“虛擬器官”醫療革命

卡羅琳娜·杜爾布

從今往后，醫生可以使用人體心臟、肝臟甚至大腦的高仿真數字模型來測試手術方案的可行性了！

為人體器官打造一模一樣的數字模型，這是史蒂文·萊文的畢生夢想。他在達索系統公司工作了十余年，擔任人體虛擬模型事業部的負責人。“在未來，醫生將能使用病患的‘數字孿生體’為手術作準備，比如檢驗手術方案的可行性，為病患量身繪制植入物，以及進行各類臨床測試。”萊文饒有信心地說，但他也承認，要想實現這個夢想，還有很長的路要走，而且途中布滿荊棘。他說：“其實我們并不了解器官與器官之間是如何協作溝通的。因為在現實世界里，醫療服務高度專科化，醫生大多只關注人體的某一部分。”有鑒于此，萊文團隊決定遵循醫療界的實際情況，對人體各器官分別進行探索。達索系統公司以擅長構建工業化三維數字模型而聞名，甚至可建造出大型工廠的“數字孿生體”，為汽車制造業及航空航天工業提供數字化服務。“我們將在五年內研發出能夠為人體主要系統及器官構建‘數字孿生體’的三維設計軟件。”萊文說。

2023年1月，全球最大的國際消費類電子產品展覽會在拉斯維加斯舉辦。達索系統公司作為參展商參加，向競爭對手（包括全球領先的科技企業西門子以及美國的創業公司“魔法跳動”）展現了其在數字醫療領域的雄心壯志。萊文在展會上發布了首顆三維數字心臟，其大小及跳動頻率均與原型患者的心臟無異，從解剖學角度而言堪稱完美的復制品。

為什么一開始就選擇如此復雜的器官？其實在建模工程師的眼中，心臟并不是最復雜的。心臟主要由肌纖維構成，在機械活動及電活動的刺激下能夠自主跳動。達索系統公司打造的數字心臟整合了病患心臟功能的所有可得數據，包括肌肉收縮、電流活動及應對治療的反應數據等。“這顆虛擬心臟凝結了150所機構、大學及企業的努力。”萊文說。要想構建心肌的數字模型，首先要為心臟的各個部分創建適用的數學方程式，并將方程式分割為成千上萬個細小的數據樣本。算法軟件將結合這些數據樣本，重現人體心臟的物理活動，比如高血壓引起的動脈變形。目前，創建一顆虛擬心臟，算法需要計算整整一天，而幾年之后僅需三到五分鐘即可。

美國食品藥品監督管理局對虛擬器官抱有不小的期望，已批準醫療界使用該技術進行虛擬臨床試驗，以測試心臟手術器械的性能，比如具有疏通動脈血管作用的心臟支架。波士頓兒童醫院已率先應用了此技術。該院的一名小病人患有先天性心臟病，手術難度極高。醫院使用了患者的數字孿生心臟來測試尚無先例的手術方案。“手術團隊制定了多個方案，而三維設計軟件提供了一個他們都未曾考慮過的新思路。手術非常成功。”萊文開心地說。手術團隊起初對新方案略有疑慮，但最終決定放手一試。他們在心臟模型上多次模擬了手術過程，盡可能地提高成功率。

在國際消費類電子產品展覽會上，達索系統公司還揭秘了他們即將推出的下一個“虛擬器官”，也是人體最復雜的器官——大腦。雖然大腦及腦內神經元的運作方式仍有不少未解之謎，但構建大腦的虛擬模型從而重現部分腦部疾病，這樣的技術已經可以實現。

| 治療癲癇的新方案 |

在這個領域最有發言權的非法布里斯·巴托洛梅莫屬。巴托洛梅教授是法國馬賽提莫內醫院癲癇中心的神經科醫生，也是埃皮諾福計劃的發起人。他組建了一支強大的科研團隊，召集了達索系統公司的三維建模專家及馬賽的多名科學家和醫學專家。“埃皮諾福計劃的目的是為癲癇患者的大腦構建三維數字模型，從而更好地為患者實施手術。”巴托洛梅說。所有癲癇患者都有一個共同特征：大腦皮層中的一群腦神經元出現了異常放電現象，導致癲癇發作。部分癲癇患者對藥物抗性極強，無論服用什么藥物也無法根除癲癇，只能接受手術，切除大腦病灶，或是對異常區域及正常區域進行隔斷。“癲癇手術要求精準定位病灶。不得不承認，此類手術的結果往往不盡如人意。接受了手術的癲癇患者中，約有半數仍會持續發作。”巴托洛梅說。

目前，了解大腦病灶仍以臨床檢查為主，包括無創的核磁共振成像，或是直接將電極置入腦內。“使用這些技術確實能得到大腦信息，但要正確解讀這些信息并非易事，尤其當癲癇病灶涉及大腦的多個區域時。區域與區域之間的互動也是非常復雜的。”巴托洛梅說。這個時候，數字孿生體便派上用場了。“有了大腦的三維數字模型，我們就可以更精確地劃定病灶區域了。”他說。

在大腦的三維模型上，醫生可以根據需要生成不同的癲癇癥狀，從而理解并掌握大腦不同區域之間的互動關系。2019年以來，法國12家醫療中心攜手，對350名需接受手術的癲癇患者進行了聯合臨床試驗：對一半患者按照傳統方式實施手術，對另一半則采用先使用數字孿生體精確劃定病灶區域后再實施手術的方式。巴托洛梅說：“具體結果要到2024年才能出來，到時候就能知道虛擬器官在劃定病灶區域上是否更具優勢了。此外，我們還探究了部分手術未成功的患者情況，為他們構建了大腦的虛擬模型。模型展現了未能被傳統方法探測到的病灶區域。”也就是說，患者大腦的數字孿生體似乎能更精確地劃定病灶區域，為醫生實施手術提供更大的便利。

下一步計劃是讓醫生能夠在虛擬模型上切除或隔斷病灶區域，并反復演練，以精進手術的每一個動作。對所有細節爛熟于心后，再在現實世界中真正地實施手術。“希望有一個軟件能夠模擬大腦活動，供醫生在平日的臨床實踐中使用。”巴托洛梅說。而達索系統公司正是該領域的佼佼者。“我們的工程師正在開發能夠生成大腦數字孿生體的軟件工具，為各大醫院提供服務。”萊文說。

| 數字化未來 |

2022年，達索系統公司的生命科學業務在全業務線中的占比已近50%。而在2021年，該業務僅占23%。其他“虛擬器官”也已提上日程，比如全身肌肉的虛擬模型，旨在幫助高水平運動員精進訓練、預防傷病。集合所有虛擬器官，組成人體的數字孿生體，要想實現這一愿景，大概還需要20余年。不過，萊文并不憂心，他信心十足地說：“首先，你得花錢才能證明你能為醫院省錢。我們現在就處于花錢階段。”

心臟病數據

法國

8%的法國人患有心血管疾病，平均每名病患的醫療支出為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“頭號殺手”。2019年，超過900萬人因心血管疾病而死亡。

競爭激烈

達索系統公司并非虛擬器官領域的唯一玩家。該賽道競爭激烈，角逐選手包括小型企業“魔法跳動”及“精準療愈”，也不乏行業巨頭，比如西門子及飛利浦。

[編譯自法國《觀點》]

編輯：侯寅