在巴塞羅那郊區(qū)一座19世紀小教堂的墻壁上，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100億個模擬細胞。
美國《時代》周刊在近日的報道中指出，目前全球很多科學家正在構建包括心臟等在內的人體器官和組織的數(shù)字孿生體，這些模型可廣泛應用于預測和預防疾病、測試療法等多個方面，有望徹底改變未來醫(yī)學的面貌，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趨勢之一。事實上，已經有一些大公司將這項技術應用到航空航天與防務、自然資源、建筑與智慧城市等領域，當然也包括醫(yī)學領域。
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，但全世界已經有多個團隊致力于研究并提升此項技術。科學家們認為，最好的起點是心臟。
在德國海德堡大學醫(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。如英國倫敦國王學院雷扎·拉扎維團隊創(chuàng)建數(shù)字孿生心臟模型來預測心動過速，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家開發(fā)的心臟數(shù)字孿生模型由約1億個虛擬心臟細胞組成，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。
據美國醫(yī)學未來學家網站報道，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)生預測患者真實的心臟對特定治療的反應。參與這些項目的科學家們認為，這種創(chuàng)造虛擬細胞、組織和器官的研究是現(xiàn)代醫(yī)學的革命性舉措。
人工智能技術有助于科學家們?yōu)槿梭w器官設計數(shù)字孿生體。西門子醫(yī)療公司正在龐大的數(shù)據庫上訓練其算法，該數(shù)據庫包含超過2.5億張帶注釋的圖像、報告和手術數(shù)據，研究團隊可借此根據患者數(shù)據設計其數(shù)字心臟模型。醫(yī)生可在模型上測試療法并查看結果，最終為特定患者選擇最佳療法。
此外，英國牛津大學計算醫(yī)學教授布蘭卡·羅德里格斯團隊達到了心臟數(shù)字孿生領域的一個重要里程碑：其心臟數(shù)字孿生提供的預測結果比同類動物研究獲得的結果更準確。例如，在一項虛擬的藥物試驗中，研究團隊在人體心臟細胞數(shù)字孿生模型中測試了62種藥物和化合物導致心律異常的風險，在一千多次試驗中準確率為89%，而動物研究的準確性為75%。
未來可期，挑戰(zhàn)仍巨
德國海德堡大學醫(yī)學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，所有的細胞功能，將能提前幾周或幾個月預測哪些患者會生病，某名患者對某種療法會產生何種反應，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，也有科學家建議對該技術進行監(jiān)管。人體器官數(shù)字孿生研究專家、英國科學家丹尼斯·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，以確保技術不被濫用。
（責任編輯：華康）
