如果您正乘坐飛機(jī)旅行，很可能每一個噴氣發(fā)動機(jī)在地面的計算機(jī)上有一份虛擬副本。被稱為數(shù)字孿生的這份虛擬副本，將不斷地從傳感器獲取信息，用來檢查發(fā)動機(jī)的性能有無磨損跡象。數(shù)字孿生允許工程師適時關(guān)注發(fā)動機(jī)，而不是按照固定時間表維修零部件。適用范圍逐步擴(kuò)大-不僅僅在航空航天領(lǐng)域，還包括汽車制造、建筑和工廠建設(shè)。如果國際研究人員如愿以償，類似的孿生將很快應(yīng)用于人類心臟這樣十分重要的裝備。
制造患者心臟數(shù)字孿生將首先要求患者穿戴各類傳感器。這些數(shù)據(jù)將被專門的軟件轉(zhuǎn)換成對器官的計算機(jī)模擬。計算機(jī)模擬示了心臟是如何工作、血液流動進(jìn)入的方式等詳細(xì)信息。同樣地，數(shù)字孿生在工業(yè)界也是如此，它幫助醫(yī)生診斷并決定什么樣的治療是必須的。數(shù)字孿生可以持續(xù)監(jiān)測患者對治療的反應(yīng)。
▌核心問題
創(chuàng)造心臟數(shù)字孿生的想法來源于一個心臟研究項目，稱為ECHOES，該項目由比利時魯汶大學(xué)的FRANK RADEMAKERS領(lǐng)導(dǎo)。一些歐洲和美國的小組參與其中，包括英國的謝菲爾德大學(xué)和布里斯托大學(xué)以及美國的哈佛和斯坦福大學(xué)，還包括一些公司，像ANSYS這樣的計算機(jī)模擬公司和制造噴氣發(fā)動機(jī)和醫(yī)療設(shè)備的通用電氣公司。
來自謝菲爾德大學(xué)的TIM CHICO是該項目的英國分組的領(lǐng)導(dǎo)人。他說，ECHOES的一個重要部分就是小型傳感器的開發(fā)，該傳感器允許人們?nèi)齑┐鞅O(jiān)測設(shè)備，不只是在診所里或手術(shù)中穿戴。這樣可以在一系列環(huán)境下模擬心臟功能，包括步行、睡覺和爬樓，而不是僅僅在患者進(jìn)行臨床檢查的短暫時間內(nèi)。盡管一些便攜式心臟設(shè)備已經(jīng)上市，小型心電圖儀穿戴在腰帶上，連接著患者的胸腔來跟蹤心率和心電活動-這些往往只使用幾天。數(shù)字孿生將從傳感器中繪制數(shù)據(jù)并持續(xù)更長的時間。
Chico博士表示，一些監(jiān)測可以在已上市或已應(yīng)用的消費產(chǎn)品上完成，例如智能手機(jī)上的醫(yī)療應(yīng)用程序和健身跟蹤器。ECHOES的成員開發(fā)其他的傳感器有更復(fù)雜的功能。這些包括可穿戴超聲掃描儀，魯汶大學(xué)的Jan d’hooge及其同事正在致力于此。超聲傳感器是通過一種聲波來制作人體內(nèi)圖像的部分。d’hooge博士表示，這個想法是，產(chǎn)生超聲波脈沖的發(fā)射器和接收回波的接收器都可以形成織物，用來制作衣服，比如背心。他很樂觀認(rèn)為，因此有可能制造出能夠執(zhí)行掃描心臟的衣物，并且衣物是可洗的。
所有這些會很大地幫助像Chico博士這樣的心臟病專家。患者通常難以充分描述他們的癥狀，醫(yī)院測試也許不會反映出一個完整的情況-特別是人在壓力之下攜帶這些穿戴設(shè)備的時候。起初，用于模擬和更新心臟數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)將由采集設(shè)備記錄并每隔一段時間上傳。不過，它們最終應(yīng)該可以直接傳輸?shù)结t(yī)療中心，就像噴氣發(fā)動機(jī)的數(shù)據(jù)被傳送到工程基地一樣。
雖然可穿戴心臟掃描儀的研發(fā)還有好幾年的時間，但構(gòu)建心臟數(shù)字孿生所需的一些元素已接近部署完畢。前航天工程師現(xiàn)為謝菲爾德大學(xué)醫(yī)療建模專家Rod Hose，他正帶領(lǐng)一個叫做EurValve的項目，幫助醫(yī)生治療心臟瓣膜疾病的患者。EurValve從掃描和其他醫(yī)院的測試中收集了一些關(guān)于患者狀況的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與這些患者在家時通過荷蘭技術(shù)集團(tuán)某款健康跟蹤手表獲得的其他信息結(jié)合起來。研究人員希望EurValve system不久將投入臨床應(yīng)用，可以為疾病建模，預(yù)測心臟瓣膜置換手術(shù)的結(jié)果。
整個心臟數(shù)字孿生將在許多其他情況下模擬特定個體的治療。這將展現(xiàn)一個更清楚的想法，什么類型的手術(shù)將最適合患者的病情，是否藥物和常規(guī)檢查更合適。
隨著越來越多的患者做了心臟數(shù)字孿生的測試，作為人工智能的一種形式，機(jī)器學(xué)習(xí)擅長于圖像識別，將被用于研究輸出。這應(yīng)該使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，幫助心臟病專家處理以前可能沒見過的疑難雜癥。就像飛行員知道數(shù)字孿生會照看發(fā)動機(jī)，醫(yī)生們將從一個新的深度認(rèn)識中受益，了解患者的心臟是如何工作的。
