虚拟人类双胞胎（Virtual Human Twin, VHT）：数字健康研究的登月计划

作者与发表信息
本文由Marco Viceconti（意大利博洛尼亚大学工业工程系及IRCCS Rizzoli骨科研究所医学技术实验室）、Maarten de Vos（比利时鲁汶大学ESAT-STADIUS及发育与再生学系）、Sabato Mellone（意大利博洛尼亚大学电气、电子与信息工程系）和Liesbet Geris（比利时列日大学VPH生物医学整合研究所及GIGA In Silico Medicine中心）共同撰写，发表于2024年1月的*IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics*（第28卷第1期）。

主题与背景
本文是一篇立场论文（position paper），旨在提出“虚拟人类双胞胎”（VHT）的构想，并呼吁学术界、产业界和监管机构共同推动这一“登月计划”。VHT的目标是构建一个系统性、分布式的基础设施，整合人类病理生理学的定量数据和模型，以加速数字孪生（Digital Twins in Healthcare, DTH）在医疗领域的开发与应用。

核心观点与论据

1. 从数字孪生到虚拟人类双胞胎的演进

   • 现状与挑战：当前DTH技术多聚焦于解决特定临床问题（如HeartFlow FFRct用于冠状动脉狭窄评估），但模型高度专业化且碎片化，限制了其广泛应用。
     
   • VHT的定位：VHT并非单一模型，而是支持DTH开发的协作平台，包含数据、模型、标准操作流程（SOP）和分布式基础设施。其核心是通过整合多尺度（multiscale）、多系统（multisystem）模型，解决现有DTH的孤立性问题。
     
   • 支持依据：作者引用欧洲委员会支持的EDITH协调行动（Coordination and Support Action），强调VHT需通过共识流程定义技术路线图（如数据空间架构、模型互操作性）。
     

2. VHT的技术框架与六维数据空间

   • 数据对象（Data Objects）与模型对象（Model Objects）：
     
     • 数据对象需遵循FAIR原则（可查找、可访问、可互操作、可重用），并标注类型（Data Object Type, DOT）和位姿（Data Object Pose, DOP）。
       
     • 模型对象作为“数据空间爬虫”，自动执行输入-输出转换，支持批处理与远程调用。
       
   • 六维数据空间：
     
     1. 空间维度：基于标准人体解剖模板（VHT Anatomical Template）映射数据位置。
        
     2. 时间维度：支持实验日期、年龄和生命周期归一化表示。
        
     3. 可信度维度：数据需标注来源、测量误差及认证等级（如ASME VV-40标准）。
        
     4. 聚类维度：支持按人群特征（如性别、疾病状态）分层数据。
        
     • 案例：作者以3D人体扫描数据为例，说明如何通过刚性/弹性配准生成解剖模板。
       

3. VHT对七大挑战的解决方案

   • B1（模型不足）：通过共享模型库和协作开发降低多尺度建模门槛。
     
   • B2（数据缺乏）：建立公共验证数据集（如建模挑战赛生成的基准数据）。
     
   • B3（监管障碍）：推动EMA（欧洲药品管理局）对计算机模拟试验（In Silico Trials, IST）的资格认证。
     
   • B4（信息壁垒）：构建统一信息空间，连接研究者、临床医生与监管机构。
     
   • B5（可扩展性）：结合AI加速机制模型（如物理信息机器学习）。
     
   • B6（人才短缺）：利用VHT数据池开发教育工具。
     
   • B7（商业模式）：探索数据共享的信用机制与商业化路径。
     

4. 生态系统与实施路径

   • 动态演进：VHT生态系统初期依赖公共资金，逐步过渡为公私合营模式，通过内部信用体系实现可持续性。
     
   • 分布式架构：支持联邦学习（federated approach），允许数据与模型在隐私/技术限制下跨机构迁移。
     
   • 用户视角：临床医生可调用VHT预测个体化疗效，企业可复用模型降低研发成本。
     

意义与价值
1. 科学价值：VHT首次提出系统性整合人类病理生理学数据的框架，推动计算医学（In Silico Medicine）从单点突破转向全局协作。
2. 应用价值：为个性化医疗（如临床决策支持）和医药研发（如替代动物试验）提供基础设施。
3. 政策影响：通过EDITH行动协调欧盟范围内的标准制定，为全球数字健康治理提供范本。

亮点
- 创新性：提出“六维数据空间”理论，将复杂生物数据统一映射至标准化参考系。
- 协作性：强调跨学科、跨部门合作，涵盖从基础研究到商业化的全链条。
- 前瞻性：呼应欧盟“数字十年”（Digital Decade）战略，将VHT定位为下一代健康技术核心。

其他关键内容
- 文中多次引用历史项目（如IUPS Physiome、Virtual Physiological Human）以说明技术传承。
- 强调伦理与法律合规性需后续共识（如GDPR下的数据匿名化）。
- 附录提供EDITH路线图草案链接（Zenodo记录），供读者延伸阅读。

（注：本文为类型b的学术报告，基于立场论文的特点，侧重观点提炼与框架解析，未按原始研究论文的流程展开。）