2025年3月31日，北京一家单位的职工在接受专业急救医生的心肺复苏培训。中青报·中青网记者 李新玲/摄

　　能想象得出吗？一位患有心脏疾病的病人，在手术前，先戴上VR眼镜与医生一起讨论一下手术方案，他们共同面对的是一颗能随意旋转，可以自由缩放，能看到内部结构，甚至能感受到跳动和血液流动的“虚拟心脏”。

　　这是一位血管瘤病人，医生决定装分流器，让一部分血液“改道”，减少对瘤体的冲击，防止破裂。由于瘤体的形状、所在位置，以及血管的形状不同，不同的病人需要设计不同的分流器，这些手术前复杂且重要的环节都是为了达到最佳效果。如果有了“虚拟心脏”的孪生系统，就可以对分流器进行定制化设计。

　　这颗“虚拟心脏”正在打造之中。

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　　如何把心脏“计算”出来

　　房颤是一种很常见的心脏疾病，很多人被它困扰。尤其是65岁以上的老年人，得房颤的比例超过3%；到85岁以后，发病率可能会升到6%以上。现在治疗房颤一般是先用药物控制，如果效果不好，再做一种叫射频消融的手术。

　　手术时，医生会把一根细细的导管伸进心脏里，先找到引起房颤的颤源点，然后用导管在这个位置加热，把周边组织灼热灼伤，形成一道屏障，将颤源部位跟心房的其他正常肌肉组织分离开，从而消除心房颤动。

　　虽然这种方式有效，但房颤射频消融的成功率并不高，目前针对某些持续性房颤的单次消融成功率还达不到50%。这种手术面临两个挑战，先要利用心脏介入技术射频消融点，确定靶点位置；第二个挑战是找到靶点以后，采用什么样的灼燃方式，把房颤消除掉。

　　“用什么样的术式能够达到有效的治疗效果，特别（具有）挑战性。医生往往会尝试不同方案。一个方案一个结果，房颤被消除了，但在手术中会在病人心房里留下很多疤痕，这种疤痕也会造成二次房颤。对于临床医生来讲，这个手术的困难在于选用什么样的手术方式。”张恒贵说。他是北京智源人工智能研究院首席科学家、生命模拟研究中心主任。他带领的团队正在解决这个难题，“我们的工作可以在手术之前做一些预演，制定个性化医疗方式”。

　　回国之前，张恒贵是英国曼彻斯特大学终身讲席教授，计算心脏动力学的开拓者。最近几年，他致力于把前几十年基础研究的成果产品化——构建虚拟心脏系统。“每一个人都能有一个数字孪生的心脏，放到电子病历里面，能够看到疾病的衍生变化，跟踪治疗效果。这就是精准医疗。”

　　那么这样一颗心脏是如何打造的呢？

　　20世纪90年代，张恒贵在国内读博士时的研究方向是“脑科学的非线性动力学”，“利用物理、数学、计算、非线性动力学的方法，通过分析脑电图，推断人脑的动力学行为，比如探究癫痫患者病态脑功能动力学的变化”。

　　到了英国，他发现针对心脏用原理驱动来建模更容易实现，“当时看到心脏病造成的猝死率比较高，至少1/3的死亡是跟心脏、心血管系统紧密相关的”。

　　在张恒贵30多年的研究工作中用到数学、物理、计算、生理、药学、生物学等多学科内容，目前他的团队成员也是多学科构成，“我做这个工作慢慢体会到一点，学科之间不应该有分界线。学科发展到一定程度，都是相互融合、相通的。”

　　计算心脏动力学是这颗正在被打造的“虚拟心脏”的原理基础。

　　心脏是人体的发动机，也有人把它比喻成一个机械泵。电波在心脏里传导，触发心脏肌肉收缩，完成一次缩放物理过程。科学家获得在这个过程中产生的电生理数据，构建出数学方程，从而能够描述出整个心脏，从亚细胞、细胞、组织再到器官一直到人体整个动力学过程。

