2019 年 5 月的一個早晨，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)備為一名兒童實施高風(fēng)險心臟重建手術(shù)。這位醫(yī)生經(jīng)驗豐富，但這次他擁有一項前所未有的優(yōu)勢：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最佳預(yù)后。

這一切如何實現(xiàn)？

在術(shù)前數(shù)周，醫(yī)院的外科與心臟工程團(tuán)隊就已根據(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，再通過物理算法讓這顆數(shù)字心臟 “活” 起來，復(fù)刻出患者獨有的生理動態(tài)特征 —— 包括獨特的血流模式、壓力差與肌肉組織應(yīng)力。

這種模型被稱為虛擬孿生體（Virtual Twin）。它不僅能識別病癥，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)隊用模型預(yù)測患兒心臟對每一刀、每一針的反應(yīng)，讓醫(yī)生提前測試多種方案，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)致血液在四個心腔間異常流動，沒有任何手術(shù)手冊能完全指導(dǎo)治療。這種病變會加重肺部負(fù)荷，醫(yī)生計劃實施開胸手術(shù)，將下半身的脫氧血直接繞經(jīng)心臟導(dǎo)入肺部。

這類手術(shù)通常需要醫(yī)生在高壓、高不確定性的現(xiàn)場臨時決策，但這一次，手術(shù)方案已被提前反復(fù)驗證，整個團(tuán)隊在正式手術(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，已有近 2000 臺手術(shù)借助虛擬孿生建模完成。這正是“活體心臟計劃”（Living Heart Project）的技術(shù)力量 —— 該項目由作者在 2014 年發(fā)起，比首例臨床應(yīng)用早五年。項目最初只是探索人體心臟建模的可行性，如今已匯聚 28 個國家、150 余家成員機(jī)構(gòu)，數(shù)十支跨學(xué)科團(tuán)隊常態(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)隊首先攻克了一個核心難題：打造足夠精準(zhǔn)、足夠可信，足以指導(dǎo)真實臨床決策的數(shù)字心臟。

一位父親的擔(dān)憂

活體心臟計劃即將步入第二個十年，其誕生部分源于一段個人執(zhí)念。

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

作為工程師，作者深知心臟本質(zhì)是一組受電信號控制、由瓣膜精密調(diào)控血流的泵血腔室。但他始終無法透徹理解女兒那顆獨一無二的心臟結(jié)構(gòu)與運作方式，難以真正參與到她的治療中。專科醫(yī)生清楚這類患兒不接受治療的兇險預(yù)后，但由于每個患者的解剖結(jié)構(gòu)都獨一無二，他們的診療決策大多只能依靠經(jīng)驗判斷。換一位專家，就可能換一種猜測。

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

作者畢生都在開發(fā)強(qiáng)大的計算工具，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整機(jī)。這些模型的共同點，是依靠物理規(guī)律預(yù)測行為、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)診療仍依賴靜態(tài)二維影像、統(tǒng)計指南與回顧性研究得出的經(jīng)驗判斷。

歷史上并非如此?！搬t(yī)生（physician）” 一詞本就源自拉丁語 “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)知識被逐漸淡忘。但對作者女兒、波士頓那名患兒以及數(shù)百萬類似患者而言，治療效果本質(zhì)由力學(xué)規(guī)律決定。任何藥物、藥膏這類化學(xué)方案都無濟(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

活體心臟計劃的初衷很簡單：

能否匯聚數(shù)百位各領(lǐng)域?qū)＜覍θ祟愋呐K的認(rèn)知，打造一個足夠精準(zhǔn)、可個性化定制、具備預(yù)測能力，足以指導(dǎo)臨床治療的數(shù)字孿生體？

項目邀請了研究者、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，目標(biāo)是共同推動整個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)步。計劃啟動時僅有十幾家機(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，真實模擬心臟跳動的全過程。

學(xué)界早已開展心臟計算模型研究，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)級仿真軟件構(gòu)建 —— 該公司以航空航天與汽車工程建模工具聞名。這一平臺讓團(tuán)隊能夠直接根據(jù)患者的核磁、CT、血壓、超聲心動圖數(shù)據(jù)，定制專屬心臟模型，實現(xiàn)影像與仿真的無縫對接。

隨后，外科醫(yī)生開始用它模擬手術(shù)，器械廠商用它設(shè)計測試植入物，藥企用它評估藥物毒性。項目產(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)界對心臟的理解呈滾雪球式增長。

項目早期就攻克了一項關(guān)鍵落地障礙：監(jiān)管認(rèn)可。啟動首年，美國 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)評估方法逐步成型。2019 年，團(tuán)隊與 FDA 器械與放射健康中心正式達(dá)成第二個五年合作，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。

