2019 年 5 月的一個(gè)早晨，波士頓兒童醫(yī)院的一名心臟外科醫(yī)生走進(jìn)手術(shù)室，準(zhǔn)備為一名兒童實(shí)施高風(fēng)險(xiǎn)心臟重建手術(shù)。這位醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)豐富，但這次他擁有一項(xiàng)前所未有的優(yōu)勢(shì)：他已經(jīng)在虛擬世界中，為這名孩子 “演練” 了數(shù)十次同款手術(shù)。下刀之前，他就已明確每一步操作，更重要的是，他知道哪種方案能給這名孩子帶來(lái)最佳預(yù)后。

這一切如何實(shí)現(xiàn)？

在術(shù)前數(shù)周，醫(yī)院的外科與心臟工程團(tuán)隊(duì)就已根據(jù)患兒的核磁共振與 CT 掃描數(shù)據(jù)，構(gòu)建出一顆功能完整的心臟及周邊血管系統(tǒng)模型。他們先將醫(yī)學(xué)影像轉(zhuǎn)化為三維模型，再通過(guò)物理算法讓這顆數(shù)字心臟 “活” 起來(lái)，復(fù)刻出患者獨(dú)有的生理動(dòng)態(tài)特征 —— 包括獨(dú)特的血流模式、壓力差與肌肉組織應(yīng)力。

這種模型被稱(chēng)為虛擬孿生體（Virtual Twin）。它不僅能識(shí)別病癥，更能提供精細(xì)化診斷依據(jù)。在波士頓的這次手術(shù)中，團(tuán)隊(duì)用模型預(yù)測(cè)患兒心臟對(duì)每一刀、每一針的反應(yīng)，讓醫(yī)生提前測(cè)試多種方案，找到最適配這名患兒解剖結(jié)構(gòu)的術(shù)式。

這名患兒的病情極為特殊：心房與心室間存在巨大缺損，導(dǎo)致血液在四個(gè)心腔間異常流動(dòng)，沒(méi)有任何手術(shù)手冊(cè)能完全指導(dǎo)治療。這種病變會(huì)加重肺部負(fù)荷，醫(yī)生計(jì)劃實(shí)施開(kāi)胸手術(shù)，將下半身的脫氧血直接繞經(jīng)心臟導(dǎo)入肺部。

這類(lèi)手術(shù)通常需要醫(yī)生在高壓、高不確定性的現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)決策，但這一次，手術(shù)方案已被提前反復(fù)驗(yàn)證，整個(gè)團(tuán)隊(duì)在正式手術(shù)前就已完成完整彩排。最終，手術(shù)大獲成功。

如今，這類(lèi)依托虛擬孿生體的手術(shù)在這家醫(yī)院已成為常規(guī)。自首例患者以來(lái)，已有近 2000 臺(tái)手術(shù)借助虛擬孿生建模完成。這正是“活體心臟計(jì)劃”（Living Heart Project）的技術(shù)力量 —— 該項(xiàng)目由作者在 2014 年發(fā)起，比首例臨床應(yīng)用早五年。項(xiàng)目最初只是探索人體心臟建模的可行性，如今已匯聚 28 個(gè)國(guó)家、150 余家成員機(jī)構(gòu)，數(shù)十支跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)常態(tài)化使用心臟及其他重要器官的多尺度虛擬孿生模型。

這項(xiàng)技術(shù)正在重塑我們認(rèn)知與治療人體的方式。而走到這一步，團(tuán)隊(duì)首先攻克了一個(gè)核心難題：打造足夠精準(zhǔn)、足夠可信，足以指導(dǎo)真實(shí)臨床決策的數(shù)字心臟。

一位父親的擔(dān)憂(yōu)

活體心臟計(jì)劃即將步入第二個(gè)十年，其誕生部分源于一段個(gè)人執(zhí)念。

多年來(lái)，作者眼睜睜看著女兒杰西因一種罕見(jiàn)先天性心臟病陷入無(wú)盡的診斷不確定性：她的心室位置反轉(zhuǎn)，隨年齡增長(zhǎng)生命風(fēng)險(xiǎn)不斷升高。

