Hoe werkt een pas ontworpen apparaat in de echte wereld? Hoe gaat het bewegen en reageren op impulsen van buitenaf?  

Uitvinders moesten vroeger fysieke prototypes maken om deze hypotheses te testen. Nu maken digitale simulaties hun werk eenvoudiger, sneller en effectiever; met digitale tweelingen kun je nauwkeurig voorspellen hoe een stuk hardware in de echte wereld zal werken.

Hetzelfde geldt voor het menselijk lichaam. "Met digitale tweelingen van patiënten kunnen we voorspellen hoe ze gaan reageren op bepaalde procedures, maar ze helpen ook om diagnoses te verbeteren en behandeling beter te plannen. Ze kunnen zelfs artsen tijdens behandelingen real-time helpen."

Als Team Lead Biophysics Models of Patients is Valentina Lavezzo voortdurend op zoek naar - en bezig met het ontwikkelen van – gebruiksscenario’s voor digitale tweelingen. 

Haar passie voor simulatie ontstond al vroeg in haar carrière: "Na mijn master management engineering ben ik gepromoveerd op deeltjesversnelling en botsingen, dus hoe verschillende deeltjes op elkaar reageren en hoe hun botsing de beweging kan beïnvloeden. In dit vakgebied moet je gebruik maken van digitale simulaties, bijvoorbeeld om in detail te voorspellen hoe kleine waterdruppeltjes zich in een bepaalde situatie gaan gedragen."

Projecten in de mondverzorging

Bij Philips waren haar eerste projecten in de mondverzorging: "We ontwikkelden een nieuwe generatie Sonicare AirFloss, die de ruimte tussen de tanden reinigt met een combinatie van water en lucht. Ons team was verantwoordelijk voor het ontwerp van het mondstuk, zodat het zo effectief mogelijk schoonmaakt, zonder dat het pijn doet aan het tandvlees." 

De voordelen van virtueel testen waren in dit project duidelijk: “We konden elk ontwerp virtueel testen en zien wat er zou gebeuren. Wat als we het mondstuk kleiner zouden maken, of anders zouden vormen? Zo kwamen we erachter dat water in een bepaalde X-vorm beter reinigt dan de gewone draadflosser.

Philips won een Red Dot Design Award voor dit ontwerp; het was geweldig om te zien dat onze klanten echt waardeerden wat we hadden ontwikkeld."

Daarna ging Valentina zich bezighouden met projectmanagement voor verschillende mondverzorgingsproducten; van poetsen, flossen tot bleken. "Toen maakte ik voor het eerst kennis met het concept van de digitale tweeling. Als je een digitaal model van een product kunt maken om te testen hoe het reageert, waarom zou je dan niet hetzelfde doen voor een echte patiënt?

Ik wilde graag betrokken raken bij de ontwikkeling van digitale tweelingen voor patiënten binnen Philips, omdat ik altijd al geïnteresseerd ben geweest in de gezondheidszorg. Sterker nog, ik had bijna geneeskunde gestudeerd in plaats van techniek. Nu kon ik die interesses combineren."

Met een digitale tweeling voorspellen hoe de patiënt reageert

Met biofysische modellen, of virtuele patiënten, kunnen onderzoekers de toekomstige status van patiënten voorspellen: hoe gaan ze reageren op bepaalde procedures? Ook helpen digitale tweelingen om de diagnose, behandelingsselectie, planning en begeleiding van patiënten te verbeteren:

"Een goed voorbeeld het vervangen van een aortaklep via een katheter. Met een digitale tweeling kunnen we via het beeldscherm voorspellen hoe de patiënt zal reageren op een bepaald type klep dat op een bepaalde plaats wordt geplaatst. Voor artsen betekent dit dat ze patiënten effectiever kunnen behandelen, in minder tijd en hopelijk de eerste keer goed."

"Tegelijkertijd laat dit voorbeeld ook zien dat het concept van de digitale patiënt zich nog in een vroeg stadium bevindt. In dit geval maken we alleen een virtuele simulatie van de aorta, niet van de hele patiënt. Digitale tweelingen hebben veel potentie, maar we zijn nog ver verwijderd van het creëren van een volledig digitaal model van een patiënt.

In plaats daarvan werken we met bouwstenen die op zichzelf waarde toevoegen, zoals enkelvoudige orgaanmodellen op het gebied van hart- en vaatziekten. Een belangrijke volgende stap is nu om de techniek toe te passen op ziekten waarbij meerdere organen betrokken zijn, zoals het cardio-pulmonaire systeem."

Zorgen dat je de juiste beslissingen neemt

Wat is de grootste uitdaging om te overwinnen? "Er zijn er een paar. Ten eerste is validatie hier heel belangrijk; je moet ervoor zorgen dat je de juiste beslissingen neemt.  Ook de beperkte beschikbaarheid van gegevens waarop we modellen kunnen bouwen is een uitdaging. In de nabije toekomst moeten we meer data verzamelen via wearables en sensoren, en data combineren die binnen en buiten het ziekenhuis zijn verzameld als we nieuwe doorbraken willen creëren op dit onderzoeksgebied.

Maar als we deze uitdagingen aankunnen, denk ik dat we nog versteld gaan staan van wat digitale tweelingen kunnen doen om de gezondheidszorg te verbeteren. Nu we de basis weten, kunnen we echt waarde gaan toevoegen in de producten en diensten die Philips aanbiedt.

