“虛擬器官”醫(yī)療革命

卡羅琳娜·杜爾布

從今往后，醫(yī)生可以使用人體心臟、肝臟甚至大腦的高仿真數(shù)字模型來(lái)測(cè)試手術(shù)方案的可行性了！

為人體器官打造一模一樣的數(shù)字模型，這是史蒂文·萊文的畢生夢(mèng)想。他在達(dá)索系統(tǒng)公司工作了十余年，擔(dān)任人體虛擬模型事業(yè)部的負(fù)責(zé)人?！霸谖磥?lái)，醫(yī)生將能使用病患的‘?dāng)?shù)字孿生體’為手術(shù)作準(zhǔn)備，比如檢驗(yàn)手術(shù)方案的可行性，為病患量身繪制植入物，以及進(jìn)行各類臨床測(cè)試。”萊文饒有信心地說(shuō)，但他也承認(rèn)，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想，還有很長(zhǎng)的路要走，而且途中布滿荊棘。他說(shuō)：“其實(shí)我們并不了解器官與器官之間是如何協(xié)作溝通的。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界里，醫(yī)療服務(wù)高度?？苹t(yī)生大多只關(guān)注人體的某一部分?！庇需b于此，萊文團(tuán)隊(duì)決定遵循醫(yī)療界的實(shí)際情況，對(duì)人體各器官分別進(jìn)行探索。達(dá)索系統(tǒng)公司以擅長(zhǎng)構(gòu)建工業(yè)化三維數(shù)字模型而聞名，甚至可建造出大型工廠的“數(shù)字孿生體”，為汽車制造業(yè)及航空航天工業(yè)提供數(shù)字化服務(wù)。“我們將在五年內(nèi)研發(fā)出能夠?yàn)槿梭w主要系統(tǒng)及器官構(gòu)建‘?dāng)?shù)字孿生體’的三維設(shè)計(jì)軟件?！比R文說(shuō)。

2023年1月，全球最大的國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)在拉斯維加斯舉辦。達(dá)索系統(tǒng)公司作為參展商參加，向競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（包括全球領(lǐng)先的科技企業(yè)西門(mén)子以及美國(guó)的創(chuàng)業(yè)公司“魔法跳動(dòng)”）展現(xiàn)了其在數(shù)字醫(yī)療領(lǐng)域的雄心壯志。萊文在展會(huì)上發(fā)布了首顆三維數(shù)字心臟，其大小及跳動(dòng)頻率均與原型患者的心臟無(wú)異，從解剖學(xué)角度而言堪稱完美的復(fù)制品。

為什么一開(kāi)始就選擇如此復(fù)雜的器官？其實(shí)在建模工程師的眼中，心臟并不是最復(fù)雜的。心臟主要由肌纖維構(gòu)成，在機(jī)械活動(dòng)及電活動(dòng)的刺激下能夠自主跳動(dòng)。達(dá)索系統(tǒng)公司打造的數(shù)字心臟整合了病患心臟功能的所有可得數(shù)據(jù)，包括肌肉收縮、電流活動(dòng)及應(yīng)對(duì)治療的反應(yīng)數(shù)據(jù)等?！斑@顆虛擬心臟凝結(jié)了150所機(jī)構(gòu)、大學(xué)及企業(yè)的努力。”萊文說(shuō)。要想構(gòu)建心肌的數(shù)字模型，首先要為心臟的各個(gè)部分創(chuàng)建適用的數(shù)學(xué)方程式，并將方程式分割為成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)小的數(shù)據(jù)樣本。算法軟件將結(jié)合這些數(shù)據(jù)樣本，重現(xiàn)人體心臟的物理活動(dòng)，比如高血壓引起的動(dòng)脈變形。目前，創(chuàng)建一顆虛擬心臟，算法需要計(jì)算整整一天，而幾年之后僅需三到五分鐘即可。

美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局對(duì)虛擬器官抱有不小的期望，已批準(zhǔn)醫(yī)療界使用該技術(shù)進(jìn)行虛擬臨床試驗(yàn)，以測(cè)試心臟手術(shù)器械的性能，比如具有疏通動(dòng)脈血管作用的心臟支架。波士頓兒童醫(yī)院已率先應(yīng)用了此技術(shù)。該院的一名小病人患有先天性心臟病，手術(shù)難度極高。醫(yī)院使用了患者的數(shù)字孿生心臟來(lái)測(cè)試尚無(wú)先例的手術(shù)方案?！笆中g(shù)團(tuán)隊(duì)制定了多個(gè)方案，而三維設(shè)計(jì)軟件提供了一個(gè)他們都未曾考慮過(guò)的新思路。手術(shù)非常成功?！比R文開(kāi)心地說(shuō)。手術(shù)團(tuán)隊(duì)起初對(duì)新方案略有疑慮，但最終決定放手一試。他們?cè)谛呐K模型上多次模擬了手術(shù)過(guò)程，盡可能地提高成功率。

