通過創(chuàng)建循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，Amanda Randles希望為醫(yī)療預(yù)測帶來前所未有的精準(zhǔn)度。
Amanda Randles希望復(fù)制你的身體。這位計算機(jī)科學(xué)家希望擁有足夠的數(shù)據(jù)和處理能力，能夠在她的電腦上有效地克隆你，快進(jìn)時間，看看你的冠狀動脈或紅細(xì)胞在一周內(nèi)會發(fā)生什么。盡管完全個性化的醫(yī)學(xué)模擬(即“數(shù)字孿生”)目前還超出我們的能力范圍，但Randles已經(jīng)在長期血流計算模型方面取得了突破，這些模型已經(jīng)在幫助醫(yī)生非侵入性地診斷和治療疾病。
在1990年代的密歇根州，作為一名青少年，Randles已經(jīng)設(shè)想了一種結(jié)合編碼和生物學(xué)的職業(yè)。她畢業(yè)于杜克大學(xué)，獲得了物理學(xué)和計算機(jī)科學(xué)學(xué)位，在IBM工作了三年，期間她接觸到了Blue Gene超級計算機(jī)。之后，她在哈佛大學(xué)獲得了應(yīng)用物理學(xué)博士學(xué)位。在那里，她建立了一個名為Harvey的血液循環(huán)模型，后來將其搬到了杜克大學(xué)的數(shù)字孿生實驗室。2023年4月，她因其開創(chuàng)性的研究獲得了計算機(jī)協(xié)會計算獎和25萬美元的獎金。
她的最新系統(tǒng)可以獲取患者血管的3D圖像，然后模擬并預(yù)測血液的流體動力學(xué)變化。使用該系統(tǒng)的醫(yī)生不僅可以測量脈搏和血壓等常規(guī)數(shù)據(jù)，還可以觀察血管內(nèi)的血液行為。這使得他們能夠觀察到血流中的漩渦和血管壁所承受的壓力——這兩者都與心臟病有關(guān)。十年前，Randles的團(tuán)隊只能模擬大約30個心跳的血流，但現(xiàn)在他們可以預(yù)測超過70萬次心跳(大約一周的時間)。由于他們的模型是交互式的，醫(yī)生還可以預(yù)測如果他們采取如開藥或植入支架等措施會發(fā)生什么。
Quanta雜志與Randles就過多數(shù)據(jù)的利弊、圖形如何幫助橋接生物學(xué)和計算以及機(jī)器學(xué)習(xí)的潛在影響進(jìn)行了對話。以下是經(jīng)過整理和編輯的采訪內(nèi)容。
你何時首次想到計算可以幫助醫(yī)生治療患者？
我上高中時就讀于一個數(shù)學(xué)和科學(xué)中心。我們在學(xué)習(xí)生物學(xué)和科學(xué)的同時也在學(xué)習(xí)計算機(jī)編程，所以兩者有很多交叉點。然后我在大學(xué)二年級時在一個遺傳學(xué)實驗室工作，那里使用了大量計算技術(shù)來進(jìn)行患者特定的基因組分析和其他細(xì)胞技術(shù)。
那時候你對超級計算機(jī)感興趣了嗎？
我甚至不知道怎么說——當(dāng)我加入IBM時，我不知道什么是超級計算機(jī)。我只知道他們在用計算機(jī)進(jìn)行生物研究。我不太理解超級計算機(jī)的意義。我原本在德州面試一個操作系統(tǒng)的職位，后來他們打電話說，“我們在明尼蘇達(dá)有一個IBM Blue Gene超級計算機(jī)團(tuán)隊的空缺?！蔽液苄疫\能加入那個團(tuán)隊。
你是何時意識到循環(huán)模型可以工作的？
我們的2010年論文是首次捕捉整個冠狀動脈樹的——即你所有的冠狀動脈——在一個心跳期間的細(xì)胞分辨率。這篇論文使用了Harvey的前身MUPHY。看到一個二維或三維的模擬圖像有正確的幾何結(jié)構(gòu)真的很有成就感。
當(dāng)我們需要做一些改變時，我們轉(zhuǎn)向我自己從頭開始編寫的模型。第一次看到Harvey中的動脈和血流時，我記得對實驗室的某人說，“我有一張圖！”
為什么這張圖很重要？
我有一個共同導(dǎo)師，Hanspeter Pfister，他是圖形專家。我們引入了他團(tuán)隊的一些人在迪士尼和皮克斯等地實習(xí)的人才。我們從他們已經(jīng)在為這些計算機(jī)優(yōu)化圖形的方法中汲取了很多經(jīng)驗：我們創(chuàng)建的動脈3D網(wǎng)格文件與他們?yōu)閯赢嫿巧谱鞯姆浅Ｏ嗨啤Ｒ苿咏巧氖直鄄⒆冃文莻€網(wǎng)格的方式與我們放入虛擬支架的方式相同。
這些預(yù)測不僅僅是你想得到的一個數(shù)字。有一個叫“壁剪應(yīng)力”的量，它只是對壁的摩擦力。我們已經(jīng)證明，當(dāng)醫(yī)生能夠在動脈的不同部分可視化壁剪應(yīng)力時，他們可能會改變所選擇的支架長度。這確實影響了他們的決定。
我們還表明，在邊界情況下，渦流與長期的不良效果有關(guān)。所以醫(yī)生可以看到哪里有高渦流。這可以幫助醫(yī)生決定需要什么類型的干預(yù)，比如支架或藥物。
