یکی از چیزهایی که برای من همیشه جالب بوده بازسازی سیستم های پیچیده ی زیستی روی کامپیوتر هاست. چند سال پیش وقتی تازه برنامه نویسی رو یاد گرفتم سعی کردم که یک برنامه ای که بعدها متوجه شدم که به اونها اتوماتای سلولی گفته میشه رو بنویسم. با توجه به سواد اون زمانم و خب حجم کاری که باید میکردم همه چیز خیلی خوب پیش نرفت و در نهایت وقتی با Convey game of life آشنا شدم فهمیدم که تقریبا دارم مسیری رو میرم که از قبل رفته شده و چیز جدیدی برای ارائه ندارم. بعدها وقتی در زمینه ی هوش مصنوعی بیشتر کار کردم با مفهوم همزاد دیجیتالی آشنا شدم و احساس کردم شاید بتونم چیزی رو که اون زمان بهش فکر میکردم رو در این حوزه پیدا کنم و بتونم اینجا چیز جدیدی خلق کنم. پایین تر با کمک گرفتن از چنتا مقاله ی مروری در مورد همزاد دیجیتالی در سلامت چند پاراگرافی مینویسم که شامل یک توضیح در مورد کلیت همزاد های دیجیتالی و تاریخ اونها، انواع و نحوه ی کارکرد اونها، یک مثال و کمکی که میتونن به ما در پزشکی بکنن هست.
در اصل، مفهوم همزاد دیجیتالی به معنای ایجاد همزادهای مجازی از اشیاء، موجودات زنده، فضاها یا فرآیندهاست. ریشه ی تاریخی به همزادی های دیجیتالی از محیط‌های شبیه‌سازی شده که توسط ناسا در دهه ۱۹۷۰ برای نظارت بر فضاهای فیزیکی دست‌نیافتنی (مانند فضاپیماها در ماموریت) ایجاد شدند، برمیگرده. معروف‌ترین کاربرد اولیه همزادی های دیجیتالی در طول ماموریت آپولو ۱۳ اتفاق افتاد، زمانی که یکی از مخازن اکسیژن دو روز پس از پرتاب منفجر شد و مهندسان تیم کنترل پرواز ناسا در هیوستون مجبور شدند مدل‌سازی و تست راه‌حل‌های ممکن را در یک محیط شبیه‌سازی شده انجام دهند. آن‌ها راهنمایی‌هایی برای ساخت یک تصفیه‌کننده هوای بداهه با استفاده از مواد موجود در فضاپیما به فضانوردان ارائه دادند تا خدمه آپولو ۱۳ را به زمین بازگردانند [۱].
با اینکه مفهوم همزاد های دیجیتالی از سال ۱۹۷۰ مطرح شده بود اما اخیرا با پیشرفت های اخیر در حوزه ی پردازش و هوش مصنوعی جان دوباره ای گرفته تا جایی که IEEE Computer Society اون رو به عنوان سومین تکنولوژي پرطرفدار سال ۲۰۲۰ معرفی میکنه. اما قسمت عمده ای از این توجه که در طول تاریخ مرتب تکرار شده، عمدتا ظرف چندین سال فروکاهش میکنه و شرکت ها سعی می کنن از اون ابزاری بسازن که واقعا بدرد بخور باشه و بشه از اون استفاده کرد. حوزه های متعددی از این نوآوری سود میبرن که از جمله ی اونها میشه به صنعت، ساخت و ساز و حمل و نقل اشاره کرد. یکی دیگه از این حوزه ها علوم تجربیه. در واقع بازسازی مجازی هر سیستم پیچیده ای که در طبیعت کار میکنه تا بتونیم با استفاده از این کار رفتار اونهارو در شرایط جدید ببینیم و درنتیجه رفتاری که در محیط واقعی خواهند داشت رو بازسازی کنیم و خب چه چیزی جذابتر از بازسازی اجزای پیچیده ای مثل سلول ها، فرایند های سلولی و یا حتی ارگان ها و در مراحل بعدی حتی بدن انسان به طور کامل.
