數(shù)字孿生技術(shù)正在改變醫(yī)學(xué)范式。如今，醫(yī)生已經(jīng)可以通過三維圖像重建患者從心臟到大腦的各個(gè)器官，不久的將來，還有望構(gòu)建出整個(gè)人體的虛擬孿生，從而讓手術(shù)和診療變得更精確和可預(yù)測。

而隨著人工智能大模型技術(shù)的發(fā)展，更強(qiáng)的計(jì)算能力將令未來三維模型的構(gòu)建變得更快速便捷，整合AI影像信息后，醫(yī)生也能對患者的健康作出更為全面的評估。

從虛擬心臟到虛擬大腦

6個(gè)月前，軟件工程師史蒂文·萊文（Steven Levine）接受了一次長達(dá)12小時(shí)的腦部腫瘤切除手術(shù)。在他被診斷出腦部有一個(gè)高爾夫大小的良性腫瘤后，醫(yī)生將他的大腦進(jìn)行了建模，找到腫瘤的確切部位，并在3D影像的引導(dǎo)下實(shí)施了介入手術(shù)。6周后，萊文從手術(shù)中完全恢復(fù)。

“雖然腫瘤不會立即危及我的生命，但它已經(jīng)侵蝕了我的部分頭骨、鼻竇并壓迫了視神經(jīng)?！比R文告訴第一財(cái)經(jīng)記者，“腫瘤還影響到了腦垂體功能，分泌了過量的生長激素，讓我的腳和手慢慢變大?！?/p>

加州大學(xué)圣地亞哥分校神經(jīng)外科醫(yī)生托馬斯·博蒙特（Thomas Beaumont）使用數(shù)字孿生技術(shù)重建了萊文的大腦，包括腫瘤。在手術(shù)中，通過手術(shù)室屏幕上的圖像，博蒙特將攝像頭伸入萊文的一個(gè)鼻孔，并將手術(shù)工具送入另一個(gè)鼻孔，逐塊切除腫瘤并修復(fù)受損組織，以非侵入的方式實(shí)施了手術(shù)。

由于每個(gè)患者的骨骼結(jié)構(gòu)都有所不同。頸動脈的彎曲方式也各不相同。所有這些都必須以三維方式可視化，才能確保手術(shù)成功。通過三維圖像，醫(yī)生不必在頭腦中想象患者大腦的解剖結(jié)構(gòu)，而是直接能看到它們，這讓醫(yī)生在手術(shù)中處于更確定的狀態(tài)，也讓手術(shù)更為精準(zhǔn)。

萊文的手術(shù)非常成功，半年后，他已經(jīng)像往常一樣上班。事實(shí)上，博蒙特醫(yī)生使用的數(shù)字孿生技術(shù)正是由萊文親自開發(fā)的，他成為了自己開發(fā)技術(shù)的獲益者。他的經(jīng)歷讓他更加確信，這種技術(shù)未來能夠幫到更多患者，并減輕醫(yī)生的負(fù)擔(dān)。

現(xiàn)在，萊文正在推動數(shù)字孿生技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，這些數(shù)字孿生將包括心臟、大腦、肝臟等各個(gè)人體器官。為此，萊文已努力了超過十年。

2014年，萊文于他所在的公司達(dá)索系統(tǒng)率先發(fā)起虛擬心臟（Living Heart）項(xiàng)目，這是首個(gè)獲得美國FDA認(rèn)可的數(shù)字化人體心臟建模工具，能幫助心臟介入醫(yī)生在手術(shù)前或者術(shù)中更好地理解患者心臟的結(jié)構(gòu)，從而找到最佳的手術(shù)方案。

萊文告訴第一財(cái)經(jīng)記者，他發(fā)起虛擬心臟項(xiàng)目的靈感來源于他的女兒杰西。杰西出生時(shí)就患有罕見的嚴(yán)重心臟缺陷。醫(yī)生在她的心臟內(nèi)植入了一個(gè)起搏器。杰西今年35歲，她的心臟已經(jīng)更換了5個(gè)起搏器。

