下载你的身体

查尔斯·泰勒博士很乐意拿你的动脉做实验。他天生就喜欢捣鼓，一次手术就完事对他来说似乎不够有雄心。如果你恰好是数百万患有动脉粥样硬化（动脉斑块危险堆积，阻碍血流，导致疼痛、心脏病发作、中风，甚至死亡）的美国人之一，他尤其感兴趣。如果你把堵塞的动脉交给泰勒，他会扮演血管外科医生，欣喜若狂地为你进行多达五次，甚至十次不同的手术。不久之后，他将觊觎你的心脏、肝脏和肺，对它们进行切割、缝合，并施加各种药物治疗。最终，如果他的愿望得以实现，泰勒将拥有你全身——直至最后一个分子——被困在他想要的地方：在他的电脑里。

泰勒不是医学博士。他是工程学博士，同时也是斯坦福医学院外科和机械工程系的副教授。他从未在活体病人身上动刀修复堵塞的动脉，就像他的外科同事们每天做的那样。相反，他和他的研究生们花时间完善他们发明的一个名为ASPIRE（先进外科规划交互式研究环境）的软件程序。

该程序为血管外科医生提供了一个在网络空间上对患者动脉进行试验的机会，尝试不同的动脉搭桥位置、不同品牌的人造血管以及各种恢复血流的方案。在虚拟现实中，医生可以自由地凭直觉行事，甚至犯错误，并有余地一次又一次地尝试，直到探索完所有选项。然后，只需单击一个按钮，ASPIRE就可以预测哪种选择将产生最佳结果。而目前，每一次血管手术都是一次在实时中进行的“一次性”实验。

克里斯托弗·扎林斯，血管外科主任，一位拥有数十年经验的外科医生，将目前选择合适血管手术方法的过程描述为“猜测”。如果ASPIRE实现了它的承诺，泰勒将从扎林斯的词汇中剔除这个词——并深刻地改变医学实践。

1993年，查尔斯·泰勒还是斯坦福大学机械工程系的博士候选人，他当时致力于开发计算机软件，测试流体在不同材料和形状周围的流动方式。他的研究得到了美国空军的资助，希望他的工作能带来更高效的飞机机翼。那个冬天，他参加了扎林斯关于流体动力学和斑块形成的一个讲座，因为他很好奇想看看这位外科医生的研究是否与他自己的工作有呼应。

大多数血管外科医生专注于修复血管，但扎林斯对疾病系统背后的工程原理很感兴趣。那天他谈到了剪切应力、湍流和压力梯度，这些词汇对泰勒来说都很熟悉。当泰勒听着时，他意识到——在他称之为个人顿悟的时刻——人体血管系统的血流可以归结为机械工程的方程，因此，是计算机辅助设计的合法主题。他当时决定，要创建一个个人动脉的虚拟模型，让外科医生在动刀前能够尝试不同的手术方案。

ASPIRE软件程序可以预测不同血管手术方案带来的血流改善，为外科医生在进行手术前提供新的知识。（1）这个动脉模型显示了临床问题。腹主动脉分支成供给腿部血液的两条股动脉，顶部灰色区域代表危险的堵塞。（下面的堵塞不是问题，因为它没有引起症状。）（2）新的白色分支表示分叉的旁路移植。这里将移植片连接到主动脉侧面，使血流在主动脉和移植血管之间分配。这个选择提供了最大化的总体血流，但可能产生血栓风险，因为血液在主动脉中流动缓慢。（3）外科医生通过端端吻合移植完全绕过主动脉，缝合主动脉的下部。这个手术提供的血流较少，但血栓风险也较低。（4）对于无法承受前两种选择所需开腹手术的患者，侵入性较小的股动脉到股动脉的移植可能是更安全的选择。图片由Charles Taylor提供

扎林斯立即领会了泰勒的设想，并与机械工程系的托马斯·休斯一起，表示支持他的研究。于是泰勒放弃了飞机，开始将他的计算机建模工具改编用于构建虚拟血管系统。“一点也不难，”他说，“流体系统就是流体系统，无论是机翼上方的空气还是血管中的血液。系数不同，但方程本质上是相同的。”

医生们已经使用计算机进行患者内部成像，并实时指导手术。现在有一些程序可以训练外科学生在所谓的“平均病人”身上进行手术。但泰勒的发明是第一个使用个体患者的实际生理数据来预测该患者手术成败的工具。扎林斯今天用于规划手术的工具——铅笔和纸——在工程师看来显得原始。扎林斯可以勾画出他的各种选择：血管成形术还是旁路移植？使用真实的人造血管还是工厂生产的？什么样的管材形状？在哪个点插入？但他无法预测这些选择中的任何一个将在术后如何服务于特定患者。“我们现在做血管手术的方式是‘造出来看看能不能飞’，”扎林斯说。

