利用数字孪生技术，使医疗行业快速进入，“元宇宙”

Posted 2023-04-02 元宇宙中心

本文为读者介绍数字孪生的概念与特征，以及该技术与元宇宙的关系，并对当下数字孪生在医疗健康领域的应用进行总结。

“元宇宙”指代一种持久化的在线虚拟世界，被誉为“互联网世界的梦想未来”。近期新华社的一篇文章对元宇宙进行了定调，重点谈到要运用数字孪生（Digital Twin）等技术来实现镜像，进而实现真正意义上的元宇宙场景。

 

数字孪生是物理实体的虚拟模型，现实世界的数字映射，既描述其静止状态，也描述其动态行为，还可以从大数据中预测未来发展趋势，为实体提供最优决策支持。得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生逐渐从概念走向落地，其应用正从制造业、工业等领域不断衍生拓展，而在医疗健康领域，更呈现出广阔的前景。

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解读数字孪生的概念与特征

数字孪生的概念于20世纪90年代在耶鲁大学David Gelernter教授出版的书中首次出现。2002年末，密歇根大学的Michael Grieves教授在产品生命周期管理的应用中引入了数字孪生的最初概念，但名称不同，称为“镜像空间模型”（Mirror Space Model）以及后来其著作中的“信息镜像模型”（Information Mirror Model）。数字孪生一词在2010年的美国国家航空航天局的技术报告中被正式提出，用于航天器的数字模拟过程。此后，数字孪生技术在工业和研究领域逐渐得到重视，并被应用于越来越多的不同行业，如电力、城市管理、农业、建筑、石油天然气、环境保护以及医疗健康等。

 

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。数字孪生模型基于跨一系列维度的大规模、累积、实时、真实世界的数据测量。

数字孪生概念模型由三部分组成：物理空间中的物理实体，虚拟空间中物理实体的数字化表达，以及两者之间的连接——物理实体和虚拟实体之间流动的数据和信息

数字孪生有以下几个典型特征：

①互操作性：具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，能够在不同数字模型之间转换、合并和建立表达同等性。

②可扩展性：具备集成、添加和替换数字模型的能力，可针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。

③实时性：以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。

④保真性：数字虚体模型和物理实体的接近性在几何结构、状态、时态上高度仿真。

⑤闭环性：数字孪生中的数字虚体被赋予和物理实体一个大脑

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数字孪生与元宇宙

元宇宙（Metaverse）被普遍认为是一个平行于现实世界，又独立于现实世界的虚拟空间，是映射现实世界的在线虚拟世界，是越来越真实的数字虚拟世界。

 

 

元宇宙概念在1992年美国作家尼尔·斯蒂芬森的科幻小说《雪崩》中被首次提出，而真正将元宇宙带上全球舞台中央的，则是多人在线创作沙盒游戏平台Roblox在美上市，它也被称为“元宇宙”第一股。Roblox认为元宇宙具备身份、社交、沉浸感、低延迟、多元化、随时随地、经济系统和文明八大关键特征，置身于这样的一个虚拟世界，所有的一切都围绕着人进行个性化打造，不论是资产、身份、文明还是经济流转，在这样的“宇宙”中都只是数据的变更和程序参数的变化。

元宇宙和数字孪生都是信息化发展到一定程度的必然结果，二者之间既有不同之处，又深度融合。

数字孪生是对唯一现实世界物理元素的复制，它首先面向物，强调物理真实性，跟踪或模拟现实世界运作，通过核心技术优化重塑一个更美好的物理世界，致力于优化现实世界的生产效率、用户体验等，它的最终产物是作为现实世界镜像的“克隆宇宙”。

 

元宇宙则参照现实世界的物理元素，真实或假象的逻辑（如超现实、科幻等）对现实世界进行复制和修改。它直接面向人，强调视觉沉浸性、展示丰富的想象力和沉浸感，呈现的是脑洞大开的“多元宇宙”。目前元宇宙最普遍的应用场景还是在于游戏，可以说，游戏是元宇宙的先导产业。

元宇宙结合了互联网、游戏、社交网络和虚拟技术等，所有这些技术融合在一起，造就了一种全新的、身临其境的数字生活。想要构建一个与现实世界高度贴合甚至是超越现实世界的“元宇宙”，前提需要大量的数据模拟和强大的算力来1:1创造一个虚拟世界，关键核心点则是数字孪生，而数字孪生也成为构建元宇宙的核心技术之一，甚至可以说是元宇宙的基石。数字孪生技术的成熟度，决定了元宇宙在虚实映射与虚实交互中所能支撑的完整性。

