في جهد رائد لتغيير مستقبل الطب، قادت الدكتورة أماندا راندلز، أستاذة العلوم الطبية الحيوية في كلية برات للهندسة بجامعة ديوك، نهجًا ثوريًا في مجال الرعاية الصحية. تركز أبحاثها المبتكرة على إنشاء محاكاة افتراضية شخصية لجسم الإنسان، مما يسمح بالمراقبة في الوقت الفعلي والتحليل التنبؤي للمخاطر الصحية. تتمتع هذه التكنولوجيا المتطورة بالقدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي يقوم بها الأطباء بتشخيص الأمراض وعلاجها، والانتقال من الرعاية التفاعلية إلى الوقاية الاستباقية عبر استخدام التوائم الافتراضية في الطب .
الدكتورة أماندا راندلز، الباحثة الشهيرة والأستاذة في جامعة ديوك، هي العقل المدبر وراء هذه التكنولوجيا الرائدة. وقد نالت بعملها جائزة الحوسبة المرموقة التي تقدمها جمعية آلات الحوسبة والتي تبلغ قيمتها 250 ألف دولار. تقوم راندلز بتطوير محاكاة افتراضية لجسم الإنسان، مع التركيز على محاكاة تدفق الدم وحركة الخلايا. يهدف بحثها إلى إنشاء توائم رقمية مخصصة يمكن استخدامها لمراقبة الصحة والتنبؤ بمخاطر الأمراض. لأماندا رؤية طويلة المدى لإنشاء محاكاة افتراضية شاملة لجسم الإنسان. وتتوقع راندلز أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تصبح حقيقة واقعة خلال السنوات الخمس إلى السبع القادمة. يتم إجراء البحث في كلية برات للهندسة بجامعة ديوك، مع تطبيقات محتملة في المستشفيات ومراكز الرعاية الصحية في جميع أنحاء العالم.
فهم تدفق الدم وأمراض القلب
تعد أمراض القلب السبب الرئيسي للوفاة في الولايات المتحدة، فهي مسؤولة عن خُمس الوفيات كل عام. ولكن ماذا لو تمكن الأطباء من تحديد علامات أمراض القلب في وقت أبكر بكثير، حتى قبل ظهور الأعراض؟ هذه هي رؤية أماندا راندلز. تعتقد راندلز أن محاكاة تدفق الدم وحركة الخلايا في جميع أنحاء الجسم يمكن أن يحدث ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع الرعاية الصحية.
في القلب من بحث راندلز يوجد مفهوم تدفق الدم. تدفق الدم هو دوران الدم عبر القلب والشرايين والأوردة. إنها عملية معقدة تتضمن التنسيق بين أنظمة متعددة في الجسم. يركز عمل راندلز على محاكاة هذه العملية لفهم كيفية تدفق الدم عبر الجسم بشكل أفضل وكيف يمكن أن تؤدي اضطرابات هذا التدفق إلى أمراض القلب.
أحد التحديات الرئيسية في فهم تدفق الدم هو التعقيد المذهل لجهاز الدورة الدموية. ينبض قلب الإنسان حوالي 100 ألف مرة في اليوم، مما يعني أن هناك كمية هائلة من البيانات التي يتعين معالجتها. تستخدم خوارزمية راندلز بيانات الساعة الذكية لمحاكاة تدفق الدم لدى الشخص والمساعدة في مراقبة أمراض القلب. ويمكن لهذه المحاكاة التقاط التغيرات في تدفق الدم التي قد تشير إلى تطور أمراض القلب، مثل تراكم اللويحات في الشرايين.
ولكن ما سبب أهمية تدفق الدم في فهم أمراض القلب؟ الجواب يكمن في الطريقة التي يتدفق بها الدم عبر الجسم. عندما يتدفق الدم عبر الشرايين، فإنه يخلق قوة تضغط على جدران الشرايين. يمكن لهذه القوة، المعروفة باسم إجهاد القص، أن تسبب تغييرات في جدران الشرايين مما قد يؤدي إلى ظهور اللويحة. من خلال محاكاة تدفق الدم، يمكن لعمل راندلز أن يساعد الأطباء على فهم كيف يمكن للتغيرات في تدفق الدم أن تساهم في تطور أمراض القلب.
