在醫(yī)療健康行業(yè)，無論是新藥研發(fā)，還是為患者制定治療或手術(shù)方案，都需要經(jīng)過多輪驗(yàn)證和測試，這一過程不僅成本高、耗時長，甚至在某些情況下還行不通。
數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twins）的出現(xiàn)，可以使這一流程變得更高效、更安全。從臨床試驗(yàn)到護(hù)理再到外科手術(shù)，該技術(shù)讓醫(yī)療健康的相關(guān)工作變得更高效、更個性化且更具預(yù)測性。
數(shù)字孿生，指的是創(chuàng)建物理實(shí)體或工作過程的虛擬版本，比如虛擬的患者、解剖結(jié)構(gòu)或醫(yī)院環(huán)境。簡單來說，就是在虛擬世界中創(chuàng)建一個基于真實(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型，然后觀察并分析該模型對新藥物或新治療方案的反饋。在這一過程中，創(chuàng)建模型所用到的數(shù)據(jù)來自于數(shù)字病歷、疾病登記庫、穿戴式傳感器等等。
以臨床試驗(yàn)設(shè)計為例，研究人員可以借助已完成試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，建立數(shù)字孿生代替人類志愿者，以緩解患者招募的壓力。
在新冠肺炎疫情期間的臨床試驗(yàn)中，數(shù)字孿生技術(shù)就發(fā)揮了很大的作用，因?yàn)槿祟愔驹刚咦鋈梭w實(shí)驗(yàn)往往會面臨較大的風(fēng)險。疫情期間，數(shù)字孿生技術(shù)也引起了媒體的廣泛關(guān)注。
圖|近年來，有關(guān)數(shù)字孿生話題的新聞報道數(shù)量變化（來源：CB Insights）
根據(jù)CB Insights的數(shù)據(jù)，到2025年，全球數(shù)字孿生市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到360億美元，隨著更多新的醫(yī)療健康應(yīng)用案例的出現(xiàn)，該技術(shù)或迎來重大發(fā)展機(jī)遇。
接下來，我們將重點(diǎn)介紹數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用方法和案例。
臨床試驗(yàn)設(shè)計
臨床試驗(yàn)有著成本高、耗時長、效率低下的特點(diǎn)。
一般來說，臨床試驗(yàn)包括兩個研究組：實(shí)驗(yàn)組和對照組。其中，實(shí)驗(yàn)組由接受治療的試驗(yàn)對象組成；而對照組由接受無活性安慰劑的試驗(yàn)對象組成。
平均而言，80％的臨床研究項(xiàng)目出現(xiàn)過注冊延遲的情況，另有20％經(jīng)歷過沒有招募到足夠多志愿者的情況。
尋找符合標(biāo)準(zhǔn)并愿意參與試驗(yàn)的患者對臨床試驗(yàn)的開展來說是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，最終會影響到患者接受某些關(guān)鍵療法的治療時間。為試驗(yàn)參與者打造數(shù)字孿生，可以在一定程度上解決該問題。
初創(chuàng)公司Unlearn.ai是一家探索數(shù)字孿生技術(shù)的公司。該公司通過收集參與者的身體數(shù)據(jù)，創(chuàng)建數(shù)字孿生來作為對照組使用。這樣可以讓盡量多的參與者加入實(shí)驗(yàn)組，提升試驗(yàn)效率。2020年4月，Unlearn.ai獲得了1200萬美元的股權(quán)融資，用于加速數(shù)字孿生的臨床試驗(yàn)。
（來源：Unlearn.ai）
專注于這一領(lǐng)域研究的公司還有Novadiscovery和Jinkō，其中Jinkō主要使用數(shù)字孿生進(jìn)行計算機(jī)模擬的臨床試驗(yàn)，以探索各種藥物靶標(biāo)的有效性，加速對肺癌和乙肝等疾病的研究和治療方案的應(yīng)用。
醫(yī)療器械設(shè)計
對醫(yī)療器械制造商來說，設(shè)計符合個人生理構(gòu)造的定制醫(yī)療設(shè)備是一個巨大挑戰(zhàn)。一些企業(yè)正在開發(fā)器官和其他解剖結(jié)構(gòu)的“數(shù)字模型”，以簡化定制醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計過程。
法國公司達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systèmes）使用磁共振圖像（MRI）和心電圖（ECG）測量結(jié)果開發(fā)了一種數(shù)字孿生模型，可以模擬人心臟的結(jié)構(gòu)和某些生理功能。該公司發(fā)起的“活體心臟項(xiàng)目”（Living Heart Project），成員單位包括美敦力、波士頓科學(xué)（Boston Scientific）和飛利浦等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和行業(yè)公司。它們正在利用數(shù)字心臟模擬真實(shí)狀況，將難以看到的解剖結(jié)構(gòu)可視化，以開發(fā)更安全、更有效、更完善的心臟設(shè)備。
（來源：Dassault Systèmes）
西門子醫(yī)療也在開發(fā)一種“數(shù)字心臟”系統(tǒng)。研究人員使用該系統(tǒng)的算法來最大程度地提高患者對心臟再同步治療（CRT）的反應(yīng)。在一項(xiàng)研究中，心臟病學(xué)家在西門子數(shù)字心臟中植入了虛擬電極并產(chǎn)生電脈沖來模擬對患者進(jìn)行心臟再同步治療。如果在數(shù)字心臟上獲得成功，就表明該療法有望在患者身上成功。
初創(chuàng)公司OnScale也在利用數(shù)字孿生技術(shù)改善醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計。這是一家由英特爾投資（Intel Capital）和谷歌旗下的Gradient Ventures共同投資的云工程仿真公司，目前已與生物仿真軟件公司LEXMA Technology合作，共同開發(fā)了“數(shù)字雙肺”模型，幫助臨床醫(yī)生預(yù)測新冠肺炎患者的通氣需求。
