Как заглянуть в будущее, предотвратить развитие заболеваний до их проявления и получить индивидуальную консультацию врача, не выходя из дома? Миссия выполнима: достаточно отправить «на осмотр» к врачу цифровой двойник пациента. Этот сюжет, достойный хорошего фантастического романа, воплощается в реальность уже сейчас.
Виртуальные клоны: от машины до пациента
Цифровой двойник (или цифровой близнец) — технология, пришедшая в медицину из промышленности и инженерии. В общем смысле это виртуальная копия какого-либо объекта или процесса, обладающая теми же особенностями поведения и чертами, что и ее оригинал в реальном мире. Действуют компьютерные близнецы на основе искусственного интеллекта (ИИ), анализа данных и умных сенсорных технологий.
Важнейшее предназначение цифровых двойников — возможность изучать их вместо материальных объектов, которые они копируют. Облегчается процесс прогнозирования и проведения испытаний: эксперименты переносятся из реального мира в виртуальный и ставятся на компьютерных клонах. Это помогает экономить время и ресурсы. Например, создав цифровую модель промышленной техники, можно не только выработать наиболее продуктивный план ее использования, но и предугадать поломку устройства, предотвратив ее.
Цифровые двойники позволяют дистанционно изучать организм пациента и прогнозировать развитие заболеваний
В медицине виртуальные клоны особенно важны. Врачи имеют дело даже не с машинами, собранными по единой схеме, а с уникальными живыми организмами. Терапия, которая была эффективной при лечении сотни пациентов, внезапно окажется провальной при попытке прописать ее сто первому больному из-за его индивидуальной реакции на препарат. На подбор наилучшего метода лечения человека врачи могут порой затратить много ресурсов и времени. При этом здоровье пациента, так и не получившего подходящую терапию, продолжит ухудшаться. Возможность предварительно протестировать лечение на цифровом близнеце человека и увидеть, как тот отреагирует на лекарства или операцию, — настоящий подарок и для медиков, и для больных.
Позволяют цифровые двойники заглянуть и в грядущее организма: предсказать развитие заболеваний и обратить внимание на слабые места пациента. Здесь значимую роль играет ИИ, который на основе данных о человеке может сделать прогноз состояния его здоровья в будущем.
Цифровые близнецы — комплексный проект. Над их «рождением» работают не только врачи и клиницисты, но и математики, программисты и технологи.
От онкологии до гипертонии
Пока в медицине активно развиваются цифровые двойники не всего организма, а отдельных органов пациента. Весомый вклад в эту область вносят российские ученые из различных организаций.
Так, к апрелю 2023 г. эксперты университета «Сириус» создали цифровые копии сердечно-сосудистой системы для лечения артериальной гипертонии. Изобретение очень актуально, так как для снижения давления врачи вынуждены подбирать лекарства для пациентов из крайне обширного перечня. Виртуальный клон больного учитывает его персональные данные (возраст, пол, массу тела и др.) и предсказывает действие препаратов на сердце, стенки сосудов и иные органы и ткани человека, показывая, какие лекарства и в каких дозах произведут на организм наилучший эффект. Программа также дает рекомендации, какие исследования нужно провести, чтобы терапия оказалась максимально действенной. В алгоритм планируется добавить данные о генетической предрасположенности к гипертонии, чтобы врачи могли предсказать болезнь и момент ее наступления, заблаговременно выработав план терапии. Работают ученые и над созданием цифровых двойников для лечения эпилепсии.
Цифровые двойники сердечно-сосудистой системы помогают предсказывать действие на организм лекарств и изменение давления
Не отстают и специалисты Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, представившие в мае 2023 г. трехмерный цифровой двойник сердечно-сосудистой системы человека. Как и разработка «Сириуса», эта программа помогает предсказывать изменение давления пациента, но при этом она более полно рассматривает процессы, протекающие в организме.
«Она учитывает сложные физиологические взаимосвязи, регулирующие уровень артериального давления, в зависимости от состояния сердца, сосудов, почек и других органов. <…> Она показывает, что случится с уровнем давления при возникновении того или иного изменения в состоянии организма», — передает ТАСС сообщение пресс-службы университета.
Программа позволяет прогнозировать состояние сердечно-сосудистой системы с учетом действия лекарств и особенностей работы сердца при различных болезнях.