醫(yī)生在治療杰西的心臟病時(shí)面臨大量的不確定性，他們大多靠經(jīng)驗(yàn)和猜測，這給萊文留下深刻印象。從那時(shí)起，萊文就希望開發(fā)一套能幫助醫(yī)生更好地研究像杰西這樣的先天性心臟病兒童心臟疾病發(fā)展的數(shù)字化系統(tǒng)。

“就像現(xiàn)在沒有人會制造一架真的飛機(jī)或汽車，然后開著它去試駕?！比R文對第一財(cái)經(jīng)記者說道，“在這些產(chǎn)品被真正組裝前，軟件程序和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使設(shè)計(jì)師能夠首先在虛擬環(huán)境中制作和測試這些部件，那么為什么心臟手術(shù)和冠脈介入設(shè)備不能提前進(jìn)行測試規(guī)劃呢？”

工程師出身的萊文一直以物理的思維在思考這個(gè)問題，他認(rèn)為，既然心臟是一個(gè)“泵”，那么理應(yīng)受物理定律的約束。這一想法促成了他的虛擬心臟項(xiàng)目的雛形。

“如果構(gòu)建的模型正確，最終的產(chǎn)品就是正確的?！彼硎?。而這一成功來源于系統(tǒng)的開源。萊文稱，該項(xiàng)目的開源合作已經(jīng)持續(xù)了十年。來自全球的數(shù)百名醫(yī)生、工程師和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者、政府官員參與該項(xiàng)目，貢獻(xiàn)各自的專業(yè)技能，目標(biāo)是在虛擬環(huán)境中構(gòu)建首個(gè)三維全功能心臟。

萊文對第一財(cái)經(jīng)記者表示，起初，許多人懷疑這個(gè)項(xiàng)目，畢竟每一次心臟手術(shù)都關(guān)系到生命，而目前心臟手術(shù)仍然依賴醫(yī)生的技能和經(jīng)驗(yàn)。但逐漸地，三維模型從常見的CT掃描和磁共振（MRI）影像中創(chuàng)建出來，軟件逐步得到改進(jìn)，項(xiàng)目也一步步地得到驗(yàn)證，在動物和最終的人體測試中都表現(xiàn)出色。

“驅(qū)動虛擬心臟項(xiàng)目的是一個(gè)不斷發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)，我們聯(lián)合頂尖的心血管研究人員、醫(yī)療器械開發(fā)商、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和心臟病專家，目標(biāo)是開發(fā)經(jīng)過臨床驗(yàn)證的、高度精確、可商業(yè)化的個(gè)性化數(shù)字人體心臟模型和新型數(shù)字療法。”萊文表示。

先心病兒童有望最先受益

經(jīng)歷了數(shù)年努力后，萊文的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功構(gòu)建了一顆功能齊全的虛擬心臟，并將它提供給波士頓兒童醫(yī)院外科醫(yī)生使用。在萊文看來，由于兒科心臟醫(yī)生對于先天性心臟病的兒童疾病的發(fā)展缺乏預(yù)測手段，因此兒童心臟科有望成為數(shù)字孿生技術(shù)最先走向臨床商業(yè)化的科室。

如今，每周兩次，在波士頓兒童醫(yī)院心臟科室，數(shù)十名專家聚集在一起，規(guī)劃最復(fù)雜的心臟手術(shù)。他們分析投影在屏幕上的心臟三維數(shù)字圖像，每一條受損的血管或畸形的心室都對兒童的生命健康都有可能構(gòu)成威脅。

這些三維數(shù)字圖像可以在計(jì)算機(jī)屏幕上旋轉(zhuǎn)或逐塊分解，讓外科醫(yī)生能夠精確規(guī)劃即將進(jìn)行的手術(shù)。在生物醫(yī)學(xué)工程師的幫助下，醫(yī)生可以看到血液和氧氣的流動、心臟的電信號以及瓣膜的壓力如何影響心臟功能，醫(yī)生甚至可以通過數(shù)字圖像來預(yù)測他們規(guī)劃使用的瓣膜對心臟修復(fù)的影響。