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数字孪生在医疗健康领域的应用

使用现代数据管理、人工智能、远程诊断等技术可以缓解日益增长的患者医疗保健需求与不充分的医院服务之间的矛盾。人类是一个复杂的系统，健康管理可以改善健康状况，减少到医院的次数，提高诊断和治疗的质量和效率。如今，人们越来越关注智能医疗和健康管理，数字孪生可能成为解决当前医疗需求的有效方案之一。

 

数字孪生应用到人体时，可通过人体的数字化表现，来动态反映人体的分子状态、生理状态和生活方式，对改善人们的身体状态极具价值。将数字孪生应用到医疗健康领域，可以基于患者的健康档案、就医史、用药史、智能可穿戴设备检测数据等信息在云端为患者建立“医疗数字孪生体”，并在生物芯片、增强分析、边缘计算、人工智能等技术的支撑下模拟人体运作，实现对医疗个体健康状况的实时监控、预测分析和精准医疗诊断。

目前及已经有越来越多的健康生活管理设备和服务，如活动追踪器、饮食监测器和远程医疗服务等，人们对自身健康管理质量的需求和期望也越来越高。这些现象促使数字孪生技术开始走向应用并备受学者们的关注。

虽然，数字孪生在医疗健康领域处于起步阶段，但未来的想象空间很大，如今数字孪生技术在神经系统疾病、心血管疾病、癌症、传染病和制药行业等方面的都有应用案例。

心脏疾病

心脏是人体重要器官之一，利用数字孪生模型可以加深对心脏在生理和功能上的认知，最大限度发挥基于数据建立的分析模型的作用，进而帮助实现从描述病情到预测病情的转化。法国达索公司和德国西门子医疗公司已经开始着手心脏数字孪生的具体实施方案。它们利用数字心脏模拟真实情况，将难以看到的解剖结构可视化，从而利用其开发更安全有效的心脏治疗设备及器械。基于人工智能的数字孪生模型经过训练，可以将心脏的电生理特性、物理特性和结构相关数据整合到三维图像中，相关研究团队对这项技术的准确度进行了测试，在计算机将100例接受心力衰竭治疗患者的数字孪生体分析后发现，预测结果与实际情况具有相似性。此外，来自德国慕尼黑理工大学的一个研究团队提出了一个基于心脏、血管系统和心室辅助器技术的个性化数字孪生体，为心脏衰竭提供双心室心外膜压力支持。

癌症

癌症严重威胁着人们的生命和健康，随着癌症诊疗技术水平的提高，患者生存期的不断延长，对癌症患者进行实时检测和管理可以使生命质量达到最优化。近期，发表在Nature Medicine上的一篇文章报道了一种创新性的具有持续生命周期的癌症患者数字孪生（cancer patient digital twin，CPDT）框架，可以通过使用先进的电子设备和生物技术来动态反映患者不同治疗和时间的生理和生活方式状态。CPDT可持续解释不断演变的癌症状态和供体的免疫系统，减少临床决策中存在的固有不确定性，从而改善结果，促进患者与临床医生间的互动，更好地服务于当前的医疗体系。

流行病学

COVID-19是当前全球最为严重的流行病，来自韩国首尔科技大学的Abir el Azzaoui等研究人员公开了一个数字孪生与区块链技术相结合的、在人群层面管理COVID-19的框架。区块链技术是一个去中心化的系统，允许数据被记录在其共享数据库中，同时使记录的数据很难或不能被修改。在这个框架中，一个人的智能手机代表其数字孪生体。用户通过智能手机上传数字孪生数据，这些数据包括一次性输入的数据（如姓名、年龄、性别和潜在健康问题等）以及根据用户当前症状和COVID-19测试结果更新的数据（包括医院可验证的测试识别数据等）。患者的数字孪生体利用智能手机的位置信息自动识别密切接触者，并记录其信息，用于轨迹追踪。当患者的数字孪生数据（包括经常访问的地点、密切接触者、症状、任何潜在健康问题和测试鉴定等数据）被发送到区块链后，系统会根据患者症状严重程度，将其自动被分配到最能满足其医疗需求的医院。

生物制药

由于数字孪生可以使流程开发和生命周期管理更具成本效益和时间效率，所以也被用于生物制药行业，如药物的开发。Kalyanasundaram Subramanian等学者报道的一种肝脏数字孪生体，是通过使用常微分方程的数学框架，整合肝脏功能、疾病和药物效果相关信息而创建的。由此产生的虚拟肝脏可以有效再现真实肝脏功能，可以模拟疾病演变和药物治疗的影响，数字孪生体结合实验测量的系统可以让人们更加深入了解药物性肝损伤。