　　“人工智能的发展为心脏医学研究、临床应用提供了新范式。我们用数据驱动和原理驱动两方面结合，构建AI心脏诊疗模型与数字孪生心脏模型，为心血管疾病诊断、疾病产生机理挖掘提供赋能。”张恒贵介绍，“虚拟心脏”的构建非常复杂，比如原理驱动涉及详细的电生理数据、血液动力学数据、生物力学数据，以及心脏宏观、微观解剖结构数据等。数据驱动则是利用医学影像、各类文本、心电信号、超声获得的力学信号等，融合构建一个数字模型，对心脏的疾病进行自动诊断。

　　可以说，原理驱动复刻心脏的“自然节律”，数据驱动则可以“定制建模”。

　　“算得快、算得准，这几个字就可以概括我们的目标和难点。”研究心脏仿真已经有8年时间的李娅聪博士现在是北京智源人工智能研究院心脏仿真组的负责人。她曾怀疑过自己所学的计算机专业到底有什么用，现在她在“造心脏”的过程中感受到了专业价值和科研乐趣，“计算机就是一把剑，我们在帮大家‘磨剑’，然后把剑递给医生，让医生去斩断病魔”。

　　对于“算得快”，李娅聪解释，每个人的心脏约有10亿到20亿个细胞，如果把每个细胞的心电信号计算出来，这个计算量巨大，“数据高塔”可达高达10的十几次方。心脏大约一秒钟跳一次，如果和心脏同步计算，心脏跳一秒计算机也能算一秒，这会是很大的突破。

　　如果有了“虚拟心脏”，想去模拟患者对某种药的不良反应，这就需要计算机算得比心脏跳得更快，“越快越好，跑赢生物时间，才能体现出我们的价值”。

　　而“算得准”就是针对个体，“我们之前都在做群体研究，做一类病或者一类人，发展趋势是做个性化研究，针对一位患者，精准治疗。”李娅聪正在和同事把前期的理论研究逐步成果化。

　　“虚拟心脏”有“超能力”

　　做超声心动图是胎儿检查的常见项目，但这个检查只能看到胎儿的心脏结构是否正常，不能“看”到小心脏跳动的节律是否正常。当通过超声发现胎儿有异常，就需要进一步检查是否由胎儿心律失常引起的；如果母亲自身有免疫性疾病，更需要检查胎儿心脏发育是否受影响。

　　人体是一个精密的整体，心脏这个发动机，每次发出的电波在传导过程中，都会在人体体表上产生电场、磁场，这样在人体表面不同位置放置电极，就可以测量出电位的表征形式，就是心电图。

　　目前可以通过对人体体表的全方位测量，把心脏每一个节律传导过程中，产生的电位分布计算出来。

　　如果能知道胎儿的心电图，就能够从电信号的角度去观测心脏，识别是否有异常。胎儿的检查不同于普通人体，要采用非侵入式的技术手段。那么如何给胎儿做个心电图？

　　“虚拟心脏”可以派上用场。

　　“我们采用多模态可穿戴式设备同步接收母亲胎儿混合的心电信号、心音信号，还有心冲击波信号等。”北京智源人工智能研究院陈路瑶博士介绍，这套设备只需要在母亲体表贴几个传感贴片，数据实时传输到手机端或者电脑端，可以对胎儿进行长时间的心电监测。

　　这个小型设备用到“母胎心电分离”技术，通过测到的混合信号，分离出母亲的心电信号，获得完整的胎儿心电信号，为医生判断提供依据。

　　虚拟心脏还有更多“超能力”。

　　心律失常是较为常见的心脏疾病，如果是遗传性的，往往是跟家族基因变异、基因缺损有关。在遗传过程中，基因缺损或者变异会引发离子通道的功能变化。这种变化是否跟临床上的心电图关联起来？“虚拟心脏”恰恰可以解决这个问题。

　　如果知道基因变异，就可以知道其在离子通道层面的功能变化，通过计算机模型，可以仿真出其对心电图引起的变化，再跟临床上病人的心电图进行比对，这样可以计算出分子层面的变化对器官功能积累的影响。

　　这项工作其实就是从只看基因长什么样，变成研究基因到底有什么用。以前研究基因组学，主要是看它的结构，却没法判断它具体能发挥什么作用。“虚拟心脏”可以模拟出任何一个基因变异之后的功能变化。这被称为“前向问题”，在药物筛选时会有很大的用处，比如，想知道一种新型抗抑郁症药对心电图有怎样的影响，只要知道了药物的药效动力学，就可以计算出对心电功能的影响。