萊文表示，有朝一日，傳感器或可穿戴設(shè)備將會被添加到這些數(shù)字技術(shù)中，為人類心臟創(chuàng)建一條將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交颊咛摂M心臟的途徑。這個(gè)反饋回路將創(chuàng)建一個(gè)人體心臟的“數(shù)字孿生”，為醫(yī)生提供新的方法，來確保他們的手術(shù)方案是最佳的。

波士頓兒童醫(yī)院兒科心臟外科醫(yī)生、計(jì)算機(jī)3D可視化項(xiàng)目主任大衛(wèi)·霍根森（David Hoganson）是該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。截至目前，他的團(tuán)隊(duì)使用數(shù)字心臟模型完成了約2000例手術(shù)。

在上海交通大學(xué)附屬新華醫(yī)院兒童心臟中心，心內(nèi)科主任陳筍每天都要處理大量復(fù)雜先天性心臟病小兒患者，這些小兒有時(shí)剛出生就因心室發(fā)育不良等原因需要接受治療，有些是在2、3歲的時(shí)候得了川崎病或者心肌病，而這些疾病的很多機(jī)制現(xiàn)在仍然不清楚。

陳筍告訴第一財(cái)經(jīng)記者，他的團(tuán)隊(duì)也在進(jìn)行數(shù)字孿生方面的院企科研合作，基于超聲心動圖和心臟大血管增強(qiáng)CT的多模態(tài)圖像融合，研發(fā)相關(guān)的算法，構(gòu)建兒童先心病3D和4D的模型，以更好地理解兒童先心病的發(fā)展。

陳筍坦言，國外數(shù)字化技術(shù)在臨床上的應(yīng)用之所以領(lǐng)先，主要是基于兩方面的優(yōu)勢：一是他們有一套成熟的支付體系，產(chǎn)品可以更快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；二是國外的生態(tài)比較發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、工程、臨床等領(lǐng)域的交叉研究形成體系。

新華醫(yī)院兒童心臟中心主治醫(yī)生彭永宣博士對第一財(cái)經(jīng)記者說道：“虛擬心臟已成為國內(nèi)心血管領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。數(shù)字孿生技術(shù)是助力醫(yī)療水平進(jìn)一步發(fā)展的必然趨勢，會給醫(yī)療領(lǐng)域帶來革命性的變化。”

他表示，在國內(nèi)兒童心臟疾病領(lǐng)域，虛擬心臟技術(shù)正處于前期通過AI算法研發(fā)優(yōu)化、多模態(tài)圖像融合等放大，不斷提升數(shù)字孿生模型精度的研究階段，未來將進(jìn)一步探索在實(shí)際臨床中的應(yīng)用。

“數(shù)字孿生心臟作為一種新型技術(shù)和輔助工具，它的強(qiáng)大功能還需要系統(tǒng)的使用方法才能發(fā)揮出來，比如一些長期以來使用的二維參數(shù)（直徑、面積）會被替換為三維參數(shù)（面積、體積），術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬和病情演變預(yù)測等，都需要根據(jù)不同病種制定相應(yīng)的方法學(xué)。”彭永宣稱。

過去幾年，“數(shù)字孿生”在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域日趨成熟，已發(fā)展成為肺、肝、腦、關(guān)節(jié)、眼、血管和其他身體部位的模型。構(gòu)建整個(gè)人體的虛擬孿生也有望在不久的將來發(fā)生。目前，這種新技術(shù)已經(jīng)被用于測試新的醫(yī)療器械產(chǎn)品，以及預(yù)測新的藥物分子對器官和細(xì)胞的影響。未來，它有可能減少甚至取代動物實(shí)驗(yàn)。

這些模型將為心血管計(jì)算醫(yī)學(xué)建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)，推動教育培訓(xùn)、醫(yī)療器械設(shè)計(jì)、臨床試驗(yàn)、臨床診斷的發(fā)展，并為尖端醫(yī)療器械創(chuàng)新轉(zhuǎn)化提供更為有效的途徑。目前，美國FDA已經(jīng)將與達(dá)索系統(tǒng)虛擬心臟的合作研究協(xié)議延長至10年，以評估包括起搏器在內(nèi)的心血管設(shè)備的植入、放置以及性能。

