[Цифровой организм] Клон в помощь: зачем ученые создают цифровые двойники сердца и легких. На виртуальных органах смогут моделировать сложные операции и воздействие лекарств
![[Цифровой организм] Клон в помощь: зачем ученые создают цифровые двойники сердца и легких. На виртуальных органах смогут моделировать сложные операции и воздействие лекарств](/story_images/662000/1683545132_31_1683545009_19_1683544876_85_1683544660_32_1683544625_62_1683544540_56_1683544485_13_1683544437_91_1683544382_75_1683544289_83_generated.jpg)
Ученые Сеченовского университета начали разработку цифровых моделей различных органов человека. Их можно будет персонализировать под конкретного пациента, оценивать, нужна ли ему операция. А если нужна, моделировать, как организм отреагирует на то или иное действие хирурга или лекарство. Это позволит в 10–20 раз сократить число побочных эффектов и послеоперационных осложнений, уверены специалисты. Особое значение технология имеет для кардиологов и онкологов. В перспективе ученые рассчитывают создать не просто виртуальные модели отдельных органов, а полные цифровые копии человека.
Модель для врача
Российские ученые приступили к созданию цифровых двойников человека — компьютерных моделей, которые управляются алгоритмами искусственного интеллекта (ИИ). Благодаря способности делать высокоточные прогнозы эта технология позволит в 10–20 раз сократить количество побочных эффектов и нежелательных послеоперационных явлений, отметил научный сотрудник Института персонализированной кардиологии Сеченовского университета Андрей Рожков.
— Крайне необходимо использование цифровых двойников сердечно-сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем. Они могут и должны применяться в кардиологии, онкологии, нефрологии, при ревматоидных заболеваниях иммунной системы. В этих областях огромное количество процессов, которые просто невозможно физически учитывать врачу при работе с пациентом, поэтому компьютерные технологии ему в этом помогут. Кроме того, цифровые модели крайне полезны при лечении тяжелых хронических заболеваний во всех областях медицины, — подчеркнул он.
Сейчас специалисты НЦМУ «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» разрабатывают виртуальные модели различных человеческих органов, добавили в университете.
— Так, например, в кардиологии уже существуют модели сердца с прогнозированием различных нарушений ритма. В нашем университете создана модель кровоснабжения сердца, которую можно персонализировать под каждого конкретного пациента. Она позволяет оценивать необходимость оперативного вмешательства. Следующий шаг — это моделирование самой операции и ее последствий, — рассказал директор Института персонализированной кардиологии клинического центра Сеченовского университета Филипп Копылов.
Сам себя научит
На цифровых двойниках можно тестировать воздействие лекарств на организм человека без ущерба здоровью, проводить разработку и мониторинг новых медицинских устройств и лекарств, проверять действие обезболивающих и прогнозировать риск послеоперационных осложнений, уверены разработчики.
— Особенностью искусственного интеллекта является способность к самообучению, то есть чем больше в него загружается данных, тем совершенней он становится. Уже сейчас в модель внедрены сложные системы дифференциальных уравнений, описывающие поведение артериального давления в различных клинических условиях, например при пороках сердца, при введении лекарственных препаратов и изменениях пульса, — отметил Андрей Рожков.
В Сеченовском университете идет работа над наполнением и совершенствованием баз данных различных заболеваний для дальнейшего развития алгоритмов ИИ, добавил он.
— Для полноценной работы в систему должны быть загружены данные как минимум нескольких тысяч человек. Тогда машину можно обучить, и она начнет приносить реальную пользу. Для создания массивов данных, на основании которых происходит машинное обучение систем с искусственным интеллектом, нужен биобанк. Банк биоданных, как и базы данных пациентов, это топливо для работы ИИ, — отметил Андрей Рожков.
Ранее «Известия» писали, что на базе университета создали банк биоматериалов пациентов с онкологическими заболеваниями. В нем хранятся поврежденные злокачественными опухолями образцы тканей, цельная кровь, плазма и другие биологические образцы более 4 тыс. человек.
Аватар человека
Цифровые двойники к нам пришли из промышленности, отметил менеджер проекта лаборатории персональных медицинских помощников центра НТИ «Бионическая инженерия в медицине» СамГМУ Петр Кшнякин.
— Технология позволяет создать виртуального клона для сложного технического объекта или системы, а потом — при изменении каких-либо свойств — отслеживать последствия. Такой же подход можно реализовать и в медицине. Цифровой двойник пациента в перспективе будет представлять из себя виртуальную копию если не всего человека, то какого-либо его состояния или группы состояний, — считает эксперт.
Аналогичные модели применяются в различных областях. Например, в автомобилестроении проводят виртуальные краш-тесты — моделируют множество потенциальных аварий, отметил руководитель лаборатории 3D-моделирования тела человека СамГМУ Айкуш Назарян.