Wat sterk is aan de manier waarop Philips innoveert, is dat we dat altijd doen met de klant in gedachten; we beginnen met actuele klinische problemen en proberen dan een manier te vinden om die op te lossen. Ik ben ervan overtuigd dat biofysische modellen van patiënten een essentiële rol zullen spelen bij het verbeteren van de manier waarop patiënten worden behandeld."

Lees ook:

Henk van Houten, Chief Technology Officer: “Winnaars Invention Awards zijn de helden van Philips Research”

Mark Johnson, de man van honderden patenten: “Er is geen opleiding tot uitvinder”

“We waren het enige Europese team dat een presentatie mocht geven op een AI-evenement in het Witte Huis”: Anca Bucur heeft een missie om data en AI om te zetten van een belofte naar een daadwerkelijk klinisch voordeel.
 
Mohammed Meftah is hard op weg om met baanbrekend onderzoek de levens van ongeboren, en te vroeg geboren, baby’s te verbeteren: “Uitvinden is zoeken naar relevante problemen en daar nieuwe oplossingen voor vinden die niet voor de hand liggen.”

Denny Mathew wil graag jonge vrouwen inspireren om een carrière in de technologie te overwegen: “Jonge vrouwen kunnen de drijvende kracht achter innovatie zijn met hun aangeboren capaciteiten van probleemoplossende creativiteit en samenwerking.”

How will a new device perform in the real world? How will it move and react to impulses from the outside?

In the past, inventors had to develop physical prototypes to test their hypotheses. Now, digital simulations make their work easier, faster and more effective; digital twins can accurately predict how a piece of hardware will operate and react to real world conditions.

The same is true for the human body. “With digital twins of patients, we can predict how they will respond to certain procedures, improve diagnosis, and treatment planning. They can even help physicians during procedures as real-time guidance.” As Team Lead Biophysics Models of Patients, Valentina Lavezzo is constantly looking for and developing use cases for digital twins.

Her passion for simulation was born early in her career: “After my master’s in management engineering I did my PhD on particle acceleration and collision, so how different particles interact with fluids and how their collision might affect their motion. In this field you have to rely on digital simulations, for example to predict in detail how small droplets of water will behave in a certain situation.”

Projects in oral healthcare

At Philips, her first projects were in oral healthcare: “We developed a new generation of Sonicare AirFloss, which cleans the space between teeth with a combination of water and air. Our team was responsible for designing the nozzle in such a way that it would clean as effectively as possible, without hurting tissue in the mouth.”

In this project as well as for the Power flosser, the benefits of virtual testing were quite apparent. “We could test each design virtually and see what would happen. What if we would make the nozzle smaller, or shape it differently? We found that water in a specific X shape would clean better than the regular string floss.

Philips won an award for this design; it was great to see that our customers really appreciated what we had developed.”

Afterwards Valentina got involved in project management, overseeing simulation activities for various projects related to brushing, flossing and whitening products. “That was when I first got acquainted with the concept of the digital twin. It made perfect sense; if you can create a digital model of a product to test how it will respond, why not do the same for an actual patient? I was keen to get involved in the development of digital twins for patients within Philips, because I have always been interested in healthcare. In fact, I almost studied medicine instead of engineering. Now I could combine those interests.”

With biophysical models, or virtual patients, researchers can predict the future status of patients and how they will react to certain procedures, but also improve diagnosis, treatment selection, planning and guidance of patients. “For example, it helps us to choose the right type of valve to use in transcatheter aortic valve replacements. Thanks to the digital heart model, we can predict how the patient will respond to a certain type of valve placed at a certain position. For physicians, this means that they can treat patients more effectively, in less time and hopefully first time right.”

“At the same time, this example shows that digital patients are still in an early stage. In this case, we only create a virtual simulation of the aorta. Digital twins have great potential, but we are still quite far from creating a full digital model of a patient. Instead, we are working with building blocks that add value in themselves, Instead, we are working with building blocks that add value in themselves, like single organ models in the cardiovascular disease space. Now, an important next step is to apply the technique to diseases that involve multiple organs, like the cardio-pulmonary system.”

Making sure you get it right

What is the biggest challenge to overcome? “There are a few. First, validation is extremely important here; you need to make sure you get it right. Also, the limited availability of data on which we can build models is a challenge. In the foreseeable future, we need to collect more data through wearables and sensors, and combine data collected inside and outside the hospital if we want to create new breakthroughs in this field of research.

But if we can handle these challenges, I think we will be surprised with what digital twins can do to improve healthcare. Now that we know the basics, we can really start adding value in products and services that Philips offers. What is strong about the way Philips innovates, is that we always do it with the customer in mind; we start with actual clinical problems and then try to find a way to solve it. I am convinced that biophysical models of patients will play a vital role in improving the way patients are treated.”

Within Philips, thousands of inventors work every day on the technologies of tomorrow. What drives them? How do they come up with their ideas and how do they successfully bring them to market? In the series Impactful Inventors, we answer these questions.
 
Also read:
 
Henk van Houten, Chief Technology Officer: "Invention Awards winners are the heroes of Philips Research"
 
Mark Johnson, the man of hundreds of patents: "There is no training to become an inventor"
 
“We were the only European team invited to present at an AI event in the US White House”; Anca Bucur is on a mission to turn data and artificial intelligence from a promise to an actual, tangible clinical benefit.
 
Mohammed Meftah works hard on improving the lives of unborn and prematurely born babies with pioneering research: “Inventing is looking for relevant problems and finding new solutions to them that are not obvious”

Denny Mathew wants to inspire young women to consider a career in technology: “Young women can be leading drivers of innovation with their innate abilities of problem-solving creativity and collaboration.”