ممکنه بازسازی مجازی بدن اسنان به طور کامل خیلی دور از دسترس بنظر برسه اما ساخته شدن ارگان ها و فرایند ها همین الان هم انجام شده. البته شاید فاکتور هایی هم وجود داشته باشن که داخل این ارگان ها و فرایند ها از قلم افتاده باشن امادر نهایت با کامل تر شدن دانش ما نسبت به مسیر ها و اجزای اونها روز به روز این همزاد های دیجیتالی کامل تر و به واقعیت نزدیکتر میشن. شاید چند مثال بتونه به شما بیشتر کمک کنه.
یکی از حوزه هایی که در این زمینه محبوبیت بیشتری پیدا کرده ایجاد همزاد های مجازی از قلبه. در ایجاد این همزاد ها از دو مرحله ی همزاد آناتومیکی و همزاد عمکلردی ایجاد میشه. در مرحله ی آناتومیکی یک کپی سه‌بعدی بسیار دقیق از قلب واقعی، بر اساس اسکن‌های CT یا MRI بیمار ایجاد میشه. در این مرحله با استفاده از مدلی مثل UVC و با استفاده از مکان مناطق خاص قلبی مانند نوک قلب یا دیواره بین بطنی به‌طور خودکار با داده‌های ورودی نسبتاً کم یک همزاد مجازی از قلب را درست میکند.
مرحله ی بعدی ایجاد همزاد عملکردی است، که در اینجا الکتروفیزیولوژی قلب را پوشش می‌دهد.در ایجاد امواج ECG چهار عامل اصلی شامل دپولاریزاسیون ناشی از سیستم هیس-پورکینجی و توزیع به زیراندوکاردیوم، سرعت هدایت در داخل بطن‌ها، مدت زمان پتانسیل عملکردی به صورت فضایی متغیر، و هدایت تنه اطراف قلب دخالت دارند. فعالیت الکتروفیزیکی چارچوب آناتومیک با استفاده از یک مدل شبیه‌سازی شد و با اندازه‌گیری‌های بالینی 12-لید ECG مقایسه شد. این مقایسه‌ها نشان می‌دهند که نوار قلب به‌طور خودکار و بسیار تزدیک به نوار واقعی شبیه سازی میشود.
ساختن این مدل به پزشکان و کادر درمان کمک میکنه تا بتونن با استفاده از داده های جمع آوری شده از بیمار یک نوار قلب مجازی از مریض داشته باشند و به صورت مجازی تاثیر مداخله های مختلف مثل کارکذاشتن دستگاه های مختلف رو بر روی عملکرد و نوار قلب مریض قبل از به کار گیری اونها در واقعیت ببینن و بتونن تصمیم درست تری بگیرن. [2]
این تنها یک مثال از بین مقالات مختلفی هست که در این حوزه نوشته شده و روز به روز در حال بیشتر شدنه. پیشرفت ما در سخت افزار ها و قدرت پردازشی و همچنین مدل ها و الگوریتم های هوش مصنوعی باعث خواهند شد که این تکنولوژی روز به روز سریعتر و دقیقتر بشه. شاید یک روز قبل از انجام هر مداخله ای (از داروها تا عمل جراحی) روی بدن انسان، یک بار اثربخشی اون مداخله روی همزاد دیجیتالی اون فرد تست بشه. شاید هم روزی از هرکدام از ما یک همزاد دیجیتالی به قدری دقیق وجود داشت که حتی بتونه علت و زمان مرگ ما به علت بیماری هارو پیش بینی کنه و زودتر از اون جلوگیری کنه.
1. Barricelli, B.R.; Casiraghi, E.; Fogli, D. A survey on digital twin: Definitions, characteristics, applications, and design implications. IEEE Access 2019, 7, 167653–167671.
2.Gillette, K.; Gsell, M.A.; Prassl, A.J.; Karabelas, E.; Reiter, U.; Reiter, G.; Grandits, T.; Payer, C.; Štern, D.; Urschler, M.; et al. A Framework for the generation of digital twins of cardiac electrophysiology from clinical 12-leads ECGs. Med. Image Anal. 2021, 71, 102080