隨著生成式AI的發(fā)展，達(dá)索的虛擬心臟項(xiàng)目正在將大型語言模型引入。萊文告訴第一財(cái)經(jīng)記者，現(xiàn)在他的團(tuán)隊(duì)正在測試新一代的虛擬心臟模型，該模型可以針對個(gè)體患者或患者群體進(jìn)行配置，而且由AI驅(qū)動的定制和自動化能力將有助于簡化并加速醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)。

“AI模型的一個(gè)好處是，我們未來可能不需要大量的患者數(shù)據(jù)，只需要少量的數(shù)據(jù)就可以讓模型不斷地學(xué)習(xí)，并產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。這是AI發(fā)展對數(shù)字孿生技術(shù)的重要影響?！比R文表示。

此外，借助AI的能力，過去對每個(gè)個(gè)體化心臟“手動建模”的方式也將迎來改變?！笆謩咏Ｍ枰荛L的時(shí)間，現(xiàn)在可以通過一鍵自動化建模，把幾天的周期縮短到幾分鐘，這對于整個(gè)流程而言將是變革性的?！彼f道。

AI醫(yī)學(xué)時(shí)代即將來臨

在國內(nèi)，臨床醫(yī)生也在探索虛擬孿生技術(shù)的應(yīng)用前景。近日，在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院手術(shù)室內(nèi)，開展了一場人機(jī)協(xié)同“精準(zhǔn)戰(zhàn)”。仁濟(jì)醫(yī)院功能神經(jīng)組周洪語團(tuán)隊(duì)將患者CT、MRI影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入一個(gè)名為Sino的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，通過AI算法系統(tǒng)能自動重建顱內(nèi)三維模型，并精準(zhǔn)勾勒出膿腫的立體輪廓。

借助三維數(shù)據(jù)影像，在無影燈下，仁濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科副主任醫(yī)師郭烈美順暢地操控著手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂，并根據(jù)機(jī)器人規(guī)劃的手術(shù)路徑，以0.1毫米的重復(fù)定位精度，將引流管經(jīng)預(yù)設(shè)通道緩緩送入膿腔中心。

周洪語向第一財(cái)經(jīng)記者解釋稱，過去這類手術(shù)依賴醫(yī)生的“手感”和經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在隨著神經(jīng)影像技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)可以對CT和磁共振進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的后處理，構(gòu)建出過去必須通過開顱手術(shù)才能觀察到的大腦深部結(jié)構(gòu)，并在三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)上規(guī)劃手術(shù)路徑，避開血管和重要功能區(qū)，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和手術(shù)導(dǎo)航，能突破人眼和人手的生理極限。

“系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示穿刺深度、角度偏移量，還能巧妙避開血管和功能區(qū)，這是傳統(tǒng)手術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的視角。”他說道。

仁濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科主任馮軍峰教授對第一財(cái)經(jīng)記者表示：“神經(jīng)外科已進(jìn)入‘毫米時(shí)代’。機(jī)器學(xué)習(xí)持續(xù)積累手術(shù)數(shù)據(jù)，未來或可自主優(yōu)化穿刺路徑，成為醫(yī)生的‘AI參謀’?！?/p>

類似的場景未來也有望在醫(yī)院的心臟導(dǎo)管室上演。復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院心內(nèi)科主任葛均波院士向第一財(cái)經(jīng)記者描述了一個(gè)“元宇宙導(dǎo)管室”場景：該導(dǎo)管室由人工智能輔助決策系統(tǒng)、語音輔助控制系統(tǒng)、機(jī)器人輔助及觸覺反饋系統(tǒng)、混合現(xiàn)實(shí)全息數(shù)字系統(tǒng)以及高速互聯(lián)網(wǎng)組成。

“在這個(gè)導(dǎo)管室，患者在接受手術(shù)治療前，所有的信息都已經(jīng)被鏡像映射到醫(yī)生的一套軟件系統(tǒng)，醫(yī)生戴上Vision Pro這樣的混合虛擬設(shè)備后，就能模擬手術(shù)與解剖，手術(shù)的過程已經(jīng)提前被預(yù)演?！备鹁▽Φ谝回?cái)經(jīng)記者表示。