　　而“逆向问题”就是通过体表心电测量，反演出心脏的电动力学。

　　张恒贵的团队利用256导联心电背心对人的体表电位进行测量，把心脏在兴奋过程中的电波传导时间和空间分布进行反演计算，根据计算结果将人的心脏电活动过程可视化。这样，可以通过求解心脏“逆向问题”，产生“心电功能影像”。

　　在北京的一家大型医院，医护人员已经给持续性房颤患者穿上这种背心，进行术前和术后的实时监测。

　　这种可穿戴背心，也可以进行日常健康监控。特别是对心衰、心肌缺血这样的病人，进行实时监测。对居家或者机构养老的老人，同样是健康监测的好办法。

　　“透明心脏”让心梗瘢痕一目了然

　　心肌缺血、心梗以后，心肌会凋亡，会在病人心脏里面留下巨大的疤痕，大小不一的疤痕会在不同的地方，带来后续风险——心律失常。如果医生在手术前明确知道疤痕的信息就能提出精确治疗方案：疤痕小，可以装支架把堵塞的血管打通；疤痕巨大，就直接装起搏器。这是目前临床上的巨大挑战。

　　目前是如何做的呢？先对病人心脏打入显影剂，进行钆增强，之后进行断层扫描。但有的病人会对显影剂不耐受。为了减少这种副作用，医生往往只对病人心脏进行几个断层的扫描，这就相当于一个土豆只切几片。通过几片，医生获得的信息是有限的、稀疏的。瘢痕到底在心脏的什么位置，什么样的形态分布，体积多大，需要医生慢慢去勾勒，去研判计算。不仅耗时，而且高度依赖医生的经验。

　　毕业于英国利物浦大学的苏子贤博士正在构建的“全自动心脏3D疤痕重建与定量分析系统”就是在解决这个重大挑战：“我们现在采用的是给心脏只做几个断层扫描，把整个瘢痕给它构建出来。”她介绍，目前国际上有用三维成像解决这个问题的设备，不仅设备昂贵，而且不符合我国目前的情况。因为国内现有的心脏磁共振增强扫描（MRI）检查，主要都是二维成像。

　　“先通过数据驱动的方式构建AI模型，对几个稀疏的断层扫描进行智能分割。做智能重建，用这几片能反映整个心脏。”学计算机的苏子贤，如今对心脏结构非常熟悉，“就相当于把杯子压扁，然后分成一个个区域，不同区域的瘢痕占比，用不同颜色标出来”。

　　“帮助医生从一个二维的多层成像，重建一个立体的三维结构。”苏子贤介绍，“我们也是先做出一个理想化的心脏结构，为下一步仿真打下基础。”

　　通过打造一颗“透明心脏”，心脏内部疤痕一目了然。再试想一下，如果心脏悬浮在半空中，通过旋转不同的角度，影像医生和临床外科医生提前沟通好术式，再为病人讲解心脏瘢痕在哪里，让病人一下子就能明白手术如何进行。

　　李娅聪的研究正在向这样的科幻场景迈进——建立一套交互系统。

　　“VR/AR的应用场景大多是生活化、生产化场景，相对刚性、静态，做‘心脏’难度大，因为它是一个柔性体，随着时间形态会变，功能也会变。”几年的研究时间，把虚拟心脏的各个领域都摸索遍的李娅聪认为这是开发交互系统的难点。

　　北京一家以心脏治疗为特色的大型医院的医生在临床中发现，心脏的电风暴（室性心律失常风暴）和患者的心肌走向有直接关系。也就是射频消融的靶点和心肌走向之间有一个对应关系，医生凭经验可以精准消融靶点。但这个从经验而来的判断还没有理论基础，因为医生在临床中没法做对比实验去验证，更没法控制角度变量。

　　“我们一起从这些病例中找到一些规律，去做一些控制变量，比如说纤维走向的角度和电信号传导的角度，夹角是多少，都可以精确仿真出来。”经常要到医院“采”数据的李娅聪越来越感受到计算在辅助医生推动医学的进步。

　　从细胞到心脏再到“数字虚拟人”