作為工程師，作者深知心臟本質(zhì)是一組受電信號(hào)控制、由瓣膜精密調(diào)控血流的泵血腔室。但他始終無(wú)法透徹理解女兒那顆獨(dú)一無(wú)二的心臟結(jié)構(gòu)與運(yùn)作方式，難以真正參與到她的治療中。專(zhuān)科醫(yī)生清楚這類(lèi)患兒不接受治療的兇險(xiǎn)預(yù)后，但由于每個(gè)患者的解剖結(jié)構(gòu)都獨(dú)一無(wú)二，他們的診療決策大多只能依靠經(jīng)驗(yàn)判斷。換一位專(zhuān)家，就可能換一種猜測(cè)。

一個(gè)工程領(lǐng)域的疑問(wèn)就此點(diǎn)燃：為什么我們能用數(shù)字模型模擬汽車(chē)、飛機(jī)，卻不能模擬人體？

作者畢生都在開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的計(jì)算工具，幫助工程師為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字模型，尺度從原子相互作用到整車(chē)整機(jī)。這些模型的共同點(diǎn)，是依靠物理規(guī)律預(yù)測(cè)行為、優(yōu)化性能。但在今天的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這種基于物理的方法卻極少用于臨床決策。大多數(shù)診療仍依賴(lài)靜態(tài)二維影像、統(tǒng)計(jì)指南與回顧性研究得出的經(jīng)驗(yàn)判斷。

歷史上并非如此。“醫(yī)生（physician）” 一詞本就源自拉丁語(yǔ) “physica”，意為 “自然科學(xué)”。早期醫(yī)者在某種意義上就是應(yīng)用物理學(xué)家：他們把心臟看作泵，把肺看作風(fēng)箱，把人體視作動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。行醫(yī)者必須精通應(yīng)用于人體的物理學(xué)。

隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展，生物學(xué)與化學(xué)逐漸占據(jù)主導(dǎo)，物理學(xué)知識(shí)被逐漸淡忘。但對(duì)作者女兒、波士頓那名患兒以及數(shù)百萬(wàn)類(lèi)似患者而言，治療效果本質(zhì)由力學(xué)規(guī)律決定。任何藥物、藥膏這類(lèi)化學(xué)方案都無(wú)濟(jì)于事，只有物理手段有效。

虛擬孿生技術(shù)，正讓現(xiàn)代醫(yī)生重拾這一本源，用工程原理、仿真科學(xué)與人工智能重新連接醫(yī)學(xué)與物理。

十年發(fā)展之路

活體心臟計(jì)劃的初衷很簡(jiǎn)單：

能否匯聚數(shù)百位各領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)人類(lèi)心臟的認(rèn)知，打造一個(gè)足夠精準(zhǔn)、可個(gè)性化定制、具備預(yù)測(cè)能力，足以指導(dǎo)臨床治療的數(shù)字孿生體？

項(xiàng)目邀請(qǐng)了研究者、臨床醫(yī)生、醫(yī)療器械與藥企、監(jiān)管機(jī)構(gòu)共享數(shù)據(jù)、工具與知識(shí)，目標(biāo)是共同推動(dòng)整個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)步。計(jì)劃啟動(dòng)時(shí)僅有十幾家機(jī)構(gòu)參與，不到一年，首顆功能完整的人體虛擬心臟便誕生了。

這顆 “活體心臟” 并非簡(jiǎn)單復(fù)刻解剖外觀，而是基于第一性原理的模型：它將心臟電信號(hào)纖維網(wǎng)絡(luò)（維持生命的生物 “電池”）與機(jī)械響應(yīng)（心肌收縮，即心跳）耦合在一起，真實(shí)模擬心臟跳動(dòng)的全過(guò)程。

