The stochastic digital human is now enrolling for in silico imaging trials -- Methods and tools for generating digital cohorts

تخيل أنك طبيب أو صانع أجهزة طبية، ولديك جهاز أشعة سينية جديد أو طريقة جديدة لفحص الجسم، وتحتاج إلى إثبات فاعليته قبل أن تتمكن من بيعه للمستشفيات. عادةً، يتعين عليك إجراء تجربة سريرية. وهذا يعني العثور على مئات الأشخاص الحقيقيين، وفحصهم، ومعرفة ما إذا كان الجهاز يكتشف الأمراض بشكل صحيح.

تجادل هذه الورقة بأن هذه العملية بطيئة، ومكلفة، وأحياناً تنطوي على مخاطر للأشخاص المشاركين. بدلاً من ذلك، يقترح المؤلفون نسخة "ألعاب فيديو" من هذه التجربة. إنهم يريدون بناء عالم افتراضي مليء بـ بشر رقميين لاختبار الأجهزة.

إليك تفصيل لأفكارهم، باستخدام تشبيهات بسيطة:

1. الهدف: "الملعب الافتراضي"

فكر في التجربة السريرية الحقيقية كأنها بطولة رياضية ضخمة. أنت بحاجة إلى رياضيين حقيقيين (مرضى) للعب المباراة. لكن العثين على اللاعبين المناسبين أمر صعب؛ فقد يُصاب بعضهم، أو ينسحب بعضهم، أو قد لا يتوفر لديك عدد كافٍ من اللاعبين من خلفيات معينة (مثل طوال القامة جداً أو الأشخاص الذين يعانون من مرض نادر محدد).

يريد المؤلفون بناء ملعب افتراضي (يسمى تجربة in silico). في هذا الملعب، "الرياضيون" هم بشر رقميون عشوائيون (Stochastic Digital Humans).

• "Stochastic" هي كلمة معقدة تعني "عشوائي". وهذا يعني أن هؤلاء البشر الرقميين ليسوا مجرد نسخ متطابقة؛ بل يتم إنشاؤهم بتنوع عشوائي في الحجم، والشكل، وكثافة الأنسجة، تماماً مثل البشر الحقيقيين.
• الهدف هو إنشاء حشد من آلاف هؤلاء البشر الرقميين حتى تتمكن من اختبار جهازك الطبي على مجموعة ضخمة ومتنوعة من الناس دون الحاجة أبداً لطلب وقوف شخص حقيقي داخل جهاز الفحص.

2. طاقم الشخصيات: كيف نبني هؤلاء البشر؟

تشرح الورقة أن هناك طرقاً مختلفة لبناء هؤلاء البشر، تماماً كما قد تبني شخصية في لعبة فيديو.

أ. "الأفاتار" الواقعي (النماذج الفردية)

• النماذج الشخصية: تخيل أخذ صورة رنين مغناطيسي لشخص معين وتحويلها إلى توأم رقمي ثلاثي الأبعاد. هذا رائع للتخطيط لجراحة ذلك الشخص تحديداً، ولكنه ليس مفيداً لاختبار جهاز على مجموعة سكانية كاملة لأنك ستحتاج أولاً لفحص الملايين من البشر الحقيقيين.
• نماذج العائلات: تخيل "عائلة" صغيرة من البشر الرقميين (أب، أم، وطفلان) بناءً على صور حقيقية. هذا أفضل، لكنه لا يزال صغيراً جداً لتمثيل العالم أجمع.

ب. "المولدات" (نماذج السكان)
للحصول على حشد كبير، تحتاج إلى آلة يمكنها إنشاء بشر من الصفر. تناقش الورقة طريقتين للقيء القيام بذلك:

• طريقة "القالب" (القائمة على الصور): تأخذ مجموعة من الصور الطبية الحقيقية (مثل آلاف الأشعة السينية) وتستخدم الرياضيات لمدّها، وتقليصها، وخلطها لإنشاء صور جديدة.
  • العيب: إذا كانت صور الأشعة السينية الحقيقية لديك ضبابية أو تحتوي على "ضجيج"، فإن بشرك الرقميين سيرثون تلك العيوب. الأمر يشبه محاولة خبز كعكة مثالية باستخدام وصفة عليها حبر ملطخ.
• طريقة "المخطط" (القائمة على المعرفة): بدلاً من نسخ صور حقيقية، تكتب مجموعة من القواعد (مخطط) بناءً على علم الأحياء. تخبر الكمبيوتر: "اصنع ثدياً يحتوي على 50% من الدهون و50% من الأنسجة الغدية، مع تفرع الأوعية الدموية مثل الشجرة".
  • الفائدة: يمكنك توليد ملايين البشر الفريدين بهذه الطريقة، بما في ذلك الأنواع النادرة التي قد لا توجد في قاعدة بيانات الصور الخاصة بك.
  • العيب: إذا كانت قواعدك خاطئة، فقد تنشئ بشراً رقمياً بـ "كبد" مصنوع من الإسفنج بدلاً من الأنسجة.

