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未来科技:数字双胞胎,帮你精准治疗糖尿病与疼痛

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2019年07月19日 16:46  来源:好医友

数字双胞胎(Digital Twin),入选Gartner“影响未来的十大技术”。

所谓“数字双胞胎”,就是数字形式的“双胞胎”:一个是存在于现实世界的实体;另一个存在于虚拟世界中,是利用数字技术营造的与现实对称的镜像。

如今,数字双胞胎已应用在飞机设计、汽车制造和建筑维修等多种领域。而在医学上,人们希望在“硅二重身”中实现。近日,瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)的研究人员正在开发一种“数字双胞胎”,目的是要让疼痛患者和糖尿病患者得到最佳治疗。

人类的个体差异性非常显著,从饮食习惯到电影品味,人人都不一样。由于年龄、生活方式或基因构成不同,个体对某些疗法的反应也会有明显差异。因此,医学治疗需要非常灵活,也就是如今所倡导的“个性化医疗”。

这也正是数字双胞胎、虚拟二重身的概念发挥作用之处。虚拟二重身依靠实时提供的真实患者的生理数据。研究人员解释道:“使用硅二重身,我们能更精确地对个体患者做出反应。”这个医学化身有一天可能会彻底改变医学。

研究人员已开发出一种数字皮肤双胞胎,这个项目由诺华研究基金会和材料科学与技术能力中心资助。其目标是通过智能纤维和薄膜控制经皮给药,如止痛药和胰岛素,同时以传感器监测患者的生命体征。基于这些数据,数字双胞胎可以预测个体剂量并监测治疗成果。根据同样的原理,下一步,二重身可能被用来检查伤口的愈合过程。考虑到这一点,研究人员已设计出一种集成传感器的智能绷带。

研究团队正致力于融合两个创新研究领域来开发数字双胞胎:使用透皮绷带进行经皮非侵入性药物管理,以及使用实时模型控制和预测治疗过程。皮肤作为最大的器官,为特定大小的药物分子进入人体提供了一个作用面积大的、理想的通道。然而,传统治疗所用的膏药剂量实际上难以控制的,因为即使膏药早就被揭掉,一些活性物质仍可以从皮肤层释放进入体内。目前的系统通过测量患者血液中的药物浓度来提供反馈,但只能确定药物的剂量是过高还是过低,仍无法做到对药物实际需求剂量的精准预测。

相比之下,一个由附着在皮肤上的非侵入式传感系统提供数据的数字双胞胎,能实现药物活性的精准和个性化剂量。数字二重身的计算机模型也将患者的皮肤特征纳入考量范围。毕竟,活性物质的吸收,会因膏药所贴部位的不同或所贴对象的不同而呈现差异。比如

给晒得黝黑的运动员贴、给皮肤苍白的老太太贴,或者给皮肤柔软的新生儿贴,药物的吸收都是不一样的。

这个由智能膏药和实时监测模型组成的新系统,是向一个充满前景的全新领域迈出的关键一步。经皮药物管理的个性化数字双胞胎,让我们离人类化身更近了一步。

接下来,研究人员将为经皮治疗化身编写一个复杂的多物理场仿真皮肤模型(Multiphysical Skin Model),该模型由皮肤上的传感器提供数据。人体的生物物理双胞胎,将用于辅助传感器开发。基于覆盖人体模型的传感器提供的信息,可测算真实患者的生理值和反应,比如皮肤温度或排汗率的变化。Empa已建立了人体模型和一个互联的计算机模型系统来模拟人类的生理反应。该系统将被用于建立由大量的变量控制的、更为复杂的数字双胞胎。

“虚拟双胞胎不仅必须对变化做出快速反应,还要能安全、个性化地预测药物剂量。”研究者说。

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