Στην οθόνη του αμφιθεάτρου στο Νέο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης όπου λαμβάνει χώρα το 12ο Heidelberg Laureates Forum, η ετήσια «πνευματική ανταλλαγή»-θεσμός μεταξύ διαφορετικών γενεών επιστημόνων υπολογιστών και μαθηματικών από όλο τον κόσμο, βλέπουμε τη Λίλυ που γεννήθηκε το 1985.
Το πρώτο της βήμα στους 11 μήνες καταγράφηκε από baby monitor. Στα 10 της έσπασε το χέρι της. Και αυτό καταγράφηκε. Η ανάρρωση παρακολουθήθηκε.
Τα πρότυπα ύπνου της εφηβείας, ο καρδιακός ρυθμός, το στρες, όλα καταγράφηκαν σιωπηλά από wearable συσκευές. Στα 28 της τερμάτισε πρώτη στον Μαραθώνιο. Το πλήθος ζητωκραύγαζε και η καρδιά της πήγε να σπάσει. Στα 40 της, το ιατρικό ιστορικό της και όλα τα δεδομένα του life style της ήταν διασυνδεδεμένα.
Στα 56 της εντοπίστηκε μια ανεπαίσθητη αλλαγή στον καρδιακό της ρυθμό. Δεν υπήρχαν συμπτώματα, μόνο δεδομένα. Η τεχνητή νοημοσύνη το σημείωσε. Η παρέμβαση του γιατρού απέτρεψε ένα σημαντικό συμβάν. Στα 70 της εξακολουθεί να τζόκινγκ και να έχει ευρωστία επειδή το ψηφιακό της δίδυμο δίδαξε την τεχνητή νοημοσύνη πώς να τη φροντίζει. Αυτό είναι κάτι περισσότερο από δεδομένα. Αυτή είναι προληπτική ιατρική. Αυτό είναι το μέλλον!
Με αυτό το υποθετικό βίντεο, η Δρ Αμάντα Ράντλες ξεκίνησε χαμογελαστή να μας περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να κάνει copy το ανθρώπινο σώμα, εάν έχει στη διάθεσή της αρκετά δεδομένα και επαρκή υπολογιστική ισχύ.
Λίγο πολύ μας είπε πως μπορεί να μας «κλωνοποιήσει» ψηφιακά για να γυρίσει το ρολόι μπροστά και να δει πως θα συμπεριφερθούν οι στεφανιαίες αρτηρίες ή τα ερυθρά μας αιμοσφαίρια τις επόμενες εβδομάδες ή τους επόμενους μήνες.
Ακούγεται ως σενάριο επιστημονικής φαντασίας; Και όμως δεν είναι…
Ζωντανά ψηφιακά αντίγραφα
Η Ράντλες διευθύνει το Κέντρο Υπολογιστικής και Ψηφιακής Καινοτομίας στην Υγεία στο Πανεπιστήμιο Duke των ΗΠΑ και είναι Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Βιοϊατρικών Επιστημών στην έδρα Alfred Winborne και Victoria Stover Mordecai στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής στο ίδιο πανεπιστήμιο.
Εργάζεται στη διεπαφή της βιοϊατρικής έρευνας και των υπερυπολογιστών μεγάλης κλίμακας για να απαντήσει σε σημαντικά βιοϊατρικά ερωτήματα και, προς το παρόν, πρωτοπορεί στη δημιουργία εικονικών αντιγράφων του ανθρώπινου κυκλοφορικού συστήματος.
«Τα ψηφιακά δίδυμα (digital twins) δεν είναι καινούργια, χρησιμοποιούνται από καιρό σε ορισμένους τομείς της μηχανικής», μας λέει δείχνοντας σε slide μια γέφυρα και το ψηφιακό της δίδυμο. Η ίδια οραματίζεται την ίδια εφαρμογή στους ανθρώπους για να «αλλάξει το παιχνίδι» στην πρόβλεψη ασθενειών.