案例：数字孪生医院

上海钛米机器人股份有限公司（以下简称“钛米机器人”）基于手术室、ICU、病房、门诊、急诊、检验、后勤等医院七大场景，以特定用途的机器人及自动化产品构建一体化的“医院数字底座”，打造了全生命周期人工智能系统——“医院数字孪生体”，实现医院的全过程高效管理。

“医院数字孪生体”覆盖了全院80%以上病区和业务科室，可以通过人工智能技术发掘数据的关联，对医院做系统性理解、即时分析、模拟仿真和预测，为医院量身定做可“感知、学习与应变”的“AI大脑”。数字孪生技术将各种数据实时呈现给医护人员，一方面，大幅节省了医生和患者的精力和时间，优化就诊服务流程，辅助医生诊断，协调不同区域的医疗资源。另一方面，帮助医护人员及时判断可能会发生的紧急情况并提前做出应对措施，为患者提供更高效优质的护理服务。最终实现医院的调度一体化、数据透明化和管理智慧化的智能运营。

以医院的手术室场景为例，以往医院管理者需要每月末查看月度运营报表、人工分析运营情况。通过“数字孪生医院”，他们可以实时了解每一台手术的全面信息，包括手术的病理信息、手术药物耗材器械等物资信息，提高管理效率和医疗质量。同时，医生还可以通过人工智能算法对手术各业务流程进行智能分析处理，实现医疗物资的精细化管理和优化配置管理，满足DRGS医保合理控费的要求，助力医院运营转型的高质量发展。

虽然，数字孪生在医学领域中是一个新兴的概念，将人群个体与之对应的数字孪生体进行比较，有益于加深人们对健康与疾病的认识。数字孪生的用途并不局限于疾病的诊断和治疗，还能用于健康和疾病状态的预测。由于数字孪生能够识别出人们更喜欢的身体健康参数，而有潜力成为一个丰富的数据来源，可以用来确定新的、更有效的治疗与保健路线。

 

尽管数字孪生技术在医疗健康领域有伦理、技术和医疗问题有待解决，但其进展令人鼓舞。数字孪生与元宇宙联系非常密切，是元宇宙落地的基础，是搭建真实和虚拟空间的桥梁。数字孪生技术上的成熟度，直接决定元宇宙在虚实映射与虚实交互中所能支撑的完整性。随着数字孪生技术在医疗健康领域中的应用逐渐展开，元宇宙的未来，必将有医疗健康的一席之地。

元宇宙医疗或将改变医疗格局

医疗行业长期以来都是关乎民生的核心领域之一，如何更好地改善医患关系、医疗环境一直都是许多人研究的内容。

元宇宙的出现，在虚拟世界中进行医疗诊断有了实现的可能性。充分解放了医生双手，让患者能够利用 VR 等硬件设备不用到医院就可以直接和医生进行交流，快速了解患者病情，提供治疗方案。

另外，通过人工智能的深度学习，还能够更好地为医生识别、建立患者的临床指标，在一些常见的病症方面，还能模拟医生非思维做出诊断建议供医生参考。

目前，来自阿联酋的医疗保健提供商 Thumbay Group 就推出了元宇宙医院，为患者提供足不出户的医疗服务。这是一个利用 VR/AR 建立出的一个高度沉浸式虚拟医院，在虚拟世界中，医院的咨询台、门诊、科室等一应俱全，并且都存在专业的医生和护士为患者提供医疗服务。

VR/AR 能够为医疗行业提供很大的帮助。由于人体的脆弱性，医疗领域其实是一个对于患者而言是具有高风险的行业。特别是一些手术，对医生的专业能力要求非常高。而元宇宙中的 VR/AR 可以为医生提供许多精准的数据模型，让医生能够详细掌控患者的生理状态。同时，医生也可以在虚拟的世界中利用数据模型进行“练习”，增强自身技能熟练度。还可以多次尝试不同的治疗方案，利用数据反馈来判断出最适合患者的治疗方案，这也大幅降低了各种医疗事故发生的概率。

另外，得益于元宇宙中底层的区块链框架，还能为患者建立出一份有资产属性且高度安全的医疗档案。区块链构建的去中心化网络，让患者能够掌控自身的就诊信息，当医疗机构打算在进行治疗之外的领域引用这些信息时，必须通过患者同意和授权才可。区块链对数据的保护也避免了患者的档案信息被泄露，使用户的隐私不会会受到侵害。

当然，目前由于医学检测设备、元宇宙技术的不足，一个具备普适性的元宇宙医疗系统还很难建立，但我们可以相信，随着技术的成熟，这些设想都会在未来进一步实现。目前元宇宙的发展已经迈出了第一步，我们触及元宇宙医疗已经不再遥远。