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未來科技:數字雙胞胎,幫你精準治療糖尿病與疼痛

數字雙胞胎(Digital Twin),入選Gartner「影響未來的十大技術」。

所謂「數字雙胞胎」,就是數字形式的「雙胞胎」:一個是存在於現實世界的實體;另一個存在於虛擬世界中,是利用數字技術營造的與現實對稱的鏡像。

如今,數字雙胞胎已應用在飛機設計、汽車製造和建築維修等多種領域。而在醫學上,人們希望在「矽二重身」中實現。近日,瑞士聯邦材料科學與技術實驗室(EMPA)的研究人員正在開發一種「數字雙胞胎」,目的是要讓疼痛患者和糖尿病患者得到最佳治療。

人類的個體差異性非常顯著,從飲食習慣到電影品味,人人都不一樣。由於年齡、生活方式或基因構成不同,個體對某些療法的反應也會有明顯差異。因此,醫學治療需要非常靈活,也就是如今所倡導的「個性化醫療」。

這也正是數字雙胞胎、虛擬二重身的概念發揮作用之處。虛擬二重身依靠實時提供的真實患者的生理數據。研究人員解釋道:「使用矽二重身,我們能更精確地對個體患者做出反應。」這個醫學化身有一天可能會徹底改變醫學。

研究人員已開發出一種數字皮膚雙胞胎,這個項目由諾華研究基金會和材料科學與技術能力中心資助。其目標是通過智能纖維和薄膜控制經皮給葯,如止痛藥和胰島素,同時以感測器監測患者的生命體征。基於這些數據,數字雙胞胎可以預測個體劑量並監測治療成果。根據同樣的原理,下一步,二重身可能被用來檢查傷口的癒合過程。考慮到這一點,研究人員已設計出一種集成感測器的智能繃帶。

研究團隊正致力於融合兩個創新研究領域來開發數字雙胞胎:使用透皮繃帶進行經皮非侵入性藥物管理,以及使用實時模型控制和預測治療過程。皮膚作為最大的器官,為特定大小的藥物分子進入人體提供了一個作用面積大的、理想的通道。然而,傳統治療所用的膏藥劑量實際上難以控制的,因為即使膏藥早就被揭掉,一些活性物質仍可以從皮膚層釋放進入體內。目前的系統通過測量患者血液中的藥物濃度來提供反饋,但只能確定藥物的劑量是過高還是過低,仍無法做到對藥物實際需求劑量的精準預測。

相比之下,一個由附著在皮膚上的非侵入式感測系統提供數據的數字雙胞胎,能實現藥物活性的精準和個性化劑量。數字二重身的計算機模型也將患者的皮膚特徵納入考量範圍。畢竟,活性物質的吸收,會因膏藥所貼部位的不同或所貼對象的不同而呈現差異。比如

給曬得黝黑的運動員貼、給皮膚蒼白的老太太貼,或者給皮膚柔軟的新生兒貼,藥物的吸收都是不一樣的。

這個由智能膏藥和實時監測模型組成的新系統,是向一個充滿前景的全新領域邁出的關鍵一步。經皮藥物管理的個性化數字雙胞胎,讓我們離人類化身更近了一步。

接下來,研究人員將為經皮治療化身編寫一個複雜的多物理場模擬皮膚模型(Multiphysical Skin Model),該模型由皮膚上的感測器提供數據。人體的生物物理雙胞胎,將用於輔助感測器開發。基於覆蓋人體模型的感測器提供的信息,可測算真實患者的生理值和反應,比如皮膚溫度或排汗率的變化。Empa已建立了人體模型和一個互聯的計算機模型系統來模擬人類的生理反應。該系統將被用於建立由大量的變數控制的、更為複雜的數字雙胞胎。

「虛擬雙胞胎不僅必須對變化做出快速反應,還要能安全、個性化地預測藥物劑量。」研究者說。

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