今年三月，中國國家主席習近平宣佈“數字孿生”技術是其國家將在其中引領世界並超越美國的六大“新質生產力”之一。在這場地緣政治的較量中，這種模擬技術——已廣泛應用於製造業——正進入醫學領域。它有望加速長期以來構想的個性化醫療時代的到來，即使用針對每位患者定製的干預措施來維持或恢復健康。
數字孿生的核心是一個計算機模擬，它捕捉了某個物理事物的所有相關機制和特徵，無論是城市還是飛機。以新加坡為例，它擁有其基礎設施的數字孿生。或者五角大樓，它將為其新型B-21轟炸機使用數字孿生。物理孿生持續或頻繁地傳送執行資料，通常使用物聯網，以更新數字孿生，使其忠實地反映其物理孿生的當前狀態，例如，準確反映城市道路或特定B-21發動機機械部件的磨損情況。反過來，使用數字孿生進行的模擬研究可以為我們如何處理其實際孿生提供資訊。
那麼醫學呢？計算機模擬可以幫助我們瞭解體內生物化學過程以及不同物質的行為及其對我們健康的影響。基於此類計算機模擬的您或我，甚至是我們身體某些部分的數字孿生，可以幫助藥物開發人員設計、測試和監測，並幫助醫生應用針對我們的基因或生物化學特性而定製的最安全、最有效的治療方法或療法。
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醫學數字孿生已經有一些成功案例，例如FDA批准的人工胰腺，它在很大程度上自動化了為1型糖尿病患者定期注射胰島素的管理。在這種數字孿生技術的應用中，患者皮膚下的監測器每隔幾分鐘測量一次血糖水平，並將資料無線傳輸到手持智慧裝置上的數字孿生。數字孿生核心的數學模型是針對特定患者進行校準的，以模擬他們獨特的葡萄糖代謝。利用所有這些資訊，控制演算法確定患者需要多少胰島素，並指示連線的胰島素泵將正確的量直接注入患者體內。透過這種方式，數字孿生執行了正常胰腺本應具有的葡萄糖調節功能。我在三月份自然-計算科學報告中與人合著的其他例子包括用於治療心律失常的數字孿生和用於乳腺癌患者的治療最佳化。
現在是開發這項技術的時機，這要歸功於三個發展。首先，我們現在對身體在健康和疾病中的功能有了更深入的瞭解。這使我們能夠建立精確的人體生物學計算機模擬，範圍從細胞水平到全身尺度。其次，人工智慧和機器學習演算法可以持續收集和分析來自個人以及整個人群的資料，從而不斷更新患者護理的個性化。第三，公眾已經接受了個性化醫療，認為它是有益的並且觸手可及。同樣，醫療保健行業越來越依賴資料驅動的方法，將人工智慧應用於患者資料分析、疾病風險計算和醫療決策。
我們必須做更多的工作，將醫學數字孿生技術從零星的例子擴充套件到一個穩定、成熟、蓬勃發展的行業，堪比今天的工業數字孿生。首先，正如NASA在美國開展了工業數字孿生的早期研發一樣，公共機構和私人來源需要聯合發起一項主要的資助計劃，以支援醫學數字孿生研究，以承擔大量的研發啟動成本。重要的是，這些公私合作伙伴關係的建立方式要確保成本和收益得到公平分擔。歐盟委員會正在資助全面的路線圖倡議醫療保健生態系統數字孿生，這是一個行業和學術界之間的大規模跨學科合作，旨在將這項技術應用於癌症和其他疾病的患者護理。國家科學、工程和醫學院最近釋出的報告數字孿生的基礎研究差距和未來方向引起了人們對美國採取此類行動的廣泛關注，並強調了其在生物醫學領域的深遠潛力。
其次，我們需要一個支援性資料生態系統的全面框架，堪比歐洲健康資料空間。這項歐洲努力將提供一個特定於健康的生態系統，包括規則、通用標準和實踐、基礎設施和治理框架，使個人能夠控制其個人健康資料，同時為該資訊的部署提供一致、可信和高效的設定，用於研究、創新和政策制定。醫學數字孿生技術引發了額外的隱私擔憂，這些擔憂需要透過立法和監管來解決，因為它們旨在功能性地整合範圍廣泛的資料，這些資料可以捕捉有關一個人的生物學及其生活方式的資訊，從而可能預測健康需求、壽命和其他具有巨大潛力被濫用的特徵。我們需要回答關於誰擁有和控制從人們那裡收集的用於動態更新其數字孿生體的資料的問題。誰將擁有我們的數字孿生體？我們需要將這場辯論中的所有利益相關者聚集在一起，現在就回答這些問題。
最後一個也是更具挑戰性的要求是為這項技術的廣泛實施提供資金。作為一個國家，我們需要能夠承擔巨大的成本。醫學數字孿生可以成為實現此目的的強大使能技術，透過將其用作預測醫學的工具。畢竟，數字孿生在工業領域最重要的用途之一是用於預測性維護，它可以大大降低成本和風險。在醫療保健領域也可以預期會產生類似的效果。
醫學數字孿生即將到來，即使我們正處於這個革命性新時代的黎明。我們應該回顧航空史，在不到一個世紀的時間裡，我們從基蒂霍克首次飛行發展到乘坐夢想客機跨越大西洋，舒適地品嚐香檳。但在萊特兄弟首次飛行僅僅十年後，飛機設計就已經發展得如此迅速，以至於第一次世界大戰中的每個主要強國都部署了空軍。我們現在正處於這樣一個充滿機遇和競爭的時刻。醫學數字孿生可能尚未達到現代航空的水平；但就其目前的開發狀態而言，它們已經為治療和預防醫學提供了重要的回報。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。