事实上，泰勒认为他的使命与航空工程师设计飞机的方式非常相似：“他们在一台计算机上建造飞机的模型，数字化它的每一个组件和质量。然后他们在网络空间中驾驶它，让它承受各种风速和飞行模式，并计算它的性能。他们非常擅长模拟飞机、大气和飞行中的各种突发情况，以至于他们可以在实际建造之前就能预测其设计的成功率并进行修改以确保完美。”

与ASPIRE合作过的医生们都感到兴奋。“人类疾病的巨大变异性使情况对我们来说不可预测，”纽约蒙特菲奥里医疗中心和阿尔伯特·爱因斯坦医学院血管外科主任弗兰克·维斯博士说。“我可以为100名患有类似疾病的人做手术，但对于第101名，我仍然不能确定会发生什么。”维斯博士是一位在同行中出类拔萃的人，他说，在选择手术方式时，他仍然“ constantly worried about making the wrong decision”。

ASPIRE旨在将患者血管系统的每一项特征转化为计算机数字，从而创建一个现实的网络渲染。它利用患者可用的所有血管数据：其动脉系统的三维几何形状、血压、粘度和心率。然后，它将这些数据输入到流体动力学中的标准方程中，这些方程在数学上编码了患者系统中每个点的血流和阻力。

有了这些信息，ASPIRE会在屏幕上生成一个三维图形，外科医生可以从任何角度旋转和评估。该图形向外科医生展示了血液如何在血管中流动，哪里流动良好，哪里受阻。在工具栏中，外科医生可以拾取任何他可能需要的器械或设备：各种形状和大小的旁路和分流器，以及用于清除斑块的血管成形术球囊。他可以使用计算机鼠标作为手术刀来操作这些工具。完成手术后，外科医生可以重置程序和基线，以便同一组堵塞的动脉再次出现在屏幕上，准备进行第二次、不同的手术。完成他希望的手术次数后（泰勒估计平均为四次），外科医生单击一个按钮，程序就会开始分析每种手术将产生的新动脉结构，计算修复后的血管将有多少血液流过。

这张67岁研究患者腹主动脉的计算机图像模拟了血液流动的压力在血管内壁上，用从红色到蓝色的颜色范围表示，红色表示最大的血流量，蓝色表示最小的血流量。医生会监测蓝色区域，因为这些是冠状动脉疾病最有可能发生的地方。这位志愿者被选为健康受试者，但ASPIRE描述个体解剖结构的能力通过这张图得到了证明，该图显示了一个潜在的严重问题：主动脉分叉下方隆起处是动脉瘤，患者将来可能会因此次试验性研究的结果而接受治疗。图片由Charles Taylor提供

对泰勒来说，捕捉血管系统的动态只是第一步。血管系统本质上是管道系统，而要复制这个系统所需的患者数据量——大约一吉字节——与泰勒所说的要复制人体所需的数以亿计的吉字节相比，是相对较小的。然而，即使是泰勒对血管系统的建模也对计算机提出了很高的要求。现在运行ASPIRE并对一组手术选择进行建模需要24小时。泰勒正在等待计算机性能再翻几番，这样结果就能在大约一小时内生成，然后他才会将其提供给外科医生。

赢得医学界一场艰难的哲学斗争还需要时间。并非每个人都能轻易相信人类可以像飞机一样被建模。如果我们是有机的，我们怎么可能被数字化？我们难道不是难以言喻地复杂吗？对工程师来说，没有什么是不可以用数字来描述的。“这归结为我们对世界的数学表示，”泰勒说。“如果我们正确地提出问题，计算机就能解决问题。”但如果ASPIRE的问题被错误地提出——如果泰勒的方程不精确，如果他的程序缺少一行代码——那么他的革命就可能失败。他知道它必须是完美的。

所以他不断完善他的方程，编辑他的代码。到目前为止，泰勒已经使用ASPIRE在猪身上进行了试验，寻找虚拟模型与术后实际情况之间的差异。他说他已经很接近了。非常接近，以至于他已准备好在明年初开始跟踪人类患者，将该程序的建议与实际手术结果进行比较，以确定其预测是否准确。泰勒希望他最多在五年内就能完善ASPIRE。

一旦掌握了动脉，泰勒就计划着手处理心脏，然后逐步增加复杂性。“这完全取决于计算能力——以及了解模型的数据集是什么，”他说。“如果血管手术模型被证明是有效的，我们就可以制作出患者特异性的心血管系统、肺部系统，甚至消化系统模型。化疗和肿瘤。最终，药物和细胞。这是一个百年的问题，”他说。“完整的人体是任何人可能试图描述的最复杂的系统，但我们将构建一个数字人类。”

如果它成功了，这可能是终极的还原论成就：不仅仅是血管系统、心脏、肠道、肝脏、骨骼、肌肉或大脑，而是所有这些在一起，它们之间的关系都被 accounted for，一个网络化身——你，刻录在光盘上。