תאום וירטואלי לפני ניתוח: מחלת הלב של הבת הובילה את אביה לפתח חזון טכנולוגי פורץ דרך

עבור סטיב לוין, מנהל בכיר בחטיבת המודלים האנושיים בענקית הטכנולוגיה הצרפתית "דאסו סיסטמס", האישי והמקצועי התמזגו לכדי חזון טכנולוגי פורץ דרך. בתחילת דרכו המקצועית, עוד בטרם הצטרף לדאסו סיסטמס, בתו ג'סי אובחנה עם "תסמונת הטרוטקסיה", שבו האנטומיה של הלב מתפתחת בצורה חריגה. לעיתים, הלב עשוי להיות ממוקם בצד ימין של בית החזה, ולעיתים חדרי הלב עשויים להיות מופרדים שלא כראוי. "כל מקרה לגופו".

כדי שליבה ימשיך לפעום, בתו של לוין נזקקה להשתלת קוצב לב, אך בשל מבנה הלב החריג שלה זו היתה פרוצדורה בעלת סיכון רב. למנתחים לא היתה כל דרך לתכנן ולתרגל מראש את מהלך הניתוח. זו סיטואציה כה שונה מהעולם ההנדסי, שבו ניתן כיום לבצע סימולציות דיגיטליות מאוד מהימנות ולבדוק כיצד תתנהג המערכת בתנאים שונים בעולם האמיתי.

למעשה, זו בדיוק המומחיות של דאסו סיסטמס. שפלטפורמות התכנון שלה מאפשרות לחברות בתחום התעופה והחלל, הרכב והתעשייה, לפתח מערכות הנדסיות מורכבות כמו מטוס, מכונית או גשר, באמצעות ייצוגים דיגיטליים תלת-מימדיים ודינמיים, או "תאומים דיגיטליים" (digital twins).

אם ניתן לפתח סימולציות למכונות הנדסיות, מדוע לא ל"מכונות ביולוגיות". כך, מתוך שילוב שבין האישי והמקצועי, לוין חשב על הרעיון להוביל בתוך החברה פרויקט חדש ושאפתני, "הלב הפועם" (The Living Heart): "תאום דיגיטלי" של הלב האנושי, שידמה את המבנה האנטומי, האלקטרו-מכני וההידראולי של הלב. מודל דיגיטלי כזה יאפשר לסטודנטים לרפואה לתרגל מגוון רחב של תרחישים ופרוצדורות, לחברות תרופות ומכשור רפואי לערוך חלק נכבד מהניסויים הקליניים בסביבה דיגיטלית, ולמנתחים לתכנן ולהתאמן מראש לקראת פרוצדורות מורכבות, כמו השתלת קוצב לב בילדה עם לב "מיוחד".

ג'סי לוין, אגב, החלימה לחלוטין, וכיום היא ד"ר לנוירוכירורגיה, המתמחה בנוירולוגיה התפתחותית של ילדים - אבל פה לא נגמר הסיפור של הלב הפועם.

קיצור זמן וצמצום עלויות הפיתוח

לא מכבר ציינו בדאסו סיסטמס עשור להולדת הפרויקט, שבו זכה המיזם גם להכרה מצד עולם הרפואה ותעשיית התרופות - וגם מצד הרגולטור. בריאיון מיוחד ל"ישראל היום" אומר לוין, שממשיך להוביל את הפרויקט: "אחד הדברים הכי מרגשים הוא לראות כיצד הפרויקט זוכה לאימוץ ונותן מענה לאתגרים אמיתיים לאורך כל מחזור החיים של מוצרים רפואיים, מפיתוח ראשוני ורגולציה ועד שימוש קליני".

התחום שבו נראה האימוץ המהיר ביותר הוא תעשיית המכשור הרפואי. חברות כמו מדטרוניק, אדוורדס, אבוט ובוסטון סיינטיפיק משתמשות במודל כדי לדמות התקנים מושתלים כמו קוצבים, שסתומים וסטנטים, על מגוון רחב של תרחישים פיזיולוגיים.

"במקום להסתמך על ניסויים בבעלי חיים או ניסויים קליניים מוקדמים, החברות הללו מדמות איך המכשיר יתפקד עם הלב האנושי בתנאים מגוונים, כולל הפרעות קצב וחריגות מבניות. התוצאה היא קיצור זמן וצמצום עלויות הפיתוח, ושיפורים משמעותיים בבטיחות וביעילות של המוצרים", אומר לוין.