Цифровые двойники почек позволят врачам более эффективно бороться с раком этих органов
Чуть раньше, к марту 2023 г., эксперты Сеченовского университета также разработали трехмерные цифровые двойники почек, которые помогут эффективнее бороться с раком этих органов. Опираясь на данные мультиспиральной компьютерной томографии, программа сама создает объемную виртуальную модель почки пациента. Ранее эта задача возлагалась на живых специалистов.
Теперь же врачу достаточно изучить сгенерированное алгоритмом изображение, продумать, какую операцию необходимо провести больному, и при желании предварительно отработать хирургическое вмешательство в виртуальной реальности.
«Благодаря компьютерному планированию появляется возможность в рамках одного исследования иметь достоверную прижизненную информацию о топографии области планируемого оперативного вмешательства, что в свою очередь позволяет в деталях выполнить виртуальную операцию», — рассказал старший научный сотрудник Института урологии и репродуктивного здоровья человека Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, врач-уролог Евгений Сергеевич Сирота.
Работу над цифровыми двойниками для раннего выявления и прогнозирования развития кардиологических и онкологических заболеваний ведет структурное подразделение Сеченовского университета — Научный центр мирового уровня (НЦМУ) «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение». В 2021 г. его председатель член-корреспондент РАН Андрей Алексеевич Свистунов сообщил о создании диагностических программ на основе ИИ и виртуального биобанка для цифровых двойников, а также о разработке биостатистической платформы для доклинических кардиологических и онкологических изысканий.
«Разработанные цифровые двойники заболеваний затем будут внедрены в клиническую практику и за счет точного индивидуального подбора терапии и лекарств существенно повысят эффективность борьбы с этими тяжелыми заболеваниями. В будущем это спасет тысячи жизней», — отметила в ходе IV Лидер-Форума в Москве директор Института персонализированной онкологии НЦМУ Марина Игоревна Секачева.
От частного к общему
В августе 2023 г. научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) академик Александр Михайлович Сергеев сообщил ТАСС о планах по созданию в России цифрового двойника человека полного жизненного цикла. Как рассказал ученый, по будущему виртуальному клону врачи смогут предсказывать развитие болезней в организме живого пациента и получать от программы рекомендации по лечению. С точки зрения специалиста, при условии своевременного развития компьютерных технологий такие цифровые двойники появятся в стране всего через десять лет.
«Мы уже сможем увидеть цифровой двойник человека, который будет давать нам полезные результаты, который будет советовать, какие меры принимать в условиях определенных воздействий, чтобы биологические часы всех наших органов шли синхронно», — сообщил академик.
Планируется, что, помимо работы с болезнями, новый цифровой двойник поможет наблюдать за переменами в организме под влиянием различных факторов. Например, система сможет показать, как отреагирует человек на возросший стресс или ухудшение экологической обстановки и как изменится его здоровье с возрастом.
Чтобы добиться успеха в проектировании цифровых двойников, НЦФМ развивает сложные вычислительные технологии. Так, в центре запланировано создание фотонной вычислительной машины с производительностью на несколько порядков больше, чем у самых мощных современных компьютеров.
А.М. Сергеев подчеркнул, что полный цифровой близнец человека появится не сразу: его соберут из ранее созданных виртуальных двойников отдельных органов. С учетом того, какая огромная работа ведется в этом направлении уже сейчас, можно смело прогнозировать, что запланированная программа с большой вероятностью достигнет успеха. Остается пожелать отечественным экспертам реализации задуманного и с надеждой наблюдать за стремительным становлением в России медицины будущего — мудрой, продуманной и высокотехнологичной.
Источники
ТАСС. Ученые сообщили, что к 2035 г. в России может появиться цифровой двойник человека
Университет «Сириус». Биоинформатики Университета «Сириус» создают цифровой двойник пациента
ТАСС. В Сеченовском университете разработали «цифровой двойник» сердца
Сеченовский университет. Президиум РАН обсудил возможности цифровых двойников
Сеченовский университет. Разработанный учеными Сеченовского университета «цифровой двойник» рака почки готовится к масштабированию в регионы
«Российская газета». Елена Манукиян. Врачи смогут лечить людей с помощью цифровых двойников
Сеченовский университет. Марина Секачева рассказала о создании «цифровых двойников» заболеваний на IV Лидер-Форуме в Москве
Источник изображения на главной странице: julos / фотобанк Freepik
Источник изображения на превью: kjpargeter / фотобанк Freepik
Изображения в тексте: DCStudio / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, julos / фотобанк Freepik