为肺纤维化患者的肺部创建数字模型

为肺纤维化患者的肺部创建数字模型

作者：Agnès Vernet

编辑：Caroline Liang

今天，人工智能和机器学习已经被用来辅助医疗诊断，而使用“数字替身”，既能避免创伤性检查，又能让医生根据患者个体情况制定治疗方案。未来也许能把所有的器官模型结合到一起，进行人体系统层面的模拟，甚至为患者创建整个身体的数字孪生，实现个性化、精准化治疗。

一览：

• 科学家们正在开发新技术，根据每个患者的生物力学特性为其量身定制疗程，提升疗效。

• 为避免让患者经受太多创伤性检查，M3DISIM 正在试图对患者器官创建数字模型

• Cécile Patte正在开发一种技术，能为肺纤维化患者的肺部生成“数字替身”。肺纤维化是一种慢性肺病，也是新冠肺炎会导致的长期后遗症之一。

• 使用“数字替身”，既能避免创伤性检查，又能让医生根据患者个体情况制定治疗方案。

医疗除了开药治病，还有多种手段亟待探索。患者间除了基因组成，个体情况千差万别。在巴黎综合理工学院联盟的数据互动型数学和机械建模医疗模拟中心（M3DISIM），科研人员正在对病变的人体组织进行生物力学分析，力图为每个病人创建个性化的数字模型，辅助医生的治疗决策。

Cécile Patte指出：“人在呼吸时，肺的形态会发生改变，吸气时的容积最大可达到呼气时的两倍。”Patte 是 2020 年联合国教科文组织世界杰出女科学家成就奖得主，近日在M3DISIM 顺利通过了博士论文答辩。“肺的形态具体如何在呼吸时变化，取决于它的物理特性，比如肺组织的弹性。”Patte 开发了肺的数字建模法，帮助法国阿维森纳医院的医生们更好地了解每个特发性肺纤维化患者的个体情况。特发性肺纤维化是一种慢性疾病，是新冠肺炎会导致的长期后遗症之一。

肺纤维化，指肺部组织形成疤痕，导致组织变硬，氧气难以进入血液，二到五年内便会引发致命的呼吸衰竭。值得注意的是，每个患者的肺形状、肺孔隙度、物理特性都不尽相同。Patte 解释说：“如果只想进行一般性的判断，那就只须建立普通人的肺部模型，采用平均水平的肺部物理特性参数。但如果要针对性的治疗，就必须根据病人的实际情况创建个性化的肺数字替身。”要建模，就需要数据。

患者肺部的3D模型© Cécile Patte

01.

患者真实数据

Patte 指出：“我们倾向于使用已有数据建模，不希望仅为了建模而让患者经受更多创伤性检查，但这有难度。”所以，模型的建立用的是患者接受治疗期间常规采集的数据。不同的疾病、不同的器官对应着不同的检测方式。检查心脏，测的是血压和心电图。但检查肺部，则主要通过成像技术，比如X光和肺部扫描。“举个例子：如果能测量肺部胸膜腔压力，建模就会更准确，但检测手段的侵入性太强了。”

将患者的个人数据纳入数字替身中，能让诊断更细致，让医生充分考虑肺部物理特质的量化参数，更好地评估潜在治疗手段，更准确地判断预后。“掌握了这些信息，医生能更有效地诊断患者，决定是采取药物治疗还是肺移植。”

当前，这种个性化器官建模技术仍处于研究和概念验证阶段。距离临床应用、转化成能辅助实际治疗决策的医疗器械还有很长的路要走。实际应用相关的监管规定十分严格，而且要符合CE认证等一系列欧盟层面的要求。

至今为止，Patte 的肺建模软件只在四名患者身上使用过。“我们的软件用的是实验室的服务器集群的计算能力，但仍要三天才能处理完一个患者的数据。”处理时间必须缩短，才能满足临床应用的需求。

02.

数字孪生

除肺部外，M3DISIM 还在对其他的器官进行建模。目前开展较多的是心脏建模工作，已开发出多种临床应用，并与多家医院合作。心脏建模研究的最终目标是准确地通过模型反映心脏的尺寸、心肌收缩力、心电生理学特质等。医生可以用个性化的心脏虚拟模型测试某种治疗手段能否有效，特别是心脏衰竭的治疗手段，预测患者接受治疗后能否好转。

M3DISIM 还开发了一款叫做 AnaestAssist 的软件工具，可用于实时监测麻醉期间患者的心血管系统状况。该软件建立的是患者的心血管生理结构模型，可预测麻药在患者身上的效果，在手术期间对医生起到辅助作用。世界各地一些其他实验室也在开展人体建模，包括：血液流动模型、骨骼模型、肾脏模型等。Patte 认为所有的器官都能通过建模的方法研究。

未来也许能把所有的器官模型结合到一起，进行人体系统层面的模拟，甚至为患者创建整个身体的数字孪生，实现个性化、精准化治疗。这一理念甚至在工业界都引发了兴趣。例如，法国的达索系统等公司投资开发了一个叫做3DEXPERIENCE 的平台，帮助医疗设备厂家通过数字模拟，优化产品设计。

由 Agnès Vernet 采访

Cécile Patte

法国国家信息与自动化研究所（INRIA）生物力学工程师、2020年联合国教科文组织世界杰出女科学家成就奖得主

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