לדברי לוין, גם תעשיית התרופות מגלה עניין ראשוני אך גובר בפרויקט, במיוחד לחיזוי תופעות לוואי לבביות. "חברות פארמה מנסות לצמצם את ההתבססות על מודלים של בעלי חיים. חברות תרופות משתמשות במודל לצורך זיהוי רעילות והשפעות חשמליות", הוא אומר.

בעקבות הפרויקט, גם ה-FDA מכיר כעת רשמית בשימוש בפתרונות סימולציה דיגיטלית כחלק קביל בהליכי ניסוי והוכחה קליניים. "זהו שינוי מהותי באופן שבו אנחנו מגדירים ממצאים ברפואה".

תפיסה הוליסטית של גוף האדם

לאור הצלחת "הלב החי", פרויקט שעורר בתחילת דרכו לא מעט ספקות וסימני שאלה, באחרונה הכריזה דאסו סיסטמס על פיתוח תאומים דיגיטליים של איברים נוספים: הכבד, הריאות, והיהלום שבכתר - המוח. "זה יספק תפיסה הוליסטית של גוף האדם. ככל שאנו מתרחבים מהלב לאיברים אחרים אנו נתקלים באתגרים מדעיים וטכניים חדשים", מסביר לוין. "לכל איבר יש דינמיקה ייחודית. בכבד מתקיימים תהליכים כימיים רבים, יש לו יכולת התחדשות תאים, והרכבו משתנה מאוד מאדם לאדם. הריאות הן בעלות תכונות פיזיות שבין מוצק לנוזל".

לדברי לוין, המוח הוא אתגר אחר לגמרי. "המוח מוסיף רמת מורכבות חדשה - הוא נמדד לא רק פיזיולוגית אלא גם קוגניטיבית. מדובר במיליארדי נוירונים, רשתות מורכבות, ודפוסים תלויי-זמן שמעצבים זיכרון, התנהגות ותפיסה. המוח דורש מודלים רבי-מימדיים, מהתנהגות תעלות סינפטיות ועד קוגניציה. כדי ליצור 'מוח וירטואלי' מדויק נצטרך ללכת מעבר לאנטומיה, אל סימולציה דינמית של תודעה. זה יפתח פתח להבנה עמוקה יותר של אפילפסיה, אלצהיימר ודיכאון".

1,600 לבבות וירטואליים

פריצות הדרך האחרונות בתחום הבינה המלאכותית עשויות לפתוח אפיקים חדשים ומבטיחים לפרויקט הלב החי. החזון הוא לפתח עידן של תאומים דיגיטליים מותאמים אישית עבור כל מטופל, לפני כל פרוצדורה רפואית. "AI תופסת מקום גדל והולך בפרויקט. היכולות החישוביות מאפשרות לבצע אוטומציה של המרת מידע אישי של מטופל לתאום דיגיטלי פרטני מאוד שמתכייל באופן דינמי, ולספק לרופאים ומנתחים מידע רב ערך. זה גם מאפשר לייצר בזמן קצר אינספור 'מטופלים וירטואליים' לצורך ניסויים קליניים ויצירת דאטה סינתטי לאימון מודלים. זה פותח פתח לעידן שבו רפואה מותאמת אישית וחיזויית זו הנורמה", אומר לוין.

הפרויקט נולד, כאמור, מתוך תחושת חוסר האונים שחווה לוין לנוכח מצבה של ביתו. לכן, עבורו יש משמעות סמלית מיוחדת לעובדה כי השימוש הקליני הבשל ביותר של "הלב החי" הוא בקרדיולוגיית ילדים. "בשיתוף עם בית החולים לילדים של בוסטון, בכ-1,600 ניתוחים של ילדים נוצרו מודלים וירטואליים של הלב שלהם כחלק מהליך ההכנה הקדם-ניתוחי. במקרים רבים, ניתוחים שבעבר היו בעלי סיכויי הצלחה נמוכים הסתיימו הודות לגישה הזו בהצלחה".

הכותב היה אורח של "דאסו סיסטמס" בקמפוס החברה בפריז.