　　细胞是构成生命体的基本结构，人体内30万亿-40万亿个细胞各司其职、分工合作，形成了不同的组织、器官和系统，组成了完整的人体。

　　如果把细胞看成是一个个鸡蛋，里面是液体的，液体中有很多小的亚结构叫细胞器（organelle）。每个细胞上面有很多种不同种类的离子通道，包括钾离子、钙离子、钠离子等，对所有的离子通道，科学家现在都可以给它们构建数学方程来描述，包括细胞内的钙离子转运。

　　心脏里的所有内置通道，都有开、关的功能，这个过程是持续的、搭配好的，包括产生电流的大小，搭配好才能产生协同的心肌细胞的电动作电位。任何持续干扰或者破坏、缺损，都能造成心电兴奋的错位，严重的会造成猝死。

　　“这个天衣无缝的协调机制使得多种内置通道紧密配合，在微观层面上形成一个大合唱，也像个乐队一样的完美协同。”微观世界的协调之美让张恒贵感受到了震撼，他介绍，心脏中存在两种类型的离子通道，一种通道是“外向型”的，帮助离子从内向外转运；还有一个“内向型”，就是说从外向内转运，转运完成以后，还得给下一次心脏节拍作准备。离子转运过去以后，细胞内外的离子浓度发生了变化，在下一次心脏起搏的时候，要回归到原态。这又是怎么实现的呢？

　　“自然界设计了一个美妙的过程，心脏这个泵有持续节拍。在这一过程中，内外转运有序，在下个节拍开始的时候，所有的离子在胞内胞外恢复到原来的浓度，然后再进行下一次循环。”张恒贵把这个称作“自然界的奇妙”，“心脏实际上相当于一个小宇宙，微观世界的小宇宙”。

　　在人类进化过程中，“造物主”给心脏设计了一个特殊的区域叫作窦房结，心房和心室壁的心肌细胞是可激励细胞，窦房结叫作自律性细胞。“自律性细胞”跟“可激励细胞”差别就在于有一个起搏电流，起搏电流叫作“有趣”“滑稽”的电流通道，因为当时别人发现这个电流和其他的不一样。

　　窦房结能够产生自律性的电离脉冲，使得心脏有节律地跳动。电信号传达到心房，心房兴奋；传导到心室，心室兴奋。如果节律的产生不在窦房结，就产生了异位起搏，“微观尺度上从分子层面，从离子通道层面到整个细胞层面，它们之间的协同耦合，实际上构成了整个心脏功能的一个宏伟的画卷”。

　　这样，有了离子通道、有了细胞的各类数据，就可以仿真一片组织。

　　“20世纪90年代在英国利兹大学，那个实验室能够做从单细胞仿真到组织器官仿真，当时全球少数几个实验室可以做到。我当时比较早地参与这项工作，包括模拟组织和器官的生物电、生物力。”

　　2001年，张恒贵到英国曼彻斯特大学做教授有了独立的实验室，开展心脏功能仿真研究，“合作伙伴遍布全球，除了心脏电生理专家，还有很多临床心脏医生”。

　　一开始的工作是做窦房结模型构建，模拟窦房结的起搏，后来这个开创性的模型被命名为“张模型”。

　　他和团队成员当时注意到一些老年人，特别是有家族遗传病的病人，心率比较慢，容易在夜间，特别是夜间熟睡时出问题。这个被叫作病窦综合征的疾病是如何发生的呢？

　　原来，人在熟睡过程中，迷走神经系统会释放出一种叫乙酰胆碱的化学物质，让人心率变缓。因此，人在睡眠中，不论是正常人还是老年人心率都会变慢。但是对于有病窦综合征的老年人，这种物质不仅让人心率变缓，还可以让人心率骤停，因为过了头！特别是有家族基因变异的人，比如钠离子通道基因变异，使得心率会变缓，加上乙酰胆碱过多，两个因素叠加，产生放大效应，就会使心脏骤停。

　　通过计算机仿真，他们对这个因果进行了推演。之后这项预测通过动物实验得到了验证，成果发表在心脏学科顶级期刊《循环研究》（CirculationResearch）上。

　　一颗心脏有10多亿个细胞，但这些细胞的排布不是杂乱无章的，是有规律的，形成一条条肌丝。每一条肌丝相当于一个心电信号传导的高速通路，因为信号沿着肌丝传导较其他通路更快。这些肌丝组合形成一个螺旋形状，使得心脏在收缩与舒张过程中把血液泵向全身。