— Цифровые двойники могут применяться во многих разделах медицины: хирургии, кардиологии, эндокринологии, фармацевтике, генетике. Получение данных о строении, биохимическом составе, генной структуре позволит воссоздать цифровую копию человека, на основе которой можно сделать компьютерную модель оперативного или консервативного лечения. В целом применение цифровых двойников в медицине позволит значительно сократить осложнения и правильно выбрать траекторию лечения пациентов, — полагает эксперт.
Сегодня подобные разработки ведутся не только в России, но и по всему миру, добавил Андрей Рожков. Так, британским ученым удалось построить виртуальную модель крупных магистральных артерий организма. С ее помощью они смогли с точностью в 99% указать на наличие или отсутствие аневризмы брюшного отдела. То есть в мире уже сейчас цифровые двойники начинают применяться в кардиологии и онкологии, заключил эксперт. Цель российских ученых — расширить область их применения и доступность для врачей.
suare 8 Мая 2023
Виртуальные копии реальных вещей уже стали обычным явлением в производстве, промышленности и аэрокомической отрасли. Цифровые двойники есть у городов, портов, электростанций и даже собора Нотр-Дам. Но ученым предстоит решить куда более сложную задачу — смоделировать организм человека. Рассказываем о результатах, которых они уже добились.
Идея цифровых двойников долгое время была ограничена сферой научной фантастики. Однако концепция может быть воплощена в жизнь.
В своей книге «Виртуальный ты» Питер Ковени, профессор химии и компьютерных наук в Университетском колледже Лондона, и Роджер Хайфилд, научный директор Лондонского музея науки, рассказывают, насколько далеко продвинулись исследователи на пути к точному цифровому моделированию людей.
На презентации книги к авторам присоединились ведущие эксперты в области цифровых двойников здравоохранения из Оксфордского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Барселонского суперкомпьютерного центра (BSC). Участники дискуссионной группы обсудили возможности и проблемы, связанные с созданием цифровой копии человеческого тела, а также ее последствия для медицины.
В BSC уже создали виртуальные модели живых клеток и целых органов. Наиболее впечатляющий пример — Alya Red, цифровой двойник сердца, состоящий примерно из 100 млн виртуальных клеток.
Это сердце бьется не внутри человека, а внутри MareNostrum, одного из самых мощных суперкомпьютеров в Европе. Симуляция Alya Red, созданная в партнерстве с MedTech-компанией Medtronic, помогает установить кардиостимулятор, точно его настроить и смоделировать его эффект.
Еще одна впечатляющая модель воспроизводит кровеносную систему 26-летней кореянки Юн Сун. Сеть сосудов протяженностью 95 тысяч км была оцифрована в рамках международного проекта с использованием нескольких суперкомпьютеров. Исследователи используют ее для изучения кровяного давления и движения тромбов по всей сосудистой системе.
In silico
Цифровые двойники существуют не только в лаборатории. Часть из них уже применяется на практике, и некоторые были одобрены Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA).
До сих пор эти модели использовались в основном для испытаний in silico — когда лекарство или заболевание тестируется виртуально, а не на реальных тканях человека или животного.
Эти испытания позволяют компаниям протестировать препарат на «виртуальных пациентах», прежде чем проверить его на людях. По словам Франсуа-Анри Буасселя, CEO французской платформы моделирования клинических испытаний Novadiscovery, благодаря этому можно выявить «неудачу в процессе создания» на ранних стадиях цикла разработки лекарств. Это может значительно сэкономить время и средства компаниям.
Кроме того, подход устраняет этические проблемы, связанные с испытаниями на животных, объясняет Бланка Родригес, профессор вычислительной медицины в Оксфордском университете.
Ее команда создала цифрового двойника сердца, который применяется для имитации воздействия различных лекарств и заболеваний на сердечную функцию. В одном виртуальном исследовании ее команда протестировала действие 66 различных препаратов на более чем тысяче различных моделей клеток сердца и смогла предсказать риск нарушения сердечного ритма с точностью 89%. Сопоставимые исследования на животных продемонстрировали точность в 75%.
Эти испытания также будут полезны, когда мир столкнется с очередной чрезвычайной ситуацией в области общественного здравоохранения. Во время пандемии COVID-19 суперкомпьютеры использовались для моделирования практически всего, от потенциальных методов лечения до прогнозирования возможного распространения вируса, как показано на видео ниже.
И по мере того, как симуляции человеческих тканей, органов и клеток становится все более сложным, они могут открыть новые возможности для тестирования вакцин, индивидуального лечения симптомов и помочь врачам исследовать воздействие инфекции на весь организм.
По словам Хайфилда, цифровые близнецы также могли бы ускорить поиск вакцин-кандидатов для больших семейств вирусов животных, которые рискуют распространиться на человеческую популяцию.
Все эти достижения, верят Ковени и Хайфилд, закладывают основу для создания цифровых двойников всего человеческого тела.
Виртуальный ты
Компьютерные модели пациентов не только будут выглядеть как люди, но и вести себя так же.
Для этого потребуется собрать и проанализировать достаточный объем информации при помощи сканирования тела и органов, геномного и биохимического анализа, а также носимых устройств.