學(xué)界早已開(kāi)展心臟計(jì)算模型研究，但大多受限于可用技術(shù)。而活體心臟依托達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systèmes）的工業(yè)級(jí)仿真軟件構(gòu)建 —— 該公司以航空航天與汽車(chē)工程建模工具聞名。這一平臺(tái)讓團(tuán)隊(duì)能夠直接根據(jù)患者的核磁、CT、血壓、超聲心動(dòng)圖數(shù)據(jù)，定制專(zhuān)屬心臟模型，實(shí)現(xiàn)影像與仿真的無(wú)縫對(duì)接。

隨后，外科醫(yī)生開(kāi)始用它模擬手術(shù)，器械廠商用它設(shè)計(jì)測(cè)試植入物，藥企用它評(píng)估藥物毒性。項(xiàng)目產(chǎn)出數(shù)百篇學(xué)術(shù)論文，且因共用同一底層框架，研究結(jié)果可復(fù)現(xiàn)、可復(fù)用、可迭代。每一次應(yīng)用，都讓學(xué)界對(duì)心臟的理解呈滾雪球式增長(zhǎng)。

項(xiàng)目早期就攻克了一項(xiàng)關(guān)鍵落地障礙：監(jiān)管認(rèn)可。啟動(dòng)首年，美國(guó) FDA 便以觀察員身份加入。隨后數(shù)年，基于虛擬心臟模型的科研證據(jù)評(píng)估方法逐步成型。2019 年，團(tuán)隊(duì)與 FDA 器械與放射健康中心正式達(dá)成第二個(gè)五年合作，目標(biāo)明確：

用心臟模型構(gòu)建虛擬患者群體，復(fù)現(xiàn)一款已獲批二尖瓣修復(fù)器械的關(guān)鍵臨床試驗(yàn)。

這不僅讓團(tuán)隊(duì)掌握了虛擬人群構(gòu)建方法，也讓 FDA 得以試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)模擬臨床證據(jù)替代真實(shí)患者數(shù)據(jù)。2024 年 8 月，研究成果發(fā)布，F(xiàn)DA 據(jù)此出臺(tái)全球首項(xiàng)計(jì)算機(jī)模擬臨床試驗(yàn)指南，為簡(jiǎn)化臨床流程、降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)確立全新范式。

十年間，這項(xiàng)曾被多數(shù)人質(zhì)疑的構(gòu)想，成為被監(jiān)管認(rèn)可的現(xiàn)實(shí)。

而心臟建模只是開(kāi)始。遵循心臟團(tuán)隊(duì)的成功模板，項(xiàng)目已擴(kuò)展至肺、肝、腦、眼、腸道等其他器官，每個(gè)器官對(duì)應(yīng)不同醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，擁有獨(dú)立研究社群、數(shù)據(jù)類(lèi)型與臨床應(yīng)用場(chǎng)景。最終目標(biāo)是打造一個(gè)多尺度、模塊化的虛擬人體平臺(tái)，各器官孿生體可整合為統(tǒng)一的全身數(shù)字替身。

心臟數(shù)字孿生體如何構(gòu)建？

心臟數(shù)字孿生體的構(gòu)建始于醫(yī)學(xué)影像（核磁、CT 或兩者結(jié)合）：

• 斷層影像重建為心臟及關(guān)聯(lián)血管的三維幾何結(jié)構(gòu)；

• 將整體解剖結(jié)構(gòu)分割為心房、心室、瓣膜等子結(jié)構(gòu)，為各部分賦予專(zhuān)屬物理特性；

• 轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的功能模型，模擬各類(lèi)心肌組織在負(fù)荷下的形變（力學(xué)特性）；

• 整合驅(qū)動(dòng)心肌收縮的電信號(hào)纖維網(wǎng)絡(luò)，模型就此 “活” 起來(lái)；

• 加入血流動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，模擬血流與壓力物理規(guī)律，設(shè)置與真實(shí)人體匹配的邊界條件（血流、瓣膜行為、血管阻力），使模型可預(yù)測(cè)血流模式、壓力差與組織應(yīng)力；

