디지털 트윈은 실제 환경에서 수집된 데이터를 외삽하여 생성된 물리적 개체 또는 프로세스의 가상 복제본이다. 디지털 트윈을 사용하면 물리적 개체에 해를 끼칠 위험 없이 시뮬레이션을 실행할 수 있다. 예를 들어 공장에서 얻은 효율성 향상을 알리고 제트 엔진의 신뢰성을 보장하는 데 도움이 된다.

 

데이터 수집 및 컴퓨터 모델링이 빠르게 발전함에 따라 디지털 트윈 기술의 사용 사례도 발전했다. 그리고 이러한 추세의 일환으로 언젠가 "생물학적" 디지털 트윈을 서비스하기 위한 개발이 진행 중이다.

 

이것은 매우 흥미로운 내용이다. 이는 디지털 발전의 최첨단을 나타낸다. 우리의 가까운 미래에는 무인 차량을 배치하거나 우주로 즐거운 탑승을 가능하게 하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있는 디지털 플랫폼이 있다. 바이오 디지털 트윈이 쇠약해지는 질병의 발병을 예방하고 건강을 증진하는 데 도움이 될 수 있는 날이 오고 있다.

 

NTT Research는 이러한 싹트고 있는 혁명의 한복판에 있다. 일본 통신 대기업 NTT 그룹의 한 부서인 NTT Research는 2019년 7월에 문을 열었으며 최고의 과학자와 연구원을 모아 양자 물리학, 의료 정보학 및 암호학의 한계를 뛰어 넘었다.

 

인간의 심장을 위한 바이오 디지털 트윈을 가능하게 할 컴퓨터 모델을 개발하기 위한 NTT Research의 노력을 이끌고 있는 장본인들은 Joe Alexander 박사 및 Jon Peterson 박사이다.

 

삼각 측량 심부전

 

오늘날 제트 여객기 엔진은 치명적으로 고장나는 경우가 거의 없다. 이는 센서가 엔지니어가 디지털 트윈에 제공하는 서비스 중 데이터를 지속적으로 수집하기 때문이다. 수년에 걸쳐 엔지니어가 엔진 고장의 힌트를 삼각 측량하고 사전에 문제를 해결할 수 있도록 계산 모델이 완벽해졌다.

 

 

NTT Research는 인간의 심장, 순환 및 심혈관 조절 시스템의 원활한 기능과 관련하여 이와 유사한 것을 달성하기 시작했다. 당면한 과제는 작은 것이 아니다.

 

Alexander 박사는 "심혈관 제어 시스템은 제트 엔진보다 훨씬 더 복잡하다. "우리가 직면한 도전은 제트 엔진 작동 방식에 대해 알고 있는 것보다 더 많은 리소스와 지능을 필요로 하는 것이다."고 말한다.

 

그는 심혈관 질환이 전 세계적으로 주요 사망 원인이기 때문에 인간의 심장은 바이오 디지털 트윈을 추구하기 시작하기에 논리적인 장소라고 말했다. NTT Research는 두 가지 야심 찬 전선에서 정부와 민간 심혈관 연구 기관의 글로벌 협력을 주도하기 위해 한 걸음 더 나아갔다.

 

 

하나는 미세 유체 수준에서 심장이 어떻게 기능하는지에 대한 데이터를 실시간으로 수집할 수 있는 나노 센서를 완성하는 것이다. 여기에는 매우 정확한 입력 및 출력 판독 값을 제공할 수 있는 소수의 특수 세포로 사람의 줄기세포를 접종하는 것이 포함된다.

 

동시에 인간의 심장과 순환계의 컴퓨터 모델링에 대한 주요 발전이 필요하다. 특히 문제가 발생했을 때 시스템이 작동하는 방식과 특정 치료법이 도입되었을 때 시스템이 반응하는 방식.

 

실제로 Peterson박사는 우리가 인간의 심장에 대한 상당히 단순한 모델로 시작할 수 있다고 말했다. 그러나 그렇다 하더라도 심장이 제 기능을 하지 못하는 원인이 될 수 있는 변수의 끝없는 조합이 있다. 이것은 한마디로 거대한 컴퓨터 모델링 퍼즐로 해석된다.

 

이 퍼즐을 맞추기 시작하기 위해 NTT Research는 의사가 급성 심근 경색 또는 급성 심부전으로 고통받는 사람을 치료할 때라는 매우 구체적이고 중요한 시나리오를 다루는 모델을 구축하기 시작했다.