«Οραματιζόμαστε ένα ζωντανό υπολογιστικό μοντέλο που είναι στενά συνδεδεμένο με το ανθρώπινο σώμα και που τροφοδοτείται συνεχώς με δεδομένα από wearable συσκευές σε πραγματικό χρόνο, έτσι ώστε να προβλέπουμε τη φθορά των αγγείων, να εντοπίζουμε προβλήματα έγκαιρα και να καθοδηγούμε τυχόν ‘επισκευές’ πολύ πριν από την καταστροφή τους. Ένα είδος ‘check engine’», σημειώνει.
«Η συνεχής απεικόνιση της ανατομίας και της φυσιολογίας των ασθενών σε πραγματικό χρόνο μας επιτρέπει να επιτηρούμε την κατάστασή τους πριν από την εμφάνιση συμπτωμάτων, αλλά και να δοκιμάζουμε, πρώτα στα ψηφιακά δίδυμα, διαφορετικά σενάρια παρέμβασης πριν τα εφαρμόσουμε σε έναν ασθενή, ώστε να λαμβάνουμε τη βέλτιστη απόφαση ως προς την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητά τους», προσθέτει.
Όπως λέει η ίδια, σήμερα η ιατρική φροντίδα λειτουργεί ως αντίδραση. Αντιμετωπίζουμε την κρίση αφού συμβεί. Τα ψηφιακά δίδυμα μπορούν να το αλλάξουν αυτό, να εντοπίσουν και να αντιμετωπίσουν το πρόβλημα πριν αυτό μετατραπεί σε κρίση.
Ο κώδικας HARVEY
Για να δημιουργήσουν το ψηφιακό δίδυμο ενός ασθενούς, η Ράντλες και η 20μελής ομάδα της χρησιμοποιούν ένα εργαλείο που ονομάζεται HARVEY, ένα λογισμικό μαζικής Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που προβλέπει και προσομοιώνει τον τρόπο με τον οποίο τα αιμοσφαίρια ρέουν μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Το εργαλείο οφείλει το όνομά του στον γιατρό του 17ου αιώνα William Harvey που περιέγραψε πρώτος την κυκλοφορία του αίματος.
Η ομάδα συνδυάζει έναν τεράστιο όγκο δεδομένων ξεκινώντας από 3D ιατρική απεικόνιση όπως μαγνητική ή αξονική τομογραφία για να καταγράψει τη γεωμετρία των αρτηριών, που είναι ξεχωριστή σε κάθε άνθρωπο, και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τον HARVEY, λύνει εξισώσεις ρευστοδυναμικής για να μοντελοποιήσει την αιματική ροή στα μέτρα της εκάστοτε αγγειακής γεωμετρίας.
Η πρωτοπορία της Ράντλες, η οποία, μεταξύ άλλων, είναι αποδέκτρια του βραβείου ACM στην Πληροφορική του 2023, έγκειται ακριβώς στην ανάπτυξη του HARVEY, ο οποίος ήρθε μετά το πρώτο σημαντικό επίτευγμά της στα υπολογιστικά μοντέλα ροής αίματος το 2010- την πρώτη προσομοίωση αιματικής ροής του στεφανιαίου αρτηριακού δέντρου σε κυτταρική ανάλυση σε έναν πλήρη καρδιακό παλμό. Τότε, ο μεγαλύτερος υπερυπολογιστής του Εθνικού Εργαστηρίου των ΗΠΑ Argonne, με περίπου 140.000 επεξεργαστές, χρειάστηκε 6 ώρες για να προσομοιώσει έναν μεμονωμένο καρδιακό παλμό και να κατανοήσει τα πρότυπα ροής στις στεφανιαίες αρτηρίες. Αξίζει να σημειωθεί πως η Ράντλες ήταν από τους πρώτους χρήστες του υπολογιστή Aurora κλίμακας Exascale του Argonne.
Το 2015, χρησιμοποιώντας 1,5 εκατομμύριο υπολογιστικούς πυρήνες του υπερυπολογιστή Sequoia του εργαστηρίου Lawrence Livermore, η Ράντλες πραγματοποίησε την πρώτη 3D προσομοίωση ροής στο αρτηριακό δίκτυο όλων των αγγείων με διάμετρο μεγαλύτερη από 1 mm, σε κλίμακα ανθρώπινου σώματος. Μέχρι σήμερα, με τον Aurora έχει καταφέρει να μοντελοποιήσει μερικά δισεκατομμύρια ερυθρά αιμοσφαίρια.
