数字双胞胎能彻底改变医疗保健吗?

在未来，我们每个人在出生时都可以创建一个基因图谱的数字双胞胎。如果我们生病了，这个“虚拟自我”可以用数十万种药物进行计算治疗，以确保选择最有效的药物。它还可以用来发现我们可能易患或不易患的疾病，使我们能够在重大疾病发生之前预防它们。

这是几位医疗保健行业先驱的愿景，包括瑞典Linköping大学医院个性化医疗中心的教授Mikael Benson。本森认为，需要更高分辨率的诊断方法来弥合常见疾病的复杂性与当今医疗保健系统之间的差距。他说，目前的医疗保健系统不仅原始，而且从根本上已经崩溃。

他说:“如今，在诊断和治疗病人方面，有太多的试验和错误。”“这需要花费时间和金钱——这两样东西我们的医疗系统并不充裕。仅仅改善一小部分病人的结果就能带来巨大的不同。例如，根据发表在《柳叶刀》杂志上的研究，在美国，如果对糖尿病和心脏病治疗没有充分反应的患者数量减少10%，每年将节省大约2000亿美元。”

西门子医疗(Siemens Healthineers)英国及爱尔兰企业服务主管南希•韦斯特(Nancy West)对此表示赞同:“医疗行业面临的最大挑战是需要提高对患者的价值。”“大多数诊断和治疗方案是为典型患者设计的，护理的提供是分散的，主要集中在数量上。医疗保健还没有充分利用数据的潜力，因此，它可以对患者体验产生积极影响。”

治疗效果并不是该行业面临的唯一挑战。预算超出了极限，而低效的工作流程和不必要的偏差仍未被发现。West说:“时间至关重要，不幸的是，许多潜在的系统和过程还不是最优的。”“在当前全球大流行期间，这些挑战只会被放大。通过优化流程节省的每一分钟都可以显著改善患者体验，并改变护理的提供方式。”

虽然挑战不可否认是巨大的，但专家们一致认为，数字双胞胎的进步——人、产品或建筑的虚拟表示——可能会提供一个解决方案。

埃森哲(Accenture)数字健康董事总经理布莱恩•卡利斯(Brian Kalis)表示:“我们相信，数字双胞胎在医疗行业的临床和运营层面都有潜力。”“以数字格式模拟物理世界的能力可以帮助未来的医学教育、研究和护理提供。数字双胞胎还具有提高医疗保健企业运营效率的潜力，能够近实时跟踪医疗保健设施、设备和供应，从而更有效地匹配供需。”

Siemens Healthineers GB&I研究和科学合作主管克雷格·巴克利(Craig Buckley)博士补充说:“数字双胞胎反映了现实，可以发现原本难以察觉的问题。”“它们代表着朝着在正确的时间为正确的病人提供正确的治疗的目标迈出的下一步。”

已经取得了重大进展。例如，“活心脏计划”(Living Heart Project)是为了开发世界上第一个具有实际功能的完整人类心脏的计算机模型。这个项目诞生于杰西·莱文(Jesse Levine)，他是达索(Dassault) 3DEXPERIENCE公司高级总监史蒂文·莱文(Steven Levine)博士的女儿，她出生时心脏实际上是向后的，左右心室都转了位。这种罕见的缺陷导致杰西在20岁时植入了四个心脏起搏器，在植入她的身体之前，这些起搏器都没有在她的身体上进行过测试。

在处理了几十年治疗方案的模糊性后，莱文博士寻求一种模型来联合其他医疗保健专家、医疗设备公司和监管机构，围绕人体解剖学和疾病模型的各个方面进行合作。

他解释说:“通过这项倡议，一颗功能齐全的活心脏已经开发出来，现在全世界的人都可以使用。”“它被用于设计新的医疗设备，分析药物安全性，设计个性化手术治疗方法和生物医学教育。”

心脏也是西门子健康工程师的研究重点，他们的团队创造了一个数字双胞胎，以模拟心脏再同步疗法的使用，这是一种治疗慢性充血性心力衰竭患者的治疗方案。它包括一个先进的起搏器，它使用两个电极重新同步跳动的心脏，一个植入右心室，另一个植入左心室。

巴克利说:“我们已经能够虚拟植入电极，并虚拟产生电脉冲。”“如果虚拟心脏的异步泵血被纠正，这表明再同步治疗也可以在真实患者身上成功。这是利用数字化和人工智能(AI)帮助医生制定更精确的预后的一个很好的例子。不同场景的模拟不仅可以改善治疗效果，还可以节省大量时间，提高成功率，进而降低整体成本。”

与此同时，本森一直致力于用数字技术绘制不同疾病的图谱。他与Linköping大学医院的同事们一起完成了一项为期七年的研究，成功地利用来自个体患者的高分辨率数据创建了13种自身免疫、代谢和恶性疾病的先进计算机模型，包括乳腺癌、流感、克罗恩病和湿疹。

“可以创建这些数字双胞胎的无限副本，并使用数千种药物或其组合进行计算治疗，以发现对个人最有效的药物。对双胞胎效果最好的药物可以被选择用于患者的实际治疗。”他认为，在未来三到五年内，单个癌症患者的数字双胞胎将进入临床试验。Linköping大学是为实现这一目标而努力的欧盟项目的一部分。

从长远来看，本森预计，健康个体的数字双胞胎将被分析，以预测他们患上不同疾病的风险。他说:“然后，双胞胎将接受不同的数字照射，以识别哪些会增加或降低风险。”“例如，有癌症或自身免疫性疾病风险的患者吸烟会大大增加这种风险。为了预防疾病，双胞胎可以定期更新和检测变化的迹象。我设想这是全民的，再加上关于疾病机制的教育。因此，每个有意愿的人都会对自己的健康承担越来越多的责任。”