Врач может испытать на цифровом двойнике несколько сценариев, например, как пациент отреагирует на определенное лекарство или заболевание, даже не прикасаясь к нему. Модель позволит точно спрогнозировать риск заболевания и порекомендовать лекарства, диету и изменения образа жизни, что потенциально спасет и продлит жизнь.
По данным Европейской комиссии, в Европе около 200 тысяч человек ежегодно умирают от назначаемых им лекарств, отчасти потому, что эти методы лечения являются универсальными и не разработаны специально для пациента.
Та же проблема существует и применительно к лечению: врачи вынуждены принимать решения, основываясь на похожих, но неидентичных пациентах в похожих, но неидентичных обстоятельствах в прошлом.
«Современная медицина подобна вождению автомобиля, когда смотришь в зеркало заднего вида — она всегда оглядывается назад, пытаясь понять, что происходит сейчас», — говорит Хайфилд.
Он добавляет: «Мы надеемся, что цифровые двойники позволят здравоохранению стать перспективным, по-настоящему персонализированным и предиктивным, избавив от большей части догадок».
Кроме того, цифровой двойник поможет с высокой степенью точности предсказать время смерти.
Так когда у нас появятся собственные виртуальные копии?
Профессор Оксфордского университета Денис Нобл разработал первую модель клетки бьющегося сердца в 1959 году. Несколько лет спустя его работа была расширена до уровня участков клеток, и к 1990-м годам начали появляться модели всего сердца, работающие на самых ранних суперкомпьютерах. Теперь такие программы, как Alya Red, позволяют моделировать практически любую часть человеческого тела.
Это тот момент, в котором мы сейчас находимся. Цифровой двойник целого человека еще не был создан.
Ковени считает, что для этого предстоит преодолеть «огромные технические препятствия».
- Симуляции такой сложности потребуют доступа к невероятно мощным компьютерам, таким как Frontier, первый в мире и самый быстрый суперкомпьютер эксафлопсной производительности. Подобных машин по-прежнему очень мало, и для их работы требуется большое количество энергии.
- Трудность и в том, чтобы объединить код, отвечающий за отдельные части виртуального тела. В техническом плане отдельные модели клетки или сердца являются отдельными симуляциями. Кроме того, модели работают на разных уровнях: симуляции клетки и целого органа требуют разного кода и выполняются с разной скоростью. Заставить их загружаться одновременно и с одинаковой скоростью — задача не из легких.
- Есть и вопросы этического характера. Способность предсказывать практически все, что касается здоровья человека, очень полезна для медицинских работников, но потенциально опасна в чужих руках.
В рамках современных технологий создать своего собственного виртуального двойника прямо сейчас могут только миллиардеры, говорит Ковени.
Даже самые мощные компьютеры будущего не смогут проанализировать человека на молекулярном уровне: человек для этого слишком сложен.
Но Ковени и Хайфилд убедительно доказывают, что даже неполные цифровые представления будут чрезвычайно полезны для развития медицинской науки и здоровья отдельных людей. Авторы также надеются, что ИИ позволит сократить потребность в вычислительных мощностях
«Искусственный интеллект и машинное обучение могут воспроизвести часть кода и позволить всему цифровому двойнику загружаться с той скоростью, которая необходима для эффективного принятия медицинских решений», — объясняет Хайфилд.
Несмотря на все эти трудности, возможно, полностью функционирующие виртуальные пациенты появятся раньше, чем кажется. Например, Ковени считает, что технология будет готова к практическому использованию примерно через 5 лет.
Обложка снегерирована нейросетью Midjourney
Редактор отдела «Новости»
В России зарегистрировали первую созданную на основе искусственного интеллекта технологию в области стоматологии. Она создает 3D-модель, с помощью которой врач выявляет патологии и признаки проведенного лечения.
Технологию Dentomo зарегистрировал резидент «Сколково» – компания «НМФ ФДЛАБ». В пресс-службе «Сколково» рассказали, что разработка повышает точность диагностики до 95%.
В основе технологии лежат алгоритмы анализа обработки изображений для интерпретации конусно-лучевой томографии. Врач получает более точную трехмерную информацию о зубочелюстной системе человека по сравнению со стандартными компьютерными и рентген томограммами, отметили в «Сколково».
«На данный момент Dentomo – первая в своем роде разработка, зарегистрированная в России. Технология очень востребована профильными специалистами и позволит значительно усовершенствовать диагностику в стоматологии», – отметил медицинский директор «НМФ ФДЛАБ» Александр Обрубов.
Пока Dentomo определяет пять заболеваний (кариес, истирание, не удаленный корень, ретинированный зуб, дистопию) и десять признаков проведенного лечения, в том числе установку пломб и коронок, имплантов, брекетов, виниров. Специалисты ведут работу по расширению списка возможностей.
Разработчики отметили, что Dentomo можно применять во всех направлениях стоматологии. Использование технологии позволяет исключить так называемый человеческий фактор в диагностике, а также помогает врачу в составлении индивидуальных планов лечения.
suare 8 Мая 2023