Cosa sono i gemelli digitali e perché potrebbero essere il futuro della medicina

Immaginiamolo per un momento Il nostro medico di base ha una copia digitale per ognuno di noi memorizzata sul suo computer. Questo gemello digitale funge da volontario che è sempre lì per noi: Prima di qualsiasi incidente o malattia, gli esperti testano prima il trattamento su di esso. Questo clone può respirare e camminare, ma anche rompersi una gamba o sviluppare malattie cardiovascolari.

Anche se sembra fantascienza, I ricercatori di tutto il mondo stanno già lavorando a questa tecnologia Sono molti gli esempi che sono stati realizzati negli ultimi anni grazie a intelligenza artificiale E per supercomputer che elaborano milioni di dati in pochi secondi.

Come per esempio Ospedale universitario di Heidelberg, Dove in Germania Replica in piedi del cuore di un vero paziente che sembra e batte esattamente come l’originale, Ma soprattutto, da cellula a cellula e da muscolo a muscolo, è identico alla realtà. È fondamentalmente un gemello nel cuore, ma il problema è che vive e “respira” solo attraverso lo schermo.

O il progetto che ha incontrato come suo Dr. Steve Levine quando sua figlia è nata con una condizione cardiaca congenita e ha deciso di ricreare il suo cuore nella realtà virtuale. Una tecnologia che ora sta cercando di aiutare i bambini con malattie cardiache rare e difficili da curare. Levine ha creato il progetto Living Heart di Dassault, che Riuscì a creare un accurato modello virtuale del cuore umano Questi possono essere testati e analizzati, consentendo ai chirurghi di rappresentare una serie di scenari what-if per l’organo, utilizzando varie procedure e dispositivi medici.

Questi gemelli digitali sono modelli computazionali altamente dettagliati che simulano le proprietà e il comportamento del loro equivalente fisico e possono essere applicati in una varietà di domini e situazioni. I digital twin (o gemelli digitali) sono uno dei trend tecnologici più sorprendenti degli ultimi anni Dal momento che promettono di avere un’ampia varietà di applicazioni.

grazie per Internet delle cose (IoT), Queste copie sono associate al mondo fisico e forniscono informazioni su di esso in tempo reale. Esistono infatti già grandi aziende come il Digital Twin Consortium negli Stati Uniti, che applicano questa tecnologia in vari campi come l’aerospazio, la difesa, le risorse naturali, l’edilizia, le città intelligenti, la manifattura o la produzione di processo e la sanità.

L’esempio più recente è quello di Barcellona, ​​tra le mura di una cappella del XIX secolo, dove il cuore virtuale, con 100 milioni di pezzi di cellule simulate, è un gemello digitale perfettamente funzionante dell’anatomia umana, che pompa a ritmo rilassato ritmo mentre si provano vari trattamenti, dai farmaci agli impianti. . Un gemello digitale non è un avatar nel metaverso, né è un clone genetico. Un gemello digitale è una rappresentazione al computer della realtà e del suo contesto. In questo modo puoi simulare la tua reazione e prendere decisioni.

Questo gemello digitale pulsa ad esempio all’interno MareNostrumE Supercomputer Gli scienziati lo usano per simulare le caratteristiche del mondo reale nei minimi dettagli, da come si muove il tuo cuore agli atomi carichi che entrano ed escono dalle cellule. Le sue prestazioni digitali stanno iniziando ad aiutare i medici a prevedere come il cuore di un vero paziente risponderà a un determinato trattamento. Gli esperti coinvolti in questi progetti ritengono che la medicina attuale sia in ritardo e che questo sforzo globale per creare cellule, tessuti e organi virtuali sia qualcosa di rivoluzionario nella medicina moderna.

Oggi i medici cercano di scoprire il miglior trattamento per i loro pazienti valutando esperienze cliniche passate in persone che sono in qualche modo simili ai loro attuali pazienti, in circostanze simili ma non identiche. Tuttavia, i medici possono già utilizzare i gemelli digitali, che vedono lo scambio di dati e conoscenze tra un essere umano reale e uno virtuale, Per prevedere meglio cosa aspettarsi dai pazienti, il che spesso aiuta con una taglia unica. Ogni approccio si evolve verso un approccio veramente predittivo e personalizzato.

Tornando all’esempio tedesco di Heidelberg, Gli scienziati hanno raccolto milioni di dati dal cuore da una serie di scansioni MRI e TAC, tra le altre procedure che il paziente ha subito in vari controlli ospedalieri. Quindi, con ogni nuovo dato, viene fornito un programma Con l’intelligenza artificiale avanzata (AI) si formano reti neurali Ciò ha consentito la modellazione di un modello fisiologico dell’organo a più livelli.

Fondamentalmente, la sua funzione è quella di tenere un registro aggiornato del battito cardiaco, della pressione sanguigna, della respirazione e di qualsiasi altro dato rilevante sul cuore di un paziente per prevedere con maggiore precisione i rischi futuri. Questo è possibile grazie al fatto che i dati raccolti dall’AI possono essere istantaneamente comunicati al cloud. E se lo ordina un medico, può essere paragonato agli studi scientifici di tutto il mondo, perché attraverso gli algoritmi la tecnologia riconosce schemi comuni, applica quanto appreso e fornisce analisi predittive.