他認(rèn)為，“元宇宙”的表現(xiàn)形式和維度同樣適用于心臟疾病的診療。從“元宇宙”到“心宇宙”，未來數(shù)字孿生可以借助AI技術(shù)，精準(zhǔn)構(gòu)建一個(gè)數(shù)字器官（數(shù)字人），勾畫在現(xiàn)實(shí)情況下可能發(fā)生的狀況（虛擬），使醫(yī)生和病人能明白一個(gè)疾病因素所帶來的后果等。

“這將有助于了解各種復(fù)雜血管疾病之間的關(guān)聯(lián)，例如動脈粥樣硬化疾病如何影響人體整個(gè)血管網(wǎng)絡(luò)。”葛均波表示，“這對于泛血管疾病的診療管理極具意義。傳統(tǒng)的知識已經(jīng)無法預(yù)測疾病的全部后果，未來包括患者特征、臨床表現(xiàn)、生物標(biāo)志物組學(xué)、影像組學(xué)等信息的整合將會成為趨勢?！?/p>

葛均波稱，數(shù)字孿生技術(shù)疊加人工智能大模型，未來可以對泛血管疾病進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，還可以在瓣膜置換等手術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，幫助醫(yī)生對何時(shí)干預(yù)疾病作出預(yù)判和決策。

就在上周，中山醫(yī)院心內(nèi)科發(fā)布了國內(nèi)首個(gè)心臟大模型觀心（CardioMind）。該模型通過整合多模態(tài)診療數(shù)據(jù)與頂尖醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)從病史采集到輔助診斷的全流程智能化。更關(guān)鍵的是，系統(tǒng)突破單一文本數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了心電圖、超聲影像、實(shí)驗(yàn)室檢查等多模態(tài)數(shù)據(jù)的整合推理。

但這些數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化仍面臨挑戰(zhàn)?！皵?shù)字孿生就是根據(jù)各種醫(yī)學(xué)三維圖像及生理信號把器官描述出來。CT/MRI 3D影像是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，由于每個(gè)人的器官結(jié)構(gòu)存在差異，這些實(shí)時(shí)影像可用于調(diào)整AI模型，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化應(yīng)用。”一位醫(yī)學(xué)影像專家對第一財(cái)經(jīng)記者說道，“目前，器官數(shù)字孿生尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但可以根據(jù)具體需求進(jìn)行簡化，例如專門用于手術(shù)引導(dǎo)的場景?！?/p>

也有臨床醫(yī)生向第一財(cái)經(jīng)記者指出，由于人體的生理數(shù)據(jù)主觀變異度很大，這將會加大標(biāo)準(zhǔn)化的難度?！叭梭w數(shù)據(jù)極其復(fù)雜，幾億個(gè)變量相互作用，精準(zhǔn)模擬的難度很大?！敝猩结t(yī)院心內(nèi)科主任醫(yī)師潘文志教授對第一財(cái)經(jīng)記者表示，“醫(yī)學(xué)上為了證明一個(gè)療法是否可行，即便是很簡單的假設(shè)，也通常需要納入幾千個(gè)病人做幾年臨床試驗(yàn)，耗費(fèi)上億元。因?yàn)椴∪耸遣荒鼙恢貜?fù)試錯(cuò)的?！?/p>

他同時(shí)表示，AI大模型的應(yīng)用對于客觀數(shù)據(jù)最具有優(yōu)勢，例如影像數(shù)據(jù)、病理以及血液等數(shù)據(jù)，從這些數(shù)據(jù)局部切入，可以為醫(yī)生提供特定的輔助功能。

萊文向第一財(cái)經(jīng)記者坦言，目前虛擬心臟項(xiàng)目仍在等待監(jiān)管部門的評估，大規(guī)模進(jìn)入臨床尚待時(shí)日。在談及挑戰(zhàn)時(shí)，他說道：“缺乏標(biāo)準(zhǔn)是最大的挑戰(zhàn)，不僅每家公司都在做自己的產(chǎn)品，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且每個(gè)國家的標(biāo)準(zhǔn)也都不同。因此需要行業(yè)盡快制定數(shù)字孿生技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，為監(jiān)管審批提供參照，才能將該技術(shù)盡快推向臨床?！?/p>