• 最后用患者實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（心腔容積變化、血壓、電信號(hào)時(shí)序等）進(jìn)行個(gè)性化校準(zhǔn)，讓孿生體不僅復(fù)刻解剖結(jié)構(gòu)，更精準(zhǔn)反映患者心臟的真實(shí)運(yùn)作方式。

生成式 AI 打造大規(guī)模虛擬人群

2019 年 FDA 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)模擬臨床試驗(yàn)項(xiàng)目后，研究重心從為特定患者手工打造虛擬孿生體，轉(zhuǎn)向構(gòu)建足以替代完整試驗(yàn)人群的大規(guī)模虛擬隊(duì)列。

這一規(guī)?；繕?biāo)如今得以實(shí)現(xiàn)，正是因?yàn)樘摂M孿生與生成式 AI 實(shí)現(xiàn)了融合。傳統(tǒng)數(shù)字孿生仿真要模擬數(shù)千名患者的治療反應(yīng)或數(shù)年病程進(jìn)展，速度慢到難以承受，而生成式 AI 打破了這一瓶頸。

AI 從兩方面增強(qiáng)虛擬孿生能力：

• 快速構(gòu)建高保真模型：機(jī)器學(xué)習(xí)算法能高效整合影像、傳感器、臨床記錄等碎片化數(shù)據(jù)，快速搜索數(shù)千種模型參數(shù)組合，與患者數(shù)據(jù)對(duì)標(biāo)，收斂至最精準(zhǔn)的復(fù)刻方案。過(guò)去需要數(shù)月手動(dòng)調(diào)整的流程，如今數(shù)天即可完成，讓臨床級(jí)大規(guī)模虛擬人群與實(shí)時(shí)個(gè)性化孿生體成為現(xiàn)實(shí)；

• 讓 AI 仿真扎根物理規(guī)律：用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的虛擬患者數(shù)據(jù)訓(xùn)練 AI，可避免傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)型 AI 偏離生理現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。虛擬孿生以血流動(dòng)力學(xué)、電生理、組織力學(xué)規(guī)律為錨點(diǎn)，尤其適用于罕見(jiàn)病、兒童等真實(shí)數(shù)據(jù)稀缺的場(chǎng)景。

開(kāi)啟計(jì)算機(jī)模擬臨床試驗(yàn)時(shí)代

2024 年完成的 FDA 計(jì)算機(jī)模擬臨床試驗(yàn)項(xiàng)目，為醫(yī)學(xué)創(chuàng)新打開(kāi)全新天地。

傳統(tǒng)臨床試驗(yàn)可能耗時(shí)十年，90% 新藥在過(guò)程中失敗。而虛擬孿生結(jié)合 AI，可讓研究者在模擬人體環(huán)境中快速設(shè)計(jì)、測(cè)試療法。依托少量虛擬孿生樣本庫(kù)，AI 就能快速生成覆蓋各類(lèi)人群的大規(guī)模虛擬患者隊(duì)列。臨床數(shù)據(jù)持續(xù)補(bǔ)充后，模型可靠性與預(yù)測(cè)能力還會(huì)不斷提升。

虛擬人群可按年齡、性別、種族、體重、病情、并發(fā)癥、生活習(xí)慣等維度真實(shí)還原人群分布，既可以篩選最可能對(duì)治療響應(yīng)的患者以提升試驗(yàn)成功率，也可納入低響應(yīng)、高風(fēng)險(xiǎn)人群，讓監(jiān)管與醫(yī)生在不影響試驗(yàn)整體結(jié)果的前提下，評(píng)估更廣泛人群的安全風(fēng)險(xiǎn)。