 

이 경우 환자의 디지털 트윈을 사용하여 약물 치료를 시뮬레이션할 수 있다. 연구원의 매우 구체적인 목표는 응급 상황에서 어떤 약물 치료가 가장 효과적인지 결정하는 프로세스를 자동화하는 바이오 디지털 트윈을 설계하는 것이다.

 

"우리는 이제 막 시작했고 앞으로 해야 할 일이 많다."라고 Alexander 박사는 말한다. "우리는 아마도 8년에서 10년 이내에 시작하기 위해 국립 심혈관 센터에서 사람들에 대한 약간의 개념 증명 연구를 수행해야 한다."

 

획기적인 플랫폼

 

NTT Research의 Medical & Health Informatics Lab 소장인 Alexander 박사가 NTT Research의 바이오 디지털 트윈 프로젝트를 이끄는 선임 과학자로 Peterson 박사를 영입했다고 한다. Peterson은 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 심혈관 의료 기기 설계 및 개선에 대한 배경 지식을 가진 생물의학 엔지니어이다.

 

엔지니어링 관점에서 Peterson 박사의 사명은 전산 유체 역학 접근 방식에 대한 획기적인 대안을 개발하는 것이다. 급성 심부전을 안정적으로 완화할 수 있는 생물학적 디지털 트윈은 다른 어떤 것 과도 비교할 수 없는 펌프 및 밸브 메커니즘을 최대 기울기로 작동하도록 설계된 다른 플랫폼과 비교할 수 없다.

 

Peterson 박사는 "우리가 하고 있는 일에서 가장 흥미로운 점은 우리가 상대적으로 단순한 시스템이지만 매우 복잡한 생리학적 시스템의 맥락에서 기능해야 하는 매우 기계적인 시스템을 다루고 있다는 것이다."고 말한다. "우리가 하고 있는 일에 대한 기계적인 토대를 갖고 있고 실제로 놀라울 정도로 단순한 것은 앞으로 나아갈 수 있는 매우 매력적인 방법이다."

 

NTT Research는 2030년대까지 바이오 디지털 트윈을 제공하기 위한 벤치마크를 달성하는 데 필요한 집중적인 연구와 광범위한 테스트를 지원하고 있다. 그러한 프로토타입은 현대 의학뿐만 아니라 기술 전반에 걸쳐 거대한 도약이 될 것이다.

 

충실도가 높은 인공지능과 생리학적 기반 계산 모델을 다음 단계로 끌어올릴 것이다. 그리고 NTT Research가 물리 및 정보학 연구소와 암호화 및 정보 보안 연구소를 통해 거의 같은 기간에 착수한 기본 연구에서 파생될 것으로 예상되는 양자 컴퓨팅 및 고급 암호화의 주요 발전과 맞물릴 것이다.

 

의학에 대한 영향으로 돌아가서 심부전을 치료하기 위해 바이오 디지털 트윈을 달성하면 훨씬 더 많은 문이 열릴 것이다.

 

Alexander 박사는 다음과 같이 말한다. “급성 심근경색 및 급성 심부전과 관련된 매우 구체적인 목표가 있다. 그러나 심장의 질병을 치료하는 과정에서 우리는 폐, 폐 시스템, 신장을 작동시켜야 하고 신경 제어를 작동시켜야 한다.

 

“그리고 이러한 급성 질환을 치료하려면 4~5일 정도 입원해야 한다. 그래서 우리는 최대 4일 또는 5일까지 다양한 시간 척도를 다룰 수 있는 모델을 구축하고 있다. 그런 다음 이러한 급성 질환에 대한 해결을 마치면 만성 질환으로 이동하고 만성 질환에서 웰빙으로 이동할 수 있다.”

 

분명히, 이 기술 혁신은 혁신적 잠재력을 가지고 있다. 인간 생리학의 다른 결함에 영향을 줄 수 있는 바이오 디지털 트윈을 상상하는 것은 어렵지 않다. 그들은 언젠가 당뇨병, 자폐증 또는 알츠하이머 병을 제거하는 데 도움이 될 수 있다. 물론 그 과정에서 데이터 개인 정보 보호 및 네트워크 보안에 대한 꾸준한 진전이 필요하다.