“虚拟器官”医疗革命

　　卡罗琳娜·杜尔布/文 刘 璐/编译

　　为人体器官打造一模一样的数字模型，这是史蒂文·莱文的毕生梦想。他在达索系统公司工作了十余年，担任人体虚拟模型事业部的负责人。“在未来，医生将能使用病患的‘数字孪生体’为手术作准备，比如检验手术方案的可行性，为病患量身绘制植入物，以及进行各类临床测试。”莱文饶有信心地说，但他也承认，要想实现这个梦想，还有很长的路要走，而且途中布满荆棘。他说：“其实我们并不了解器官与器官之间是如何协作沟通的。因为在现实世界里，医疗服务高度专科化，医生大多只关注人体的某一部分。”有鉴于此，莱文团队决定遵循医疗界的实际情况，对人体各器官分别进行探索。达索系统公司以擅长构建工业化三维数字模型而闻名，甚至可建造出大型工厂的“数字孪生体”，为汽车制造业及航空航天工业提供数字化服务。“我们将在五年内研发出能够为人体主要系统及器官构建‘数字孪生体’的三维设计软件。”莱文说。

　　2023年1月，全球最大的国际消费类电子产品展览会在拉斯维加斯举办。达索系统公司作为参展商参加，向竞争对手（包括全球领先的科技企业西门子以及美国的创业公司“魔法跳动”）展现了其在数字医疗领域的雄心壮志。莱文在展会上发布了首颗三维数字心脏，其大小及跳动频率均与原型患者的心脏无异，从解剖学角度而言堪称完美的复制品。

　　为什么一开始就选择如此复杂的器官？其实在建模工程师的眼中，心脏并不是最复杂的。心脏主要由肌纤维构成，在机械活动及电活动的刺激下能够自主跳动。达索系统公司打造的数字心脏整合了病患心脏功能的所有可得数据，包括肌肉收缩、电流活动及应对治疗的反应数据等。“这颗虚拟心脏凝结了150所机构、大学及企业的努力。”莱文说。要想构建心肌的数字模型，首先要为心脏的各个部分创建适用的数学方程式，并将方程式分割为成千上万个细小的数据样本。算法软件将结合这些数据样本，重现人体心脏的物理活动，比如高血压引起的动脉变形。目前，创建一颗虚拟心脏，算法需要计算整整一天，而几年之后仅需三到五分钟即可。

　　美国食品药品监督管理局对虚拟器官抱有不小的期望，已批准医疗界使用该技术进行虚拟临床试验，以测试心脏手术器械的性能，比如具有疏通动脉血管作用的心脏支架。波士顿儿童医院已率先应用了此技术。该院的一名小病人患有先天性心脏病，手术难度极高。医院使用了患者的数字孪生心脏来测试尚无先例的手术方案。“手术团队制定了多个方案，而三维设计软件提供了一个他们都未曾考虑过的新思路。手术非常成功。”莱文开心地说。手术团队起初对新方案略有疑虑，但最终决定放手一试。他们在心脏模型上多次模拟了手术过程，尽可能地提高成功率。

　　在国际消费类电子产品展览会上，达索系统公司还揭秘了他们即将推出的下一个“虚拟器官”，也是人体最复杂的器官——大脑。虽然大脑及脑内神经元的运作方式仍有不少未解之谜，但构建大脑的虚拟模型从而重现部分脑部疾病，这样的技术已经可以实现。

　　| 治疗癫痫的新方案 |

　　在这个领域最有发言权的非法布里斯·巴托洛梅莫属。巴托洛梅教授是法国马赛提莫内医院癫痫中心的神经科医生，也是埃皮诺福计划的发起人。他组建了一支强大的科研团队，召集了达索系统公司的三维建模专家及马赛的多名科学家和医学专家。“埃皮诺福计划的目的是为癫痫患者的大脑构建三维数字模型，从而更好地为患者实施手术。”巴托洛梅说。所有癫痫患者都有一个共同特征：大脑皮层中的一群脑神经元出现了异常放电现象，导致癫痫发作。部分癫痫患者对药物抗性极强，无论服用什么药物也无法根除癫痫，只能接受手术，切除大脑病灶，或是对异常区域及正常区域进行隔断。“癫痫手术要求精准定位病灶。不得不承认，此类手术的结果往往不尽如人意。接受了手术的癫痫患者中，约有半数仍会持续发作。”巴托洛梅说。

　　目前，了解大脑病灶仍以临床检查为主，包括无创的核磁共振成像，或是直接将电极置入脑内。“使用这些技术确实能得到大脑信息，但要正确解读这些信息并非易事，尤其当癫痫病灶涉及大脑的多个区域时。区域与区域之间的互动也是非常复杂的。”巴托洛梅说。这个时候，数字孪生体便派上用场了。“有了大脑的三维数字模型，我们就可以更精确地划定病灶区域了。”他说。

　　在大脑的三维模型上，医生可以根据需要生成不同的癫痫症状，从而理解并掌握大脑不同区域之间的互动关系。2019年以来，法国12家医疗中心携手，对350名需接受手术的癫痫患者进行了联合临床试验：对一半患者按照传统方式实施手术，对另一半则采用先使用数字孪生体精确划定病灶区域后再实施手术的方式。巴托洛梅说：“具体结果要到2024年才能出来，到时候就能知道虚拟器官在划定病灶区域上是否更具优势了。此外，我们还探究了部分手术未成功的患者情况，为他们构建了大脑的虚拟模型。模型展现了未能被传统方法探测到的病灶区域。”也就是说，患者大脑的数字孪生体似乎能更精确地划定病灶区域，为医生实施手术提供更大的便利。

　　下一步计划是让医生能够在虚拟模型上切除或隔断病灶区域，并反复演练，以精进手术的每一个动作。对所有细节烂熟于心后，再在现实世界中真正地实施手术。“希望有一个软件能够模拟大脑活动，供医生在平日的临床实践中使用。”巴托洛梅说。而达索系统公司正是该领域的佼佼者。“我们的工程师正在开发能够生成大脑数字孪生体的软件工具，为各大医院提供服务。”莱文说。

　　| 数字化未来 |

　　2022年，达索系统公司的生命科学业务在全业务线中的占比已近50%。而在2021年，该业务仅占23%。其他“虚拟器官”也已提上日程，比如全身肌肉的虚拟模型，旨在帮助高水平运动员精进训练、预防伤病。集合所有虚拟器官，组成人体的数字孪生体，要想实现这一愿景，大概还需要20余年。不过，莱文并不忧心，他信心十足地说：“首先，你得花钱才能证明你能为医院省钱。我们现在就处于花钱阶段。”

　　[编译自法国《观点》]

　　编辑：侯寅