　　通过医学影像的方式，把心脏切片，进行图像处理，把心脏解剖结构构建出来，把肌丝纤维提取出来。这样，把心脏模型融合到人体后，就可以构建一个心脏-人体模型，也可以称为“数字虚拟人”。这个人体里面有心脏，也有骨骼、软组织、肺、胃、脾等器官，还有血液。

　　“把心脏作为一个出发点，构建精细的、有生物生理生化功能的虚拟器官。这条路径打通以后，希望把工作拓展到人体的其他12个重要器官建模，构建一个虚拟的生理生化人。”张恒贵说，当然其中挑战最大的就是大脑。

　　加速药物研发打破“双十定律”

　　有了“虚拟心脏”，临床医生不仅能较全面地了解心脏生理过程，预测心血管事件风险，并支持临床手术方案的预演，还能模拟药物对心脏的影响，有效提升临床前药物安全性筛查的效率，从而提高药物研发的安全性和效率。

　　“双十定律”是对新药研发的总结——10年时间投入10亿美元，往往还会打水漂。随着超级计算机和AI的应用，药物研发的范式也在改变，虚拟生理、虚拟细胞、虚拟器官可以加速研发的进程，减少投入。如果能先在虚拟器官上进行筛选，再做临床验证，达到药物的安全性，则大大缩短新药研制进程。

　　特别是用于广谱性药物的心脏毒性评估，因为治疗癌症、抑郁症等疾病的药物都有心脏毒性，可以先让“虚拟心脏”测试一下。

　　药物研发中，测试药物对心电功能的影响是重要的一部分。利用虚拟心脏，可以看药物对心脏电活动的影响，评测其心脏毒性。同时，也可对药物心脏毒性的机制进行分析。

　　人类总是在不断犯错中前进，药物的研制、迭代也是如此，走过很多弯路。

　　西沙必利是比利时一家制药公司花了14年时间耗资十几亿美元研发的药物，可以有效抑制胃酸，但是上架后不得不退出临床，因为这个药对QT间期延长有很大影响，易引起心脏猝死。原因是它的成分阻塞了钾离子通道。

　　有一种叫胺碘酮的药物，同样呈现出QT间歇期延长的效果，但现在治疗心律失常用该药比较广泛。因为后来发现这种药物不仅阻塞钾离子通道，还阻塞钙离子通道，它是对两种离子通道都有作用的一个复合药物。虽然它也使QT延长，但因为控制了两种离子通道，临床反而有效、安全。

　　“可以看到，因为心脏功能复杂，有多种离子通道，在药物作用下，有可能按下葫芦起了瓢，如果在多种离子通道混合的上面搭建一个动态平衡机制，这样既能治病又安全。”张恒贵说，“所以，计算药学帮助理解药物的作用机制，形成一个新的概念——协同药学。我们预估协同药学的概念将在新药研发（领域）有很大的应用前景。”

　　当年的基础研究成果如今开始实际应用。

　　2025年12月，智源研究院生命模拟研究中心基于智源数字孪生心脏开发了“BAAI虚拟生理心脏：药物心脏毒性全自动定量分析与预测系统”。

　　假如有一种药物，知道药效动力学，知道它对哪一种离子通道起靶向作用。输入到这个平台里，就可以输出这个药物对心脏的各种影响，包括离子通道层面上、单个细胞层面上、组织器官层面上，还可以计算出对人体层面影响。

　　另一个方向就是新药研发。提供药物的分子结构，通过模型进行预测，看药物对心脏的影响，或者做一些预测。“无论是广谱性药物，还是其他药物几乎都对心脏有毒性，包括治疗肿瘤、抑郁症、抑制胃酸的，还有麻醉药，所以对这些药物，将来都可以通过这种方式对心脏毒性进行评判。甚至还能对单个个体吃某种药进行预判。”

　　“这个系统是快速高效，全自动一键式的，把数据输入，系统自动完成。从单细胞到组织再到器官到各个层面上。”张恒贵介绍，一个计算量很大的药物，原来需要300多天完成，现在不到几天就完成了。可以说，这个平台给药物安全性测试奠定了基础，不仅能对药物研制前期进行筛选、评判，后期也能节省做大量动物实验。

　　中青报·中青网记者 李新玲 来源：中国青年报

　　2026年04月01日 05版