Hoe digital twins in de gezondheidszorg levens kunnen redden

Zo’n tien jaar geleden begon technologiebedrijf TCS aan de ontwikkeling van zijn eerste digitale twin. In eerste instantie ging het alleen om een digitale neus, nadat dit succesvol verliep werden digital twins gemaakt van andere lichaamsdelen zoals longen, harten en darmen. “Om digital twins goed te laten werken is veel historische data nodig van patiënten en gezonde mensen”, legt Srini Jayaraman uit. Hij is hoogleraar en leidinggevend onderzoeker en hoofd van het Digital BioTwin-programma bij Tata Consultancy Services. Frank Diana, managing partner bij TCS, vertelt dat hij in afgelopen jaren een snelle toename in de mogelijkheden van digitale twins ziet. Het bedrijf werkt samen met marktpartijen en universiteiten aan allerlei digital twins.

‘Uiteindelijk het hele menselijk lichaam’

Het bedrijf breidt zijn verzameling digital twins langzaam uit. De uiteindelijke missie van TCS is om van het gehele menselijk lichaam een digital twin te kunnen maken. “We kiezen de lichaamsdelen en organen deels op basis van behoeften uit de markt. Ieder orgaan is uniek, er is voldoende data nodig om betrouwbare voorspellingen te doen. Het kan gaan om gegevens over hoe kankercellen zich ontwikkelen en gedragen, maar we kunnen ook data invoeren van de effecten van een bepaalde hoeveelheid lichaamsbeweging. We hebben ook een digital twin van de menselijke huid, waarop cosmetische bedrijven de impact van een nog niet op de markt gebrachte crème op huid kunnen testen, of de werking van medicatie via injecties.”

Momenteel ontwikkelt TCS ook een digital twin van een menselijk hart. Deze kan worden aangepast naar een hart van een persoon die is geïnfecteerd met covid-19. “Op de digital twin kunnen we vervolgens voor zo’n nieuw virus of nieuwe variant medicijnen die zich in de onderzoeksfase bevinden of die al op de markt zijn, testen. In een korte tijd meten we de bijeffecten van medicijnen, waardoor we een goed beeld krijgen van de impact op het hart.” Naast effecten van medicijnen is het ook mogelijk om de reactie van een digital twin-hart te testen met een bepaalde hoeveelheid lichaamsbeweging zoals hardlopen. “De mogelijkheden om te testen op lange termijneffecten komen met name van pas bij producten die nog op de markt moeten worden gebracht en soms dierproeven moeten uitvoeren om veiligheid te garanderen.”

Veel vraag naar digitale neus

Naar de digital twin van de neus is veel vraag. Met zo’n digitale neus kan bijvoorbeeld de effectiviteit van neussprays worden voorspeld, maar ook het succespercentage van een operatie zoals een operatie aan de bijholtes van de neus. “Bij ongeveer een kwart van dit type operaties moet er later opnieuw geopereerd worden. Met de digital twin die wij hebben is het mogelijk om op basis van de data die tijdens een diagnose zijn verzameld te voorspellen of de kans op een succesvolle operatie voor een persoon groot of klein is. Zo kan er op voorhand een aanbeveling worden gedaan aan patiënten.”

Hoe weten de onderzoekers of de digitale kopie inderdaad een exacte kopie van het hart van de persoon in kwestie? “De data die voor de digitale variant wordt gebruikt wordt vergaard met behulp van bijvoorbeeld een CT-scan of een MRI-scan. Zo begint de eerste personalisatie van het digitale hart. Daarna voeren we bloedtesten uit, om zo het weefsel van het hart in kwestie te leren kennen en het model van het werkelijke hart meer accuraat te maken. Vervolgens is het een kwestie van historische data laten binnen vloeien op de digital twin om effecten te meten over een langere periode.”

100% accuraat bestaat niet

Het meest complexe orgaan om digitaal na te bootsen is volgens Jayaraman het hart. Naast de CT-scan en de MRI en bloedtesten, is hier ook een elektrocardiogram (EGK of ECG genoemd) bij nodig die elektrische signalen in het hart registreert. Met deze veel voorkomende en pijnloze test kunnen in ziekenhuizen hartproblemen worden gevonden. Om de toevoer en eventuele blokkades in het hart op te sporen wordt er gewerkt met ultrasound. “In totaal zijn er wel zes of zeven verschillende tests nodig om een orgaan helemaal te leren kennen”, vertelt Jayaraman. Met digital twin ligt dit aantal  lager. Vaak kan een MRI-scan al volstaan, soms is daarnaast nog een bloedtest nodig. En bij symptomen moet ook weefsel worden onderzocht. Een digitale tweeling kan uiteindelijk heel dicht bij het werkelijke hart komen, maar een 100% accuraat digitaal model bestaat niet.

Om de mogelijkheden van digital twins volledig te benutten zijn er volgens TCS wereldwijde standaarden nodig voor de digitale gezondheidzorg. Nu zijn deze in ieder land anders, waardoor sommige landen volop met digital twins aan de slag kunnen en anderen niet. “Hoe betrouwbaar moet een model precies zijn om voorspellingen te mogen doen voor echte patiënten? Overheden zijn aan zet om daar een besluit over te nemen”, aldus Jayaraman.

Sommige overheden zijn daar al mondjesmaat mee begonnen. “In Europa, maar ook de Verenigde Staten worden de mogelijkheden van digital twins verkent. Tussen de verschillende landen bestaan echter een aantal verschillen.” Volgens Jayaraman zijn universiteiten in Europa al ver met de technologie, maar blijft het in de praktijk vaak bij pilots. “In India wordt online dienstverlening ontwikkeld voor digital twins, waar wij bij betrokken zijn. De betrouwbaarheid van modellen die we leveren zijn jarenlang getest. We werken met open source data en gevalideerde experimenten. De echte behandelingen die daarop volgen, scherpen de digital twins nog verder aan qua betrouwbaarheid.”

Levens redden met digital twins

In de toekomst hoopt TCS een digitale variant van het gehele menselijke lichaam te ontwikkelen, zodat iedereen digitaal kan testen hoe zijn of haar lichaam reageert onder hypothetische omstandigheden zoals heftige weersomstandigheden, medicijngebruik en sporten. “Medicijnen worden nu vaak jaren van de markt gehouden vanwege onbedoelde bijeffecten, die pas na een langere periode duidelijk worden. Met digital twins zou je deze processen kunnen versnellen en eerder mensen kunnen helpen. Waardoor je uiteindelijk mogelijk levens kan redden.”