（來源：OnScale）
此外，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和惠普合作推出了“藍(lán)腦計劃”（Blue Brain Project），旨在開發(fā)哺乳動物大腦的數(shù)字孿生（數(shù)字大腦模型）。
單個器官的數(shù)字孿生標(biāo)志著醫(yī)療健康在向基于價值的系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，可以節(jié)省設(shè)備制造商和醫(yī)生的時間和資源，讓他們更專注于患者護(hù)理。
從長遠(yuǎn)來看，該領(lǐng)域的目標(biāo)是創(chuàng)建整個人體的數(shù)字孿生。這對算力和數(shù)據(jù)存儲提出了更高要求，相關(guān)技術(shù)必須進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)步，才能處理人體解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
藥物研發(fā)
藥物研發(fā)可能面臨著很高的失敗風(fēng)險，一款成功的新藥平均要花費(fèi)26億美元，從開始研發(fā)到面市平均至少需要10年。
許多初創(chuàng)企業(yè)正嘗試?yán)萌斯ぶ悄芎蛿?shù)字孿生技術(shù)，通過識別成功率更高的藥物靶點(diǎn)來加快這一過程。
例如，DeepLife將機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字孿生相結(jié)合，以識別新的靶標(biāo)、生物標(biāo)志物和潛在的候選藥物。該公司還用計算機(jī)模擬基因組篩選，以幫助研究人員了解耐藥性和敏感性。
（來源：DeepLife）
另一家初創(chuàng)公司Insilico Biotechnology正在開發(fā)數(shù)字孿生軟件，對制藥過程進(jìn)行更好的預(yù)測。目前，該公司與Teva Pharmaceuticals和葛蘭素史克（GSK）等生物制藥公司展開合作，以優(yōu)化生物藥物的生產(chǎn)過程。
護(hù)理服務(wù)
數(shù)字孿生技術(shù)可以使用電子病歷、疾病注冊庫和可穿戴設(shè)備等中的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建患者的“數(shù)字模型”，隨后醫(yī)護(hù)人員就可以按需調(diào)取和查看患者的數(shù)據(jù)，以便為患者提供更好的護(hù)理服務(wù)。
Verto Health公司推出了Verto Flow平臺，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)集成和連接來自各種數(shù)據(jù)源的患者健康數(shù)據(jù)。根據(jù)患者所處的護(hù)理階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以將各種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。這意味著醫(yī)護(hù)人員能獲取更多有價值的信息，幫助他們提供更快、更有效的護(hù)理服務(wù)。
（來源：Verto Health）
另一家使用數(shù)字孿生技術(shù)改善護(hù)理服務(wù)的公司是ThoughtWire。該公司提供的軟件可以優(yōu)化醫(yī)院運(yùn)營模式。其平臺會模擬患者的健康狀況，幫助醫(yī)生預(yù)測患者何時可能出現(xiàn)緊急狀況并發(fā)出提醒。如果軟件發(fā)現(xiàn)某個患者模型出現(xiàn)心臟驟停的幾率升高，就會提前通知醫(yī)護(hù)人員留意。該軟件還集成了醫(yī)院地圖和醫(yī)療設(shè)備追蹤數(shù)據(jù)，以幫助醫(yī)生協(xié)調(diào)資源。
（來源：ThoughtWire）
GE醫(yī)療和西門子醫(yī)療等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者也已開始探索使用數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化護(hù)理服務(wù)。
GE醫(yī)療與醫(yī)院開展了試點(diǎn)計劃，旨在優(yōu)化外科手術(shù)的時間表并簡化人員配備。西門子醫(yī)療則選擇與南卡羅來納州醫(yī)科大學(xué)合作，通過數(shù)字孿生技術(shù)模擬新的工作流程或醫(yī)療設(shè)備對醫(yī)院效率的影響。
手術(shù)規(guī)劃
手術(shù)是一個復(fù)雜而精細(xì)的過程。手術(shù)中一旦出現(xiàn)問題，很可能給患者帶來不利甚至致命的后果，因此手術(shù)之前要經(jīng)過細(xì)致的規(guī)劃。
許多公司正在探索如何在這方面應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，比如通過建立解剖結(jié)構(gòu)模型，幫助醫(yī)生在實(shí)際操作之前模擬手術(shù)過程。
飛利浦研發(fā)的HeartNavigator通過CT圖像來創(chuàng)建心臟的數(shù)字模型，可用于規(guī)劃復(fù)雜的心臟手術(shù)，例如經(jīng)導(dǎo)管主動脈瓣置換術(shù)（TAVR）。此外，該軟件還可以將實(shí)時3D成像數(shù)據(jù)與由CT掃描構(gòu)建的虛擬模型相疊加，從而更好地在手術(shù)過程中為醫(yī)生提供指導(dǎo)。
（來源：飛利浦）
另一家公司Digital Orthopedics也開發(fā)了足部和踝部的數(shù)字模型，允許外科醫(yī)生模擬手術(shù)結(jié)果并優(yōu)化手術(shù)計劃，讓患者獲得更好的治療。
結(jié)語
未來，數(shù)字孿生技術(shù)將模擬出更多解剖結(jié)構(gòu)，同時隨著成像技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域有望得到進(jìn)一步拓展和廣泛部署。
