“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)字模型來測試手術(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·萊文的畢生夢想。他在達索系統(tǒng)公司工作了十余年，擔任人體虛擬模型事業(yè)部的負責人?！霸谖磥?，醫(yī)生將能使用病患的‘數(shù)字孿生體’為手術(shù)作準備，比如檢驗手術(shù)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?！比R文饒有信心地說，但他也承認，要想實現(xiàn)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(xié)作溝通的。因為在現(xiàn)實世界里，醫(yī)療服務(wù)高度?？苹?，醫(yī)生大多只關(guān)注人體的某一部分。”有鑒于此，萊文團隊決定遵循醫(yī)療界的實際情況，對人體各器官分別進行探索。達索系統(tǒng)公司以擅長構(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)?！拔覀儗⒃谖迥陜?nèi)研發(fā)出能夠為人體主要系統(tǒng)及器官構(gòu)建‘數(shù)字孿生體’的三維設(shè)計軟件?！比R文說。

2023年1月，全球最大的國際消費類電子產(chǎn)品展覽會在拉斯維加斯舉辦。達索系統(tǒng)公司作為參展商參加，向競爭對手（包括全球領(lǐng)先的科技企業(yè)西門子以及美國的創(chuàng)業(yè)公司“魔法跳動”）展現(xiàn)了其在數(shù)字醫(yī)療領(lǐng)域的雄心壯志。萊文在展會上發(fā)布了首顆三維數(shù)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(xué)角度而言堪稱完美的復(fù)制品。

為什么一開始就選擇如此復(fù)雜的器官？其實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，在機械活動及電活動的刺激下能夠自主跳動。達索系統(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、電流活動及應(yīng)對治療的反應(yīng)數(shù)據(jù)等?！斑@顆虛擬心臟凝結(jié)了150所機構(gòu)、大學(xué)及企業(yè)的努力。”萊文說。要想構(gòu)建心肌的數(shù)字模型，首先要為心臟的各個部分創(chuàng)建適用的數(shù)學(xué)方程式，并將方程式分割為成千上萬個細小的數(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，比如高血壓引起的動脈變形。目前，創(chuàng)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(jiān)督管理局對虛擬器官抱有不小的期望，已批準醫(yī)療界使用該技術(shù)進行虛擬臨床試驗，以測試心臟手術(shù)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(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)字孿生心臟來測試尚無先例的手術(shù)方案?！笆中g(shù)團隊制定了多個方案，而三維設(shè)計軟件提供了一個他們都未曾考慮過的新思路。手術(shù)非常成功?！比R文開心地說。手術(shù)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(shù)過程，盡可能地提高成功率。

在國際消費類電子產(chǎn)品展覽會上，達索系統(tǒng)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(fù)雜的器官——大腦。雖然大腦及腦內(nèi)神經(jīng)元的運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)可以實現(xiàn)。

| 治療癲癇的新方案 |

在這個領(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，也是埃皮諾福計劃的發(fā)起人。他組建了一支強大的科研團隊，召集了達索系統(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?！鞍ＦぶZ福計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施手術(shù)?！卑屯新迕氛f。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(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(shù)，切除大腦病灶，或是對異常區(qū)域及正常區(qū)域進行隔斷。“癲癇手術(shù)要求精準定位病灶。不得不承認，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)仍會持續(xù)發(fā)作?！卑屯新迕氛f。

目前，了解大腦病灶仍以臨床檢查為主，包括無創(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(qū)域時。區(qū)域與區(qū)域之間的互動也是非常復(fù)雜的。”巴托洛梅說。這個時候，數(shù)字孿生體便派上用場了。“有了大腦的三維數(shù)字模型，我們就可以更精確地劃定病灶區(qū)域了?！彼f。

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)域之間的互動關(guān)系。2019年以來，法國12家醫(yī)療中心攜手，對350名需接受手術(shù)的癲癇患者進行了聯(lián)合臨床試驗：對一半患者按照傳統(tǒng)方式實施手術(shù)，對另一半則采用先使用數(shù)字孿生體精確劃定病灶區(qū)域后再實施手術(shù)的方式。巴托洛梅說：“具體結(jié)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(qū)域上是否更具優(yōu)勢了。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)方法探測到的病灶區(qū)域。”也就是說，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)生實施手術(shù)提供更大的便利。

下一步計劃是讓醫(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，以精進手術(shù)的每一個動作。對所有細節(jié)爛熟于心后，再在現(xiàn)實世界中真正地實施手術(shù)?！跋Ｍ幸粋€軟件能夠模擬大腦活動，供醫(yī)生在平日的臨床實踐中使用?！卑屯新迕氛f。而達索系統(tǒng)公司正是該領(lǐng)域的佼佼者?！拔覀兊墓こ處熣陂_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。

| 數(shù)字化未來 |

2022年，達索系統(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，旨在幫助高水平運動員精進訓(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，要想實現(xiàn)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(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

8%的法國人患有心血管疾病，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(tǒng)公司并非虛擬器官領(lǐng)域的唯一玩家。該賽道競爭激烈，角逐選手包括小型企業(yè)“魔法跳動”及“精準療愈”，也不乏行業(yè)巨頭，比如西門子及飛利浦。

[編譯自法國《觀點》]

編輯：侯寅