今年三月，中国国家主席习近平宣布“数字孪生”技术是其国家将在其中引领世界并超越美国的六大“新质生产力”之一。在这场地缘政治的较量中，这种模拟技术——已广泛应用于制造业——正进入医学领域。它有望加速长期以来构想的个性化医疗时代的到来，即使用针对每位患者定制的干预措施来维持或恢复健康。
数字孪生的核心是一个计算机模拟，它捕捉了某个物理事物的所有相关机制和特征，无论是城市还是飞机。以新加坡为例，它拥有其基础设施的数字孪生。或者五角大楼，它将为其新型B-21轰炸机使用数字孪生。物理孪生持续或频繁地发送运行数据，通常使用物联网，以更新数字孪生，使其忠实地反映其物理孪生的当前状态，例如，准确反映城市道路或特定B-21发动机机械部件的磨损情况。反过来，使用数字孪生进行的模拟研究可以为我们如何处理其实际孪生提供信息。
那么医学呢？计算机模拟可以帮助我们了解体内生物化学过程以及不同物质的行为及其对我们健康的影响。基于此类计算机模拟的您或我，甚至是我们身体某些部分的数字孪生，可以帮助药物开发人员设计、测试和监测，并帮助医生应用针对我们的基因或生物化学特性而定制的最安全、最有效的治疗方法或疗法。
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医学数字孪生已经有一些成功案例，例如FDA批准的人工胰腺，它在很大程度上自动化了为1型糖尿病患者定期注射胰岛素的管理。在这种数字孪生技术的应用中，患者皮肤下的监测器每隔几分钟测量一次血糖水平，并将数据无线传输到手持智能设备上的数字孪生。数字孪生核心的数学模型是针对特定患者进行校准的，以模拟他们独特的葡萄糖代谢。利用所有这些信息，控制算法确定患者需要多少胰岛素，并指示连接的胰岛素泵将正确的量直接注入患者体内。通过这种方式，数字孪生执行了正常胰腺本应具有的葡萄糖调节功能。我在三月份自然-计算科学报告中与人合著的其他例子包括用于治疗心律失常的数字孪生和用于乳腺癌患者的治疗优化。
现在是开发这项技术的时机，这要归功于三个发展。首先，我们现在对身体在健康和疾病中的功能有了更深入的了解。这使我们能够创建精确的人体生物学计算机模拟，范围从细胞水平到全身尺度。其次，人工智能和机器学习算法可以持续收集和分析来自个人以及整个人群的数据，从而不断更新患者护理的个性化。第三，公众已经接受了个性化医疗，认为它是有益的并且触手可及。同样，医疗保健行业越来越依赖数据驱动的方法，将人工智能应用于患者数据分析、疾病风险计算和医疗决策。
我们必须做更多的工作，将医学数字孪生技术从零星的例子扩展到一个稳定、成熟、蓬勃发展的行业，堪比今天的工业数字孪生。首先，正如NASA在美国开展了工业数字孪生的早期研发一样，公共机构和私人来源需要联合发起一项主要的资助计划，以支持医学数字孪生研究，以承担大量的研发启动成本。重要的是，这些公私合作伙伴关系的建立方式要确保成本和收益得到公平分担。欧盟委员会正在资助全面的路线图倡议医疗保健生态系统数字孪生，这是一个行业和学术界之间的大规模跨学科合作，旨在将这项技术应用于癌症和其他疾病的患者护理。国家科学、工程和医学院最近发布的报告数字孪生的基础研究差距和未来方向引起了人们对美国采取此类行动的广泛关注，并强调了其在生物医学领域的深远潜力。
其次，我们需要一个支持性数据生态系统的全面框架，堪比欧洲健康数据空间。这项欧洲努力将提供一个特定于健康的生态系统，包括规则、通用标准和实践、基础设施和治理框架，使个人能够控制其个人健康数据，同时为该信息的部署提供一致、可信和高效的设置，用于研究、创新和政策制定。医学数字孪生技术引发了额外的隐私担忧，这些担忧需要通过立法和监管来解决，因为它们旨在功能性地整合范围广泛的数据，这些数据可以捕捉有关一个人的生物学及其生活方式的信息，从而可能预测健康需求、寿命和其他具有巨大潜力被滥用的特征。我们需要回答关于谁拥有和控制从人们那里收集的用于动态更新其数字孪生体的数据的问题。谁将拥有我们的数字孪生体？我们需要将这场辩论中的所有利益相关者聚集在一起，现在就回答这些问题。
最后一个也是更具挑战性的要求是为这项技术的广泛实施提供资金。作为一个国家，我们需要能够承担巨大的成本。医学数字孪生可以成为实现此目的的强大使能技术，通过将其用作预测医学的工具。毕竟，数字孪生在工业领域最重要的用途之一是用于预测性维护，它可以大大降低成本和风险。在医疗保健领域也可以预期会产生类似的效果。
医学数字孪生即将到来，即使我们正处于这个革命性新时代的黎明。我们应该回顾航空史，在不到一个世纪的时间里，我们从基蒂霍克首次飞行发展到乘坐梦想客机跨越大西洋，舒适地品尝香槟。但在莱特兄弟首次飞行仅仅十年后，飞机设计就已经发展得如此迅速，以至于第一次世界大战中的每个主要强国都部署了空军。我们现在正处于这样一个充满机遇和竞争的时刻。医学数字孪生可能尚未达到现代航空的水平；但就其目前的开发状态而言，它们已经为治疗和预防医学提供了重要的回报。
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