Harvey還有哪些不同之處？
我們想要一個可以測試不同物理模型的代碼，能夠擴(kuò)展到模擬全身血流，捕捉復(fù)雜的細(xì)胞行為，并能很好地與虛擬現(xiàn)實接口集成以進(jìn)行虛擬手術(shù)。MUPHY并沒有研究全身的血流。我們試圖將其拓展。
此外，MUPHY是由意大利人編寫的。許多注釋是意大利文的，我看不懂(笑)。
你如何知道這些預(yù)測實際上是準(zhǔn)確的？
在一項160名患者的研究中，我們表明Harvey可以準(zhǔn)確匹配患者的測量值。標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理是將導(dǎo)絲直接插入動脈以在任何狹窄前后測量壓力——這兩個數(shù)字的比值稱為“分?jǐn)?shù)流儲備”。我們用模擬來非侵入性地計算相同的東西。
但這種對視覺的需求使得計算更加困難，對嗎？
是的，現(xiàn)在我們面臨的一個大難題是數(shù)據(jù)量。數(shù)據(jù)量很大。我們正在運行的模擬有多達(dá)5.8億個紅細(xì)胞。有與流體和紅細(xì)胞的相互作用，細(xì)胞之間的相互作用，細(xì)胞與壁的相互作用——你試圖捕捉這一切。對于每個模型，一個時間點可能是半個TB，而每個心跳有數(shù)百萬個時間步。這真的很計算密集。
你的團(tuán)隊試圖使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具來減少計算需求。效果如何？
我們最近有一篇論文介紹了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要大約10分鐘來訓(xùn)練每個患者的新模型。然后你可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測，例如，如果你改變動脈狹窄的程度(即動脈狹窄的程度)，總體血壓會變成什么樣？目前FDA批準(zhǔn)的工具需要大約24小時為那個患者訓(xùn)練。在這里，你可以在患者還在診所時實時互動。
這種巨大飛躍的背后是什么？
這是機(jī)器學(xué)習(xí)與較小物理模型的結(jié)合。我們計算出每個患者的訓(xùn)練需要模擬多少種外科治療選項才能提供實時預(yù)測。我們使用一維模型，而不是依賴三維模型進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練。它只是沿著血管的中心線計算——這捕捉了三維結(jié)構(gòu)但不是流動的完整x、y、z坐標(biāo)。這是較小的數(shù)據(jù)，因此訓(xùn)練速度更快。而且你可以使用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，使其運行速度更快。
這種改進(jìn)肯定有代價。使用機(jī)器學(xué)習(xí)會失去什么？
我們總是希望事情是可解釋的，特別是當(dāng)它進(jìn)入臨床時。我們希望確保醫(yī)生知道他們?yōu)槭裁醋龀鰶Q定，并能解釋哪些因素影響了那個預(yù)測。當(dāng)它變成黑箱時，你會失去一些這種解釋性。現(xiàn)在，我們的很多工作都是試圖理解不確定性。傳感器需要多精確才能導(dǎo)致血流模擬的變化？
此外，你還需要注意潛在的偏見，特別是對于可穿戴傳感器。很多數(shù)據(jù)可能來自更富裕的地區(qū)。如果你只訓(xùn)練Apple Watch的數(shù)據(jù)，你是否得到了正確的人口組合？擁有不同年齡、不同性別、不同活動水平和不同合并癥的大量人群數(shù)據(jù)將是很好的。
擁有這些數(shù)據(jù)你能做什么？
擁有3D模型的最新醫(yī)學(xué)圖像和連續(xù)、動態(tài)、高分辨率的傳感器數(shù)據(jù)，我們可以弄清楚，例如：如果你在65歲時心臟病發(fā)作，那么在63歲時發(fā)生了什么？我們是否可以更積極地識別血流中的某些細(xì)微差別？
幾何結(jié)構(gòu)在不同人之間真的很不同。你需要大量的數(shù)據(jù)才能弄清楚血流中的小差異是什么以及為什么它重要。
這種健康模擬的極限是什么？
我不認(rèn)為有必要的極限——只是很多挑戰(zhàn)。有很多我們可以結(jié)合的東西，比如神經(jīng)系統(tǒng)和淋巴系統(tǒng)。我們希望整合來自許多不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，但讓它們在反饋回路中相互通信非常復(fù)雜。我認(rèn)為我們會達(dá)到那個目標(biāo)。這只是關(guān)于一個系統(tǒng)一個系統(tǒng)地添加。
本文譯自 Quanta Magazine，由 BALI 編輯發(fā)布。
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