美国佛罗里达州约翰霍普金斯儿童医院麻醉和疼痛医学科主任Mohamed Rehman博士也有类似的看法。他认为，在未来几年，临床医生将能够将个人的数字双胞胎与健身追踪器的未来读数进行比较，以寻找疾病迹象或从疾病和手术中恢复的迹象。他说:“一旦我们证实患者数字双胞胎的某些可检测到的状态变化与健康并发症或不良后果有关，我们就可以利用这一知识在未来进行干预，以预防这些并发症。”

“这意味着当患者在家康复时，临床医生可以跟踪他们的进展，并寻找恶化或并发症的早期迹象。来自患者数字双胞胎的数据还可以使医生根据患者的生活方式制定特定的治疗计划(例如，他们通常的身体活动水平的可靠指标)，并监测护理计划某些部分的实际遵守情况。”

根据临床试验的证据，拉赫曼希望能够为健康的人量身定制自动化的生活方式引导和挂钩，例如使用蓝牙连接的葡萄糖监测器和连接胰岛素泵的智能冰箱，使糖尿病患者能够更严格地控制他们的血糖水平。

他说:“我们还可以尽量减少心率和血压的办公室测试，避免白大褂综合症。”“也许最有趣的是，我们有可能在疾病临床出现之前预测疾病，如败血症、呼吸系统恶化和镰状细胞危象。这可以导致早期干预治疗，潜在地防止严重恶化和住院。例如，当当地空气污染严重，睡眠受到干扰时，我们可以自动建议哮喘患者调整药物。”

在使用数字双胞胎帮助改进流程和系统方面也取得了进展。通过在医院范围内进行模拟，医疗保健领导者可以计算出调整人员配置的影响——例如，了解一个部门的修复是否会在另一个部门造成瓶颈。

这是西门子Healthineers一直热衷于探索的领域。West说:“有许多数字双胞胎和模拟模型应用于西门子医疗客户的改进系统和流程的日常交付的例子。“工作流分析、系统重新设计和流程改进方法受益于数字孪生技术，以映射和测试变化，以改善患者护理。”

在与南卡罗来纳医科大学的战略合作中，该公司正在探索一系列数字双胞胎应用，包括使用医院日常工作的数字模型进行流程优化。我们的目标是为患者提供最好的护理，同时为其他医院树立新的标准。West说:“我们可以将多个场景模拟为数字双胞胎，并且可以在不产生重大成本的情况下表现出它们对流程效率的影响。”

尽管做出了这些巨大的努力，但彻底改革医疗保健是一个非常艰巨的任务——数字双胞胎技术要想成为常态，还需要解决几个挑战，尤其是在绘制人体生理学图谱方面。

以本森的突破为例，它涉及创建一个专门建造的scRNA-seq实验室和使用世界上最快的超级计算机之一:这些工具并不是所有人都能使用的。目前还缺乏用户友好的软件，使患者和医生都能使用数字双胞胎在知情同意的基础上讨论最佳治疗方案。

这还没有提到数据的问题。“数据集需要深度和详细，其规模可能需要国家合作，”拉赫曼说。“我们需要摆脱目前的电子病历设计——它是临床和医学法律文件的产物——转向一种有利于数据挖掘和自动收集干净数据的深思熟虑的设计。人工智能的计算能力和学习能力需要继续扩大。作为临床信息学家，我们需要对数字双胞胎产生紧迫感和兴奋感，让我们的同事在整个采用曲线上参与进来。”

赢得和维持公众和患者的信任也很重要——他们是所需数据的来源和捐助者。在必要时，匿名数据是其中的一个重要元素。“也许病人应该拥有自己的数据，”本森建议道。“有意愿的个人可以分享他们的数据，并以知情的、高水平的、也许是互利的方式参与研究。其他数据可以匿名。正确地处理这个问题需要多学科的专业知识和耐心的投入，这可能会在未来创造一个全新的职业生态系统。”

尽管存在这些问题，但专家们一致认为，数字双胞胎在未来几年具有巨大的潜力。

本森相信，计算和网络分析的进步将使他的方法得到广泛采用。为了加快数字双胞胎的临床实施，他的数据和算法已在公共领域免费提供。他说，更重要的是，变化已经在发生。大型软件公司已经在市场上推出了美国食品药品监督管理局(fda)批准的诊断方法，他预计，将数字双胞胎扩展到整合越来越详细的分子、常规临床和医学成像数据的解决方案将很快问世。对于解决诸如如何保护完整性、解决监管问题或使用医疗数据等问题的解决方案，也将有巨大的商业机会。

莱文也对即将到来的东西感到兴奋。他说:“我们将在已有进展的基础上，充分利用虚拟世界的力量，实现医疗保健的现代化。”“我们计划继续加深对心血管疾病的理解，改进模型，更重要的是，完善方法，使其针对患者进行定制。我们还将应用这种方法来构建活的大脑、肺、膝盖、肩膀，并系统地开发人体的医学相关模型。”

最终，我们的目标是为临床护理带来复兴。莱文总结说:“现代医学仍然反映了经过时间考验的评估、培训和提供护理的范式。”“然而，现代世界要求更多。我们的寿命更长，更活跃，更富有成效，我们期望护理标准像航空旅行一样可靠，像网上购物一样容易理解。

“要做到这一点，我们需要数字医疗保健的全部力量，而在中心将是你的虚拟双胞胎，不仅可以作为医疗记录，还可以作为更精确治疗的指南。在未来的几年里，我们将继续连接研究团体、设备和药物开发公司、临床护理团队和公民之间的点。我们希望解开这个谜团，这将降低成本，使我们所有人都能更好地了解、监测和尽可能长时间地保持我们的健康。”