3. إضافة "الأشرار" (نمذجة المرض)

التجربة الطبية لا تتعلق فقط بالأصحاء؛ بل تتعلق بإيجاد المرضى أيضاً. كيف تضع ورماً داخل إنسان رقمي؟

• طريقة "الملصق" (القائمة على الصور): تأخذ صورة حقيقية لورم وتلصقها على جسد رقمي.
  • المشكلة: تبدو غير واقعية، مثل ملصق على لوحة. لا تتفاعل مع الأنسجة المحيطة بها.
• طريقة "النمو" (القائمة على المعرفة): تقوم ببرمجة الورم لكي "ينمو" وفقاً لقواعد بيولوجية. إذا كانت الأنسجة المحيطة صلبة، سينمو الورم بطريقة معينة؛ وإذا كانت ناعمة، سينمو بشكل مختلف.
  • الفائدة: هذا يخلق محاكاة أكثر واقعية لكيفية سلوك المرض فعلياً.

4. خدعة "محرر الصور" (التعزيز/Augmentation)

أحياناً، لا يكون لديك عدد كافٍ من البشر الرقميين. لذا، تأخذ من لديك وتعدل عليهم.

• يمكنك تدويرهم، أو تغيير سطوعهم، أو إضافة "تشويش" (ضجيج) إلى الصورة، تماماً مثل استخدام الفلاتر في تطبيقات الصور.
• التحذير: يحذر المؤلفون من أنك إذا عدلت كثيراً، فقد تخلق شيئاً مستحيلاً. على سبيل المثال، إذا جعلت العظم يبدو أنعم من الجلد بالخطأ، فإن نتائج اختبارك ستكون تالفة. يجب أن تكون حذراً لكي لا تكسر قوانين الفيزياء أثناء محاولتك صنع المزيد من البيانات.

5. الدرس الأهم: لا تغش في العينة

هذا هو التحذير الأكبر في الورقة. تخيل أنك تختبر حذاءً جديداً.

• إذا اختبرت الأحذية فقط على العدائين (مجموعة محددة)، فقد تعتقد أن الأحذية رائعة.
• ولكن إذا قمت ببيع الأحذية فعلياً للجميع (بما في ذلك المشاة، أو الراقصين، أو أصحاب الأقدام المسطحة)، فقد تفشل الأحذية.

في العالم الرقمي، من السهل جداً أن تقع في فخ اختيار مجموعة "منحازة" من البشر الرقميين دون قصد.

• الفخ: إذا اخترت بشرًا رقميين عشوائياً دون تفكير، فقد ينتهي بك الأمر بمجموعة معظمها من الأشخاص متوسطي الحجم. قد تغفل عن "القيم المتطرفة" (الأشخاص الضخام جداً أو الصغار جداً).
• النتيجة: تُظهر الورقة أنه إذا اخترت المجموعة الخاطئة، فقد تكون نتائج اختبارك خاطئة تماماً. قد تعتقد أن الجهاز دقيق بنسبة 90% بينما هو في الواقع دقيق بنسبة 77% فقط بالنسبة للعالم الحقيقي.

ملخص

الورقة هي دليل إرشادي لبناء ساحة اختبار افتراضية للأجهزة الطبية.

1. لماذا؟ التجارب الحقيقية بطيئة، ومكلفة، ويصعب تنظيمها.
2. كيف؟ نبني "بشراً رقميين عشوائيين" باستخدام إما بيانات حقيقية (صور) أو قواعد بيولوجية (مخططات).
3. العيب: يجب أن نكون حذرين للغاية للتأكد من أن حشدنا الافتراضي يشبه العالم الحقيقي تماماً. إذا اخترنا "البشر الرقميين" الخطأ للاختبار عليهم، فقد نحصل على إجابة خاطئة، وقد يكون ذلك خطيراً على المرضى الحقيقيين لاحقاً.

يخلص المؤلفون إلى أنه بينما نمتلك الأدوات لبناء هذه الحشود الرقمية، لا نزال بحاجة إلى معرفة كيفية التأكد من أنها واقعية بما يكفي لنأتمنها على حياة البشر.