Possiamo prevedere con settimane o mesi di anticipo quali pazienti svilupperanno una malattia o come un particolare paziente reagirà a un particolare trattamento. “Questo potrebbe rivoluzionare la medicina”, ha detto il cardiologo. Benjamin Meder, che ha testato il programma del cuore digitale presso l’ospedale universitario di Heidelberg. La scienza ha testato con successo questa tecnica in altri casi. Nel 2017, ad esempio, è stato possibile separare con successo due sorelle siamesi all’Università del Minnesota grazie alla navigazione in realtà aumentata. che ha funzionato per identificare i difetti anatomici prima di interferire con essi.

Dagli anni ’50 si pensa agli organi virtuali. Lavoro svolto da scienziati britannici Alan Hodgkin e Andrew Huxley che hanno studiato come si propagano gli impulsi nervosi nelle seppie Questo è stato un calcio ai progressi della medicina di oggi. Il suo studio di esperti gli sarebbe valso un premio Nobel.

Nel 1959, un giovane scienziato inglese, Dennis Nobile Iniziò ad applicare la conoscenza di Hodgkin e Huxley alle cellule del cuore. Si è reso conto che ci sarebbero voluti mesi per usare un calcolatore a manovella per calcolare cosa succede per mezzo secondo in una singola cellula cardiaca, e di conseguenza si è rivolto a Ferranti Mercury, un computer a valvole da una tonnellata a Bloomsbury, Londra. Può eseguire 10.000 operazioni in virgola mobile al secondo.

Si chiama il giorno che cade a Barcellona MareNostrum gestisce un miliardo di milioni. Poche settimane dopo, Nobel ha tracciato i risultati di una telescrivente ed è stato sorpreso di vedere “battere” la sua cellula cardiaca virtuale. Ciò lo portò a trasferirsi a Oxford nel 1963 e perfezionare il modello delle cellule cardiache con colleghi come il neozelandese Peter Hunter. Negli anni ’80 avevano una ragionevole comprensione di Le attività elettriche, chimiche e meccaniche coinvolte nella contrazione di una singola cellula cardiacariassunti in circa 30 equazioni.

Verso la fine del decennio, lavorando con l’ingegnere biomedico americano Ray Winslow, Nobel iniziò a lavorare su un modello di cuore di un intero organo in una macchina di giunzione, uno dei primi supercomputer commerciali al mondo basati sull’elaborazione parallela. Questo ha aperto la strada ai gemelli del cuore digitale.

“Tra 10 anni vedremo gemelli digitali di persone. La tecnologia non è male in sé e per sé, la domanda è come viene utilizzata. Ha sottolineato che abbiamo già la tecnologia per iniziare a realizzarli, e ora è necessario condurre una discussione etica e sviluppare una legge che li regoli. Edoardo Loskos, Presidente della Digital Twin Building Association (BDTA) e Direttore della Ricerca e Sviluppo presso il Gruppo IDP.

“Quindi, oltre alla regolamentazione, che è molto importante e data per scontata, sono essenziali anche la consapevolezza dei cittadini e la responsabilità individuale. Le persone dovrebbero sapere cosa è in gioco e cosa è a rischio, Se si abusa di questa tecnologia, sono i diritti e le libertà che l’umanità ha conquistato più di 100 anni faL’esperto ha avvertito.

Oggi, a Oxford, il team guidato dalla professoressa di medicina computazionale Blanca Rodriguez ha superato un altro importante traguardo per i gemelli digitali cardiaci. In un ipotetico “processo antidroga”, ad esempio, dove 62 farmaci e composti di riferimento sono stati testati in oltre 1.000 simulazioni di cellule cardiache umane. Il suo team ha predetto i rischi dei farmaci che causano aritmie con una precisione dell’89%.

Quando hanno confrontato queste previsioni del computer con i dati ottenuti da studi sugli animali comparabili condotti in precedenza, la ricerca sugli animali era meno accurata (75%).

Per quanto riguarda i progressi compiuti a Barcellona, ​​​​​​gli scienziati hanno sviluppato un centro di supercalcolo Modello Alia Digital Twin Heart, sono costituiti da ca 100 milioni di patch di cellule cardiache virtuali, ciascuna descritta da circa 50 equazioni.

Per i suoi gemelli digitali cardiaci più elaborati e ad alta risoluzione, Alya Red può impiegare 10 ore per simulare 10 battiti cardiaci, con il “sangue” che scorre attraverso di essi per rilevare potenti flussi all’interno dei ventricoli che potrebbero essere malati. In questo modo, un gemello digitale può rivelare come il cuore sta fallendo, perdendo la sua capacità di pompare o pericolose aritmie causate da farmaci per il cuore. In collaborazione con la società di tecnologia medica Medtronic, le simulazioni su Alya Red possono aiutare a posizionare un pacemaker, regolare la stimolazione elettrica e modellarne gli effetti.

Ma i gemelli digitali non sono nuovi al mondo. La sua origine risale alla NASA. Molto tempo dopo che gli uomini sono atterrati sulla Luna, gli scienziati spaziali hanno sviluppato simulatori virtuali per replicare l’azione delle loro navi. Il loro obiettivo era rendere le missioni un successo e mantenere in vita gli astronauti.

Tuttavia, è stato solo con la proliferazione dei Big Data e dell’Internet of Things che i gemelli digitali hanno guadagnato terreno in tutti i settori. Ma senza dubbio, il settore medico è dove si genera la maggior parte dell’aspettativa di vita.

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