Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

Мы уже столкнулись с некоторыми работами, проделанными в Европе. Те из них, что были показаны в нашем фильме «Виртуальные люди», были реализованы Марко Вицеконти и Альберто Марзо с коллегами из университетов Болоньи и Шеффилда соответственно. Они использовали анализ методом конечных элементов, чтобы показать, как предсказать риск перелома костей у пожилых пациентов с остеопорозом (когда с возрастом кости теряют способность к регенерации и массу, меняют структуру и становятся хрупкими). Команда также изучила влияние на кости метастазов, когда рак распространяется из таких мест, как простата, в позвоночник, вызывая «литические метастазы», разрушающие костную ткань[470]. В другом проекте они смоделировали позвоночник, искривленный сколиозом, чтобы понять, как искривление влияет на нагрузку и деформации[471]. Эти вычислительные модели также могут помочь врачам планировать операции по улучшению ходьбы у детей, страдающих церебральным параличом[472], или лечить краниосиностоз – врожденный дефект, при котором костные пластинки черепа младенца срастаются преждевременно[473].

Совместно с регулирующими органами США команда из Окленда работает над проектом «Атлас опорно-двигательного аппарата» – программной средой, целью которой является упрощение регулирования ортопедических устройств с помощью виртуальных тестов. Такие компании, как Ossis Ltd., базирующаяся в Новой Зеландии, ускоряют производство индивидуальных титановых тазобедренных имплантатов, напечатанных на 3D-принтере, а Австралийский институт спорта отслеживает спортивные результаты с помощью носимых беспроводных датчиков.

Рисунок 39. Моделирование нагрузки на бедренную кость человека (compBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)

Команда из Окленда разработала вычислительные модели, основанные на новых сенсорных и медицинских изображениях, для изучения различных практических вопросов: могут ли «умные шины» помочь детям с неврологическими расстройствами? Можем ли мы уменьшить бремя остеоартрита, изменив способ передвижения? Можем ли мы ускорить восстановление после инсульта с помощью роботизированной реабилитации? Более фундаментальные анатомические вопросы решает Тор Безье, который использует цифровых двойников для изучения роли большого пальца в мире приматов, где большие пальцы обладают разной степенью ловкости в зависимости от того, используются ли для хватания, лазания, висения, снятия кожуры или броска.

Во Франции Dassault также разрабатывает виртуальную опорно-двигательную систему для имплантов коленного и тазобедренного суставов, а также изучает проблемы со стопами, плечами и позвоночником. Например, когда у пациента наблюдаются отклонения от нормы при тесте на ходьбу, модель может дать представление о том, что происходит на мышечном уровне. Технология Dassault используется бельгийским стартапом Digital Orthopaedics для планирования операций на сложной анатомии стопы и голеностопного сустава, которая включает 28 костей, 40 суставов, более 100 связок и 30 сухожилий.

Рисунок 40. Цифровая ортопедия (воспроизведено с разрешения Dassault Systèmes)

Виртуальные легкие

Каждый ваш вдох теперь можно смоделировать на компьютере. Легкие содержат обширную разветвленную сеть ходов, ведущих к миллионам воздушных мешочков, через которые вдыхаемый кислород обменивается на углекислый газ и которые настолько богаты кровеносными сосудами, что имеют розовый цвет. Они содержат десятки типов клеток, каждый выполняет специализированные функции, такие как доставка кислорода и удаление углекислого газа из крови, выделение поверхностно-активных веществ и слизи для смазки воздушных пространств для расширения и сжатия или создание барьера для патогенов и вредного загрязнения.

Одна из сложностей заключается в том, что легкие искривлены, поэтому оба должны моделироваться индивидуально. Ваше правое легкое короче левого, чтобы вместить печень, а левое немного вдавлено, чтобы вместить сердце. Каждое легкое разделено на доли: в правом легком их три, а в левом только две. Легкие также представляют собой многомасштабную модель, поскольку они охватывают несколько порядков величины: от отдельных долей до дыхательных путей и кровеносных сосудов, которые могут достигать 25 мм и разветвляться на все более мелкие, в конечном итоге заканчивающиеся капиллярами диаметром всего 0,008 мм.

В конечном счете работоспособность легких зависит от их способности быть мехами. Понимание этого помогает нам понять основные респираторные заболевания, такие как астма и хроническая обструктивная болезнь легких – прогрессирующая и сложная смесь воспалительных заболеваний дыхательных путей, хронического бронхита и эмфиземы, которая часто связана с курением.