這種方法大幅提升臨床研究的精度與效率，獲得以往需要多年真實(shí)世界研究才能得出的人群級(jí)結(jié)論。

當(dāng)然，當(dāng)前心臟數(shù)字孿生并非完美復(fù)刻，精度受三大因素限制：

• 測(cè)量手段（如影像分辨率、組織行為實(shí)測(cè)不確定性）；

• 生理假設(shè)；

• 真實(shí)預(yù)后數(shù)據(jù)的驗(yàn)證程度。

疤痕、微血管功能、藥物效應(yīng)等臨床難以直接采集的指標(biāo)，模型往往只能依賴(lài)人群數(shù)據(jù)或間接估算，因此部分預(yù)測(cè)可靠性極高，部分仍存在不確定性。此外，由于技術(shù)應(yīng)用時(shí)間尚短，模型對(duì)數(shù)年長(zhǎng)期預(yù)后的預(yù)測(cè)仍缺乏驗(yàn)證。

但隨著數(shù)據(jù)更豐富標(biāo)準(zhǔn)化、AI 自動(dòng)化流程、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累，這些局限會(huì)逐步縮小。

虛擬孿生將如何改變醫(yī)療？

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)一直在提升診斷能力，用更清晰的影像、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)告訴醫(yī)生患者當(dāng)下的身體狀態(tài)。

而虛擬孿生徹底改變這一范式：它為臨床提供預(yù)測(cè)工具。

目前，該技術(shù)已在心臟科、骨科、腫瘤學(xué)等領(lǐng)域落地應(yīng)用。未來(lái)，多科室醫(yī)生可圍繞同一患者專(zhuān)屬虛擬孿生體協(xié)作，預(yù)判單獨(dú)診療無(wú)法發(fā)現(xiàn)的相互作用與副作用。

更遠(yuǎn)期，可穿戴設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能持續(xù)更新患者虛擬孿生體，讓患者直觀看到飲食、壓力、作息等生活方式與治療方案對(duì)身體的直接影響，更主動(dòng)地參與健康管理；醫(yī)生也能通過(guò)完整數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展。

虛擬孿生體可以：

• 模擬你的心臟對(duì)不同鹽分?jǐn)z入、壓力、睡眠不足的反應(yīng)；

• 可視化展示即將進(jìn)行的手術(shù)如何影響你的循環(huán)或呼吸；

• 為患者揭開(kāi)人體運(yùn)行的奧秘，建立信任，引導(dǎo)主動(dòng)健康決策。

虛擬孿生當(dāng)前臨床應(yīng)用：

• 心血管外科：指導(dǎo)手術(shù)，揭示專(zhuān)家也可能忽略的細(xì)微組織響應(yīng)與血流動(dòng)力學(xué)特征；

• 腫瘤治療：模擬腫瘤生長(zhǎng)與機(jī)體對(duì)不同療法的反應(yīng)，降低治療方案選擇的不確定性；

• 骨科：個(gè)性化定制植入物，綜合局部環(huán)境與全身運(yùn)動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化長(zhǎng)期預(yù)后。

全新的醫(yī)療時(shí)代

活體心臟計(jì)劃，正在把物理學(xué)重新還給醫(yī)生。

現(xiàn)代醫(yī)生不必像藥理學(xué)家那樣精通化學(xué)，也不必像物理學(xué)家那樣精通物理，但要受益于這項(xiàng)新技術(shù)，必須轉(zhuǎn)變?cè)\療思路：

不再把人體看作互不關(guān)聯(lián)的器官集合、只關(guān)注癥狀，而是將其視為可被精準(zhǔn)理解、可被引導(dǎo)恢復(fù)健康的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；

不再靠經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)治療效果，而是通過(guò)仿真提前預(yù)知結(jié)果。

將工程原理更深度地融入醫(yī)學(xué)，我們能把醫(yī)學(xué)重新定義為一門(mén)扎根自然規(guī)律的精準(zhǔn)科學(xué)。

未來(lái)的醫(yī)生，將是真正的人體物理學(xué)家與健康工程師。