في المقالة التالية، سنستكشف التاريخ المختصر للمحاكاة الطبية الحيوية، من المفهوم إلى الواقع. كيف وصلنا إلى ما نحن عليه اليوم، وماذا يحمل المستقبل لتكنولوجيا التوائم الافتراضية في الطب ؟
تاريخ موجز للمحاكاة الطبية الحيوية من المفهوم إلى الواقع
إن مفهوم المحاكاة الطبية الحيوية، موجود منذ عقود. ومع ذلك، لم يكتسب هذا المجال اهتمامًا كبيرًا إلا بعد التقدم الأخير في قوة الحوسبة، وتحليل البيانات، والتصوير الطبي. ففي الثمانينيات، ظهرت ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) كوسيلة لمحاكاة تدفق الموائع في مختلف الصناعات، بما في ذلك هندسة الطيران والهندسة الكيميائية. وضعت هذه التقنية الأساس لمحاكاة تدفق الدم في جسم الإنسان.
لننتقل سريعًا إلى التسعينيات، عندما بدأ الباحثون في استكشاف استخدام عقود الفروقات في الهندسة الطبية الحيوية. وقاموا بتطوير خوارزميات لمحاكاة تدفق الدم في الأشكال الهندسية المبسطة للأوعية الدموية، مما يمثل المراحل الأولى من المحاكاة الطبية الحيوية.
في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أدى تطور تقنيات التصوير المتقدمة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT)، إلى تمكين الباحثين من إنشاء نماذج مفصلة وشخصية لجسم الإنسان. وقد دفع هذا الإنجاز المحاكاة الطبية الحيوية إلى عصر جديد، مما سمح للباحثين بإنشاء محاكاة واقعية لتدفق الدم وحركة الخلايا.
واليوم، يعتمد باحثون مثل أماندا راندلز على هذه التطورات لإنشاء توائم افتراضية متطورة يمكنها التنبؤ بالمخاطر الصحية، وتتبع تطور المرض، وتوجيه خيارات العلاج. إن التكامل بين الأجهزة القابلة للارتداء والتعلم الآلي والحوسبة عالية الأداء أوصلنا إلى أعتاب ثورة في الطب الشخصي.
كيف يمكن للساعات الذكية التنبؤ بالمخاطر الصحية
تخيل أن لديك نسخة رقمية طبق الأصل من نفسك، توأمًا افتراضيًا يعكس كل حركة ونبض قلب ووظيفة جسدية. قد يبدو هذا المفهوم وكأنه خيال علمي، لكنه أصبح حقيقة بفضل البحث المبتكر الذي أجرته أماندا راندلز. تتصور راندلز مستقبلًا حيث تقوم الأجهزة القابلة للارتداء مثل الساعات الذكية بتغذية البيانات في محاكاة افتراضية لجسمك بالكامل، مما يسمح للأطباء بمراقبة صحتك على مستوى شخصي على عكس أي شيء لدينا اليوم.
ولكن كيف يعمل هذا؟ يكمن المفتاح في تسخير قوة البيانات القابلة للارتداء. تستخدم خوارزمية راندلز بيانات الساعة الذكية لمحاكاة تدفق الدم لدى الشخص والمساعدة في مراقبة أمراض القلب. ومن خلال جمع المعلومات عن تدفق الدم ومعدل ضربات القلب والعلامات الحيوية الأخرى، يمكن للأطباء تحديد المخاطر الصحية المحتملة قبل أن تصبح مشاكل خطيرة.
فكر في الأمر مثل تتبع العاصفة على الرادار. فكما يستخدم خبراء الأرصاد الجوية البيانات المستمدة من الأقمار الصناعية الخاصة بالطقس للتنبؤ بمسار الإعصار، فإن تقنية التوأم الافتراضي التي ابتكرها راندلز تستخدم بيانات للتنبؤ بالمخاطر الصحية. ومن خلال تحليل الأنماط والاتجاهات في بياناتك، يستطيع التوأم الافتراضي اكتشاف الحالات الشاذة التي قد تشير إلى زيادة خطر الإصابة بأمراض القلب أو حالات أخرى.
ولكن لا يزال هناك تحدٍ يجب التغلب عليه، وهو التحميل الزائد للبيانات. مع القلب الذي ينبض 100.000 مرة في اليوم، فإن كمية البيانات التي يتم توليدها مذهلة. تعمل راندلز وفريقها على إيجاد طرق لاستخلاص أهم المعلومات من البيانات، وتطبيقها على سيناريوهات أكبر، وتحديد العلامات التحذيرية للمخاطر الصحية المحتملة.
