng)常依賴人群數(shù)據(jù)或間接估計(jì)。這意味著預(yù)測對某些問題可能高度可靠，但對其他問題仍然不太確定。此外，今天的數(shù)字孿生缺乏預(yù)測未來幾年長期結(jié)果的驗(yàn)證，因?yàn)樵摷夹g(shù)只使用了幾年。

隨著時間推移，這些限制中的每一個都會穩(wěn)步縮小。更豐富、更標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)將加強(qiáng)模型的個性化。AI工具將幫助自動化勞動密集型步驟。縱向數(shù)據(jù)的收集將提高模型可靠預(yù)測身體如何隨時間演變的能力。

數(shù)組

在整個現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，新技術(shù)已經(jīng)增強(qiáng)了我們診斷的能力，提供了越來越清晰的圖像、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和分析，告訴醫(yī)生患者體內(nèi)目前正在發(fā)生什么。虛擬孿生改變了那種范式，給臨床醫(yī)生一個預(yù)測工具。

這個"生命肺"虛擬孿生模擬顯示呼吸期間的應(yīng)變模式。

早期演示已經(jīng)出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)的許多領(lǐng)域，包括心臟病學(xué)、骨科和腫瘤學(xué)。很快，醫(yī)生也將能夠跨專業(yè)合作，使用患者特定的虛擬孿生作為討論他們無法獨(dú)立預(yù)測的潛在相互作用或副作用的共同基礎(chǔ)。

雖然這些應(yīng)用需要一些時間才能成為臨床護(hù)理的標(biāo)準(zhǔn)，但更多變化即將到來。來自可穿戴設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)，例如，可以持續(xù)更新患者的個性化虛擬孿生。這種方法可以使患者能夠更深入地理解和參與他們的護(hù)理，因?yàn)樗麄兛梢钥吹结t(yī)療和生活方式改變的直接影響。同時，他們的醫(yī)生可以獲得全面的數(shù)據(jù)流，使用虛擬孿生來監(jiān)控進(jìn)展。

想象一個數(shù)字伴侶，顯示你的特定心臟將如何對不同鹽攝入量、壓力或睡眠剝奪做出反應(yīng)?；蛘吣慵磳⑦M(jìn)行的手術(shù)將如何影響你的循環(huán)或呼吸的視覺解釋。虛擬孿生可以為患者揭開身體的神秘面紗，培養(yǎng)信任并鼓勵主動的健康決策。

虛擬孿生如何在醫(yī)學(xué)中使用？

虛擬孿生已經(jīng)指導(dǎo)心血管手術(shù)，提供預(yù)測并揭示甚至專家臨床醫(yī)生可能錯過的隱藏細(xì)節(jié)，如微妙的組織反應(yīng)和流動力學(xué)。

腫瘤學(xué)家正在建模腫瘤生長和身體對不同療法的反應(yīng)，減少選擇醫(yī)療和生活質(zhì)量指標(biāo)最佳治療路徑的不確定性。

骨科專家正在個性化植入物以提供定制解決方案，不僅考慮局部環(huán)境，還考慮將支配長期結(jié)果的整體身體運(yùn)動學(xué)。

數(shù)組

通過生命心臟項(xiàng)目，我們正在將物理學(xué)帶回醫(yī)生身邊?，F(xiàn)代醫(yī)生不需要成為物理學(xué)家，就像他們不需要成為化學(xué)家來使用藥理學(xué)一樣。但是，為了從新技術(shù)中受益，他們需要調(diào)整他們的護(hù)理方法。

這意味著不再將身體視為離散器官的集合，只考慮癥狀，而是將其視為可以理解的動態(tài)系統(tǒng)，在大多數(shù)情況下，可以被引導(dǎo)走向健康。這意味著不再猜測什么可能有效，而是知道——因?yàn)槟M已經(jīng)顯示了結(jié)果。通過更好地將工程原理整合到醫(yī)學(xué)中，我們可以將其重新定義為基于自然不變定律的精確領(lǐng)域。現(xiàn)代醫(yī)生將是身體的真正物理學(xué)家和健康工程師。

Q&A

Q1：什么是虛擬孿生技術(shù)，它在醫(yī)療中能發(fā)揮什么作用？

A：虛擬孿生是利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建的患者器官或身體的數(shù)字副本，能夠模擬真實(shí)生理功能。在醫(yī)療中，它能幫助外科醫(yī)生提前模擬手術(shù)、預(yù)測治療效果、個性化治療方案，并指導(dǎo)臨床決策，大大提高手術(shù)成功率和治療精準(zhǔn)度。

Q2：生命心臟項(xiàng)目取得了哪些重要成果？

A：生命心臟項(xiàng)目自2014年啟動以來，已指導(dǎo)近2000例手術(shù)，建立了第一個完全功能的人類心臟虛擬孿生模型。項(xiàng)目獲得了FDA的監(jiān)管認(rèn)可，2024年發(fā)布了首個FDA主導(dǎo)的計(jì)算機(jī)臨床試驗(yàn)指南，并擴(kuò)展到肺、肝臟、大腦等多個器官的建模。

Q3：虛擬孿生技術(shù)如何與生成式AI結(jié)合提升醫(yī)療效果？

A：生成式AI能夠快速整合各種醫(yī)療數(shù)據(jù)構(gòu)建高保真虛擬孿生，將原本需要數(shù)月的建模工作縮短至數(shù)天。AI還能創(chuàng)建大規(guī)模虛擬患者隊(duì)列，用于臨床試驗(yàn)?zāi)M，并將預(yù)測建立在物理學(xué)基礎(chǔ)上，提高了預(yù)測的可靠性和臨床應(yīng)用價(jià)值。