這不僅讓團(tuán)隊掌握了虛擬人群構(gòu)建方法，也讓 FDA 得以試驗用計算機(jī)模擬臨床證據(jù)替代真實患者數(shù)據(jù)。2024 年 8 月，研究成果發(fā)布，F(xiàn)DA 據(jù)此出臺全球首項計算機(jī)模擬臨床試驗指南，為簡化臨床流程、降低試驗風(fēng)險確立全新范式。

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

而心臟建模只是開始。遵循心臟團(tuán)隊的成功模板，項目已擴(kuò)展至肺、肝、腦、眼、腸道等其他器官，每個器官對應(yīng)不同醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，擁有獨立研究社群、數(shù)據(jù)類型與臨床應(yīng)用場景。最終目標(biāo)是打造一個多尺度、模塊化的虛擬人體平臺，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)，為各部分賦予專屬物理特性；

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

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

• 加入血流動力學(xué)計算模型，模擬血流與壓力物理規(guī)律，設(shè)置與真實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)測血流模式、壓力差與組織應(yīng)力；

• 最后用患者實測數(shù)據(jù)（心腔容積變化、血壓、電信號時序等）進(jìn)行個性化校準(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運作方式。

生成式 AI 打造大規(guī)模虛擬人群

2019 年 FDA 啟動計算機(jī)模擬臨床試驗項目后，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人群的大規(guī)模虛擬隊列。

這一規(guī)?；繕?biāo)如今得以實現(xiàn)，正是因為虛擬孿生與生成式 AI 實現(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)對標(biāo)，收斂至最精準(zhǔn)的復(fù)刻方案。過去需要數(shù)月手動調(diào)整的流程，如今數(shù)天即可完成，讓臨床級大規(guī)模虛擬人群與實時個性化孿生體成為現(xiàn)實；

• 讓 AI 仿真扎根物理規(guī)律：用經(jīng)過驗證的虛擬患者數(shù)據(jù)訓(xùn)練 AI，可避免傳統(tǒng)統(tǒng)計型 AI 偏離生理現(xiàn)實的問題。虛擬孿生以血流動力學(xué)、電生理、組織力學(xué)規(guī)律為錨點，尤其適用于罕見病、兒童等真實數(shù)據(jù)稀缺的場景。

開啟計算機(jī)模擬臨床試驗時代

2024 年完成的 FDA 計算機(jī)模擬臨床試驗項目，為醫(yī)學(xué)創(chuàng)新打開全新天地。

傳統(tǒng)臨床試驗可能耗時十年，90% 新藥在過程中失敗。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、測試療法。依托少量虛擬孿生樣本庫，AI 就能快速生成覆蓋各類人群的大規(guī)模虛擬患者隊列。臨床數(shù)據(jù)持續(xù)補(bǔ)充后，模型可靠性與預(yù)測能力還會不斷提升。

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

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世界研究才能得出的人群級結(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：

• 測量手段（如影像分辨率、組織行為實測不確定性）；

• 生理假設(shè)；

• 真實預(yù)后數(shù)據(jù)的驗證程度。

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)，模型往往只能依賴人群數(shù)據(jù)或間接估算，因此部分預(yù)測可靠性極高，部分仍存在不確定性。此外，由于技術(shù)應(yīng)用時間尚短，模型對數(shù)年長期預(yù)后的預(yù)測仍缺乏驗證。

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

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，多科室醫(yī)生可圍繞同一患者專屬虛擬孿生體協(xié)作，預(yù)判單獨診療無法發(fā)現(xiàn)的相互作用與副作用。

更遠(yuǎn)期，可穿戴設(shè)備的實時數(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身體的直接影響，更主動地參與健康管理；醫(yī)生也能通過完整數(shù)據(jù)流實時監(jiān)測病情進(jìn)展。

虛擬孿生體可以：

• 模擬你的心臟對不同鹽分?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；

• 為患者揭開人體運行的奧秘，建立信任，引導(dǎo)主動健康決策。

虛擬孿生當(dāng)前臨床應(yīng)用：

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

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

• 骨科：個性化定制植入物，綜合局部環(huán)境與全身運動力學(xué)，優(yōu)化長期預(yù)后。

全新的醫(yī)療時代

活體心臟計劃，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，但要受益于這項新技術(shù)，必須轉(zhuǎn)變診療思路：

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)健康的動態(tài)系統(tǒng)；

不再靠經(jīng)驗猜測治療效果，而是通過仿真提前預(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)重新定義為一門扎根自然規(guī)律的精準(zhǔn)科學(xué)。

未來的醫(yī)生，將是真正的人體物理學(xué)家與健康工程師。