من التحميل الزائد للبيانات إلى خطوط الأساس المخصصة
للتغلب على مشكلة التحميل الزائد للبيانات، تعمل أماندا راندلز وفريقها على تطوير خوارزميات يمكنها تحديد اللحظات الأكثر أهمية في الروتين اليومي للشخص. وهذا يعني إيجاد طرق لالتقاط لقطات من البيانات في أوقات محددة وتطبيقها على سيناريوهات أكبر. على سبيل المثال، إذا كان الشخص يجلس أمام جهاز الكمبيوتر الخاص به لبضع ساعات كل صباح، فقد لا يحتاج النموذج إلى دمج كل ثانية من ذلك الوقت.
الهدف هو إنشاء خط أساس شخصي يمكن أن يساعد الأطباء في تحديد متى يكون هناك خطأ ما. وهذا أمر بالغ الأهمية في الكشف عن علامات الحالات القاتلة المحتملة مثل أمراض القلب في وقت أسرع بكثير، مما يسمح بعلاج أكثر فعالية. سيكون النموذج قادرًا على التقاط التغييرات الطفيفة، مثل ظهور اللويحات في القلب، مما يمكّن الأطباء من تقديم رعاية استباقية. تستخدم خوارزمية راندلز بيانات الساعة الذكية لمحاكاة تدفق الدم لدى الشخص، مما يجعل من الممكن مراقبة أمراض القلب في الوقت الفعلي.
في حين أنه لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به، إلا أن الفوائد المحتملة للتوائم الافتراضية مذهلة.
مستقبل التوائم الافتراضية في الطب
بينما يواصل الباحثون مثل أماندا راندلز دفع حدود تقنية التوأم الافتراضي، فإن التطبيقات المحتملة تمتد إلى ما هو أبعد من اكتشاف أمراض القلب. وفي المستقبل غير البعيد، يمكن للتوائم الافتراضية أن تحدث ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع الطب ككل. تخيل عالمًا يتم فيه دمج توأمك الافتراضي مع الذكاء الاصطناعي وخوارزميات التعلم الآلي للتنبؤ بمجموعة واسعة من الأمراض والوقاية منها. يمكن لهذه النسخة الافتراضية من جسمك أن تحاكي سلوك الأعضاء والأنظمة المختلفة، مما يسمح للأطباء بتحديد المشكلات الصحية المحتملة قبل ظهورها.
على سبيل المثال، يمكن للتوائم الافتراضية أن تساعد الأطباء على اكتشاف السرطان في مراحله المبكرة، مما يسمح بعلاج أكثر فعالية وربما إنقاذ آلاف الأرواح. ويمكن للباحثين استخدام التوائم الافتراضية لمحاكاة سلوك الخلايا السرطانية، وفهم كيفية تحركها وتفاعلها مع الجسم، وتطوير علاجات مستهدفة لمكافحة المرض. يمكن للتوائم الافتراضية أيضًا أن تغير الطريقة التي نتعامل بها مع الاضطرابات العصبية، مثل مرض ألزهايمر ومرض باركنسون. ومن خلال محاكاة سلوك الخلايا العصبية والشبكات العصبية، يمكن للباحثين الحصول على فهم أعمق لهذه الحالات المعقدة، مما يؤدي إلى تطوير علاجات أكثر فعالية.
علاوة على ذلك، يمكن أن تلعب التوائم الافتراضية في الطب الشخصي دورا حاسما، مما يسمح للأطباء بتصميم علاجات للمرضى الأفراد على أساس ملفاتهم الجينية الفريدة وتاريخهم الصحي. وهذا يمكن أن يؤدي إلى علاجات أكثر فعالية وردود فعل سلبية أقل للأدوية. ومع استمرار تقدم التكنولوجيا، يمكننا أن نرى استخدام التوائم الافتراضية لمحاكاة الأنظمة البيئية بأكملها داخل الجسم، مما يسمح للباحثين بفهم كيفية تفاعل الأنظمة المختلفة وتأثيرها على الصحة العامة. وقد يؤدي هذا إلى ثورة في فهمنا للأمراض المعقدة، مثل أمراض السكري والسمنة، وتطوير علاجات أكثر فعالية. فهل أنت على استعداد لمقابلة توأمك الافتراضي الصحي قريبًا؟
المصدر:
Amanda Randles Won the ACM’s $250,000 Prize in Computing (businessinsider.com)