在國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)上，達(dá)索系統(tǒng)公司還揭秘了他們即將推出的下一個(gè)“虛擬器官”，也是人體最復(fù)雜的器官——大腦。雖然大腦及腦內(nèi)神經(jīng)元的運(yùn)作方式仍有不少未解之謎，但構(gòu)建大腦的虛擬模型從而重現(xiàn)部分腦部疾病，這樣的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

| 治療癲癇的新方案 |

在這個(gè)領(lǐng)域最有發(fā)言權(quán)的非法布里斯·巴托洛梅莫屬。巴托洛梅教授是法國(guó)馬賽提莫內(nèi)醫(yī)院癲癇中心的神經(jīng)科醫(yī)生，也是埃皮諾福計(jì)劃的發(fā)起人。他組建了一支強(qiáng)大的科研團(tuán)隊(duì)，召集了達(dá)索系統(tǒng)公司的三維建模專家及馬賽的多名科學(xué)家和醫(yī)學(xué)專家。“埃皮諾福計(jì)劃的目的是為癲癇患者的大腦構(gòu)建三維數(shù)字模型，從而更好地為患者實(shí)施手術(shù)?！卑屯新迕氛f(shuō)。所有癲癇患者都有一個(gè)共同特征：大腦皮層中的一群腦神經(jīng)元出現(xiàn)了異常放電現(xiàn)象，導(dǎo)致癲癇發(fā)作。部分癲癇患者對(duì)藥物抗性極強(qiáng)，無(wú)論服用什么藥物也無(wú)法根除癲癇，只能接受手術(shù)，切除大腦病灶，或是對(duì)異常區(qū)域及正常區(qū)域進(jìn)行隔斷。“癲癇手術(shù)要求精準(zhǔn)定位病灶。不得不承認(rèn)，此類手術(shù)的結(jié)果往往不盡如人意。接受了手術(shù)的癲癇患者中，約有半數(shù)仍會(huì)持續(xù)發(fā)作?！卑屯新迕氛f(shuō)。

目前，了解大腦病灶仍以臨床檢查為主，包括無(wú)創(chuàng)的核磁共振成像，或是直接將電極置入腦內(nèi)?！笆褂眠@些技術(shù)確實(shí)能得到大腦信息，但要正確解讀這些信息并非易事，尤其當(dāng)癲癇病灶涉及大腦的多個(gè)區(qū)域時(shí)。區(qū)域與區(qū)域之間的互動(dòng)也是非常復(fù)雜的?！卑屯新迕氛f(shuō)。這個(gè)時(shí)候，數(shù)字孿生體便派上用場(chǎng)了?！坝辛舜竽X的三維數(shù)字模型，我們就可以更精確地劃定病灶區(qū)域了。”他說(shuō)。

在大腦的三維模型上，醫(yī)生可以根據(jù)需要生成不同的癲癇癥狀，從而理解并掌握大腦不同區(qū)域之間的互動(dòng)關(guān)系。2019年以來(lái)，法國(guó)12家醫(yī)療中心攜手，對(duì)350名需接受手術(shù)的癲癇患者進(jìn)行了聯(lián)合臨床試驗(yàn)：對(duì)一半患者按照傳統(tǒng)方式實(shí)施手術(shù)，對(duì)另一半則采用先使用數(shù)字孿生體精確劃定病灶區(qū)域后再實(shí)施手術(shù)的方式。巴托洛梅說(shuō)：“具體結(jié)果要到2024年才能出來(lái)，到時(shí)候就能知道虛擬器官在劃定病灶區(qū)域上是否更具優(yōu)勢(shì)了。此外，我們還探究了部分手術(shù)未成功的患者情況，為他們構(gòu)建了大腦的虛擬模型。模型展現(xiàn)了未能被傳統(tǒng)方法探測(cè)到的病灶區(qū)域?！币簿褪钦f(shuō)，患者大腦的數(shù)字孿生體似乎能更精確地劃定病灶區(qū)域，為醫(yī)生實(shí)施手術(shù)提供更大的便利。

下一步計(jì)劃是讓醫(yī)生能夠在虛擬模型上切除或隔斷病灶區(qū)域，并反復(fù)演練，以精進(jìn)手術(shù)的每一個(gè)動(dòng)作。對(duì)所有細(xì)節(jié)爛熟于心后，再在現(xiàn)實(shí)世界中真正地實(shí)施手術(shù)?！跋Ｍ幸粋€(gè)軟件能夠模擬大腦活動(dòng)，供醫(yī)生在平日的臨床實(shí)踐中使用?！卑屯新迕氛f(shuō)。而達(dá)索系統(tǒng)公司正是該領(lǐng)域的佼佼者?！拔覀兊墓こ處熣陂_(kāi)發(fā)能夠生成大腦數(shù)字孿生體的軟件工具，為各大醫(yī)院提供服務(wù)?！比R文說(shuō)。

| 數(shù)字化未來(lái) |

2022年，達(dá)索系統(tǒng)公司的生命科學(xué)業(yè)務(wù)在全業(yè)務(wù)線中的占比已近50%。而在2021年，該業(yè)務(wù)僅占23%。其他“虛擬器官”也已提上日程，比如全身肌肉的虛擬模型，旨在幫助高水平運(yùn)動(dòng)員精進(jìn)訓(xùn)練、預(yù)防傷病。集合所有虛擬器官，組成人體的數(shù)字孿生體，要想實(shí)現(xiàn)這一愿景，大概還需要20余年。不過(guò)，萊文并不憂心，他信心十足地說(shuō)：“首先，你得花錢才能證明你能為醫(yī)院省錢。我們現(xiàn)在就處于花錢階段?！?/p>

心臟病數(shù)據(jù)

法國(guó)

8%的法國(guó)人患有心血管疾病，平均每名病患的醫(yī)療支出為3448歐元，僅次于精神類疾病患者及癌癥患者。

全球

心血管疾病是全球的“頭號(hào)殺手”。2019年，超過(guò)900萬(wàn)人因心血管疾病而死亡。

競(jìng)爭(zhēng)激烈

達(dá)索系統(tǒng)公司并非虛擬器官領(lǐng)域的唯一玩家。該賽道競(jìng)爭(zhēng)激烈，角逐選手包括小型企業(yè)“魔法跳動(dòng)”及“精準(zhǔn)療愈”，也不乏行業(yè)巨頭，比如西門(mén)子及飛利浦。

[編譯自法國(guó)《觀點(diǎn)》]

編輯：侯寅