«Έχουμε περάσει από το προηγούμενο ρεκόρ μοντελοποίησης, τους περίπου 30 καρδιακούς παλμούς σε 6 εβδομάδες, σε περίπου 4,5 εκατομμύρια καρδιακούς παλμούς».
Έγκριση από τον FDA
Με το ψηφιακό δίδυμο της Ράντλες οι γιατροί μπορούν όχι μόνο μπορούν να μετρούν τον σφυγμό και την αρτηριακή πίεση ενός ασθενούς, αλλά και να «κατασκοπεύουν» το αίμα καθώς ρέει μέσα στο αγγείο. Μπορούν να παρατηρούν στροβιλισμούς στη ροή του αίματος, αλλά και τις πιέσεις που ασκούνται στα τοιχώματα των αγγείων, οι οποίες συσχετίζονται με καρδιακές παθήσεις.
Η Ράντλες είναι σίγουρη για την ακρίβεια των προβλέψεων του μοντέλου της, καθώς το έχει εφαρμόσει σε 200 ασθενείς, στο πλαίσιο μιας μελέτης. Εκεί ο HARVEY έδειξε με ακρίβεια και μη επεμβατικά τις μετρήσεις που χρειάζονται για να αποφασιστεί εάν ένας ασθενής πρέπει να λάβει stent ή όχι.
«Συνήθως τοποθετείται ένα σύρμα-οδηγός μέσα στην αρτηρία για τη μέτρηση της πίεσης πριν και μετά από οποιαδήποτε στένωση. Η αναλογία αυτών των δύο ενδείξεων ονομάζεται ‘Κλασματική Εφεδρεία Ροής’ (FFR -Fractional Flow Reserve). Εμείς με την προσομοίωση, υπολογίσαμε την FFR μη επεμβατικά».
Η Ράντλες με το μοντέλο της προχώρησε ακόμη ένα βήμα παραπέρα. Αποκάλυψε ένα μοτίβο στροβιλισμού της ροής του αίματος που προβλέπει μελλοντικές επιπλοκές καλύτερα από τη FFR. Με αυτόν τον τρόπο εντοπίστηκαν ασθενείς που ενώ έδειχναν υγιείς με τις συμβατικές μετρήσεις, αργότερα εμφάνισαν προβλήματα.
Αξίζει να σημειωθεί πως τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές, η μη επεμβατική «ψηφιακή FFR» έχει ήδη εγκριθεί από τον FDA για χρήση σε συγκεκριμένα πλαίσια. Ωστόσο, όπως λέει η επιστήμονας, ένα ολοκληρωμένο ψηφιακό δίδυμο πιθανότατα να χρειαστεί ακόμη μερικές δεκαετίες επιστημονικής δουλειάς.
Για να προβλέψει τις ασθένειες του αύριο, η Ράντλες αντλεί πληροφορίες από wearable συσκευές- φοράει και η ίδια εξάλλου- που όμως παράγουν έναν τεράστιο όγκο δεδομένων, προβληματικό ίσως στη διαχείριση, όπως παραδέχεται.
«Είναι ένα μεγάλο πρόβλημα για εμάς αυτή τη στιγμή. Είναι πολλά τα δεδομένα. Εκτελούμε προσομοιώσεις σε έως και 580 εκατομμύρια ερυθρά αιμοσφαίρια που παράγουν terabytes έως petabytes δεδομένων», αναφέρει. Για αυτό και η ομάδα της προσπαθεί να μειώσει τις υπολογιστικές απαιτήσεις χρησιμοποιώντας εργαλεία μηχανικής μάθησης.
Μια λίστα από διακρίσεις
Η Ράντλες έχει συμπεριληφθεί, μεταξύ άλλων, στις λίστες των Νέων Επιστημόνων του Παγκόσμιου Οικονομικού Φόρουμ και του MIT Technology Review με τους 35 Κορυφαίους Καινοτόμους του Κόσμου κάτω των 35 ετών. Κατέχει 120 αμερικανικά διπλώματα ευρεσιτεχνίας και έχει δημοσιεύσει 71 επιστημονικά άρθρα.
