数字孪生在医疗领域的应用

2023-10-30 理论教育版权反馈

【摘要】：数字孪生技术的进步和应用使其成为了改变医疗行业现状的有效切入点。这些数据融合产生诊断结果和治疗方案。基于人体数字孪生，医护人员可通过各类感知方式获取人体动静态多源数据，以此来预判人体患病的风险及概率。在手术实施过程中，数字孪生可增加手术视角及警示死角的危险，预测潜藏的出血，有助于临场的准备与应变。

随着经济的发展和生活水平的提高，人们越来越意识到健康的重要。然而，疾病“预防缺”、患者“看病难”、医生“任务重”、手术“风险大”等问题依然困扰着医疗服务的发展。数字孪生技术的进步和应用使其成为了改变医疗行业现状的有效切入点。

未来，每个人都将拥有自己的数字孪生。如图10-1所示，结合医疗设备数字孪生（如手术床、监护仪、治疗仪等）与医疗辅助设备数字孪生（如人体外骨骼、轮椅、心脏支架等），数字孪生将会成为个人健康管理、健康医疗服务的新平台和新实验手段。基于数字孪生五维模型，数字孪生医疗系统主要由以下部分组成：

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图10-1　数字孪生医疗

（1）生物人体通过各种新型医疗检测和扫描仪器以及可穿戴设备，可对生物人体进行动静态多源数据采集。

（2）虚拟人体基于采集的多时空尺度、多维数据，通过建模完美地复制出的虚拟人体。其中，几何模型体现的人体的是外形和内部器官的外观和尺寸；物理模型体现的是神经、血管、肌肉、骨骼等的物理特征；生理模型是脉搏、心率等生理数据和特征。生化模型是最复杂的，要在组织、细胞和分子的多空间尺度，甚至毫秒、微秒数量级的多时间尺度展现人体生化指标。(www.chuimin.cn)

（3）孪生数据有来自生物人体的数据，包括CT、核磁、心电图、彩超等医疗检测和扫描仪器检测的数据，血常规、尿检、生物酶等生化数据；有虚拟仿真数据，包括健康预测数据、手术仿真数据、虚拟药物试验数据等。此外，还有历史/统计数据和医疗记录等。这些数据融合产生诊断结果和治疗方案。

（4）医疗健康服务基于虚实结合的人体数字孪生，数字孪生医疗提供的服务包括健康状态实时监控、专家远程会诊、虚拟手术验证与训练、医生培训、手术辅助、药物研发等。

（5）实时数据连接保证了物理虚拟的一致性，为诊断和治疗提供了综合数据基础，提高了诊断准确性、手术成功率。

基于人体数字孪生，医护人员可通过各类感知方式获取人体动静态多源数据，以此来预判人体患病的风险及概率。依据反馈的信息，人们可以及时了解自己的身体情况，调整饮食及作息。一旦出现病症，基于孪生模型，各地专家无须见到患者，根据各类数据和模型即可进行可视化会诊，确定病因并制订治疗方案。当需要手术时，数字孪生协助术前拟订手术步骤计划，医学手术进行时可使用头戴显示器在虚拟人体上预实施手术方案，如同置身于手术场景，可以从多角度及多模块尝试手术过程验证可行性，并进行改进直到满意为止。此外，还可以借助虚拟人体训练和医护人员培训，以提高医术技巧和成功率。在手术实施过程中，数字孪生可增加手术视角及警示死角的危险，预测潜藏的出血，有助于临场的准备与应变。此外，在虚拟人体上进行药物研发，结合分子细胞层次的虚拟模拟来进行药物的虚拟实验和临床实验，可以大幅度降低药物研发周期。

数字孪生医疗还有一个愿景，即从孩子出生就可以采集数据，形成虚拟孪生，伴随孩子同步成长，作为孩子终生的健康档案和医疗实验体。

数字孪生在医疗领域的应用

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