Όπως μου λέει, ήθελε πάντα να σπουδάσει φυσική, αλλά να κάνει κάτι που να έχει εφαρμογή στην υγεία. Οι σπουδές της ωστόσο συνέπεσαν με την έναρξη του Προγράμματος του Ανθρώπινου Γονιδιώματος και αυτό της έδωσε κίνητρο.
«Στο πλαίσιο ενός προγράμματος βιοτεχνολογίας στο Duke επισκέφτηκα το Ινστιτούτο Craig Venter και ένα εργαστήριο των National Institutes of Health (NIH). Εκεί συνέλεγαν τόσα πολλά δεδομένα και έψαχναν τρόπους να τα αναλύσουν. Συνειδητοποίησα τότε πως η επιστήμη των υπολογιστών θα μπορούσε να συνεισφέρει σημαντικά στην απάντηση βιολογικών ερωτημάτων και ενθουσιάστηκα».
Αποφοιτώντας από το Πανεπιστήμιο Duke με πτυχίο φυσικής και πληροφορικής, ασχολήθηκε για τρία χρόνια με τους υπερυπολογιστές Blue Gene στην IBM. Το ωραίο είναι πως δεν ήξερε καν τι ήταν υπερυπολογιστής όταν προσλήφθηκε. Όμως δεν παρέμεινε πολύ στην εταιρεία. Επέστρεψε στα πανεπιστημιακά έδρανα για να εκπονήσει το διδακτορικό της στην εφαρμοσμένη φυσική στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ, υπό την επίβλεψη του κορυφαίου Έλληνα Καθηγητή Ευθύμιου Καξίρα. Εκεί ανέπτυξε τον HARVEY, τον οποίο ‘κουβάλησε’ μαζί με τις αποσκευές της στο δικό της εργαστήριο στο Duke.
Σήμερα, μαζί με την ομάδα της συνεχίζει να βελτιώνει και να επεκτείνει τις βιοϊατρικές χρήσεις του μοντέλου και στα καρκινικά κύτταρα. Πρόσφατα ανέπτυξε την υπολογιστική μέθοδο Adaptive Physics Refinement (APR) που επιτρέπει τη μελέτη των κυτταρικών αλληλεπιδράσεων σε μεγάλες αποστάσεις, υποδεικνύοντας γιατί ορισμένα καρκινικά κύτταρα κάνουν μετάσταση σε συγκεκριμένα σημεία.
«Μπορούμε να καταγράψουμε την κίνηση ενός καρκινικού κυττάρου σε απόσταση 20 εκατοστών, όταν το μέγιστο που επιτυγχάνουν άλλες μέθοδοι είναι μερικά χιλιοστά», εξηγεί. Αυτό ίσως αρκεί για να μοντελοποιήσει τον τρόπο που ορισμένες ουσίες μπορούν να ακινητοποιήσουν τα καρκινικά κύτταρα, για παράδειγμα.
Η Αμάντα Ράντλες δεν θεωρεί ότι υπάρχουν όρια στην προσομοίωση της ανθρώπινης υγείας με το μοντέλο της, παρά μόνο προκλήσεις. «Σε ένα επόμενο στάδιο θα προσπαθήσουμε να ενσωματώσουμε δεδομένα από πολλά διαφορετικά ανθρώπινα συστήματα, όπως το νευρικό και το λεμφικό σύστημα, αν και είναι λίγο περίπλοκο. Νομίζω ότι θα τα καταφέρουμε», λέει.
Παρόλα αυτά, το ψηφιακό της δίδυμο δεν έχει καταφέρει να προβλέψει την καρδιακή προσβολή. Τουλάχιστον όχι ακόμη.
Η τελευταία ερώτηση που κάνω στη Ράντλες ολοκληρώνοντας αυτή τη συζήτηση είναι αν έχει φτιάξει το δικό της ψηφιακό δίδυμο.
«Όχι», μου απαντά γελώντας, «αν και έχω μαζέψει όλα τα data. Μου λείπουν οι σαρώσεις και πρέπει να βρω χρόνο και κάποιον να μου κάνει την απεικόνιση!».
