近日，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院張康教授團(tuán)隊(duì)以及“國(guó)際醫(yī)學(xué)數(shù)字孿生聯(lián)盟“在Elsevier旗下Patterns期刊上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的最新研究成果。

引言：

在醫(yī)療科技日新月異的今天，醫(yī)療數(shù)字孿生技術(shù)正逐漸成為個(gè)性化疾病預(yù)防和治療的重要工具，它的潛力正在被全球醫(yī)學(xué)界廣泛認(rèn)可。通過整合多模態(tài)數(shù)據(jù)，如臨床信息、實(shí)時(shí)生理數(shù)據(jù)和個(gè)體基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等-omics數(shù)據(jù)，醫(yī)療數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了高度個(gè)性化的虛擬模型，為患者提供精準(zhǔn)的健康管理和治療方案。

然而，數(shù)據(jù)隱私和安全始終是醫(yī)療領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。為解決這一問題，溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院張康教授團(tuán)隊(duì)以及“國(guó)際醫(yī)學(xué)數(shù)字孿生聯(lián)盟“在Elsevier旗下Patterns期刊發(fā)表了一篇題為“Concepts and Applications of Digital Twins in Healthcare and Medicine”的文章，提出利用大規(guī)模AI模型和大語言模型(LLMs)來提升醫(yī)療數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)能力和診斷準(zhǔn)確性，同時(shí)通過聯(lián)邦學(xué)習(xí)和區(qū)塊鏈技術(shù)確保數(shù)據(jù)隱私和安全，解決數(shù)據(jù)孤島問題，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和合作，以確保醫(yī)療數(shù)據(jù)在共享和分析過程中得到充分保護(hù)。

研究亮點(diǎn)：

并且在實(shí)際的應(yīng)用中，醫(yī)療數(shù)字孿生技術(shù)如同患者的“數(shù)字雙胞胎”，能夠?qū)崟r(shí)反映個(gè)體的健康狀況，進(jìn)行疾病預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療，顯著提升疾病管理的效率。通過持續(xù)的健康監(jiān)控，數(shù)字孿生技術(shù)可以提供動(dòng)態(tài)的健康指導(dǎo)，幫助醫(yī)生和患者共同制定更有效的治療策略，優(yōu)化治療效果，降低醫(yī)療成本。因此，項(xiàng)目的研究亮點(diǎn)亦極具價(jià)值性：

1、多模態(tài)數(shù)據(jù)整合：全面整合臨床數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)生理變化和個(gè)體的 -omics數(shù)據(jù)，創(chuàng)建高度個(gè)性化的醫(yī)療數(shù)字孿生，有效提升診斷和治療的精準(zhǔn)性。

2、實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康預(yù)測(cè)：利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康預(yù)測(cè)，提供動(dòng)態(tài)健康指導(dǎo)，優(yōu)化個(gè)體化疾病管理和治療策略。

3、高效的AI集成：通過大規(guī)模AI模型和大語言模型(LLMs)，提升醫(yī)療數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)能力和診斷準(zhǔn)確性，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。

4、隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全：采用聯(lián)邦學(xué)習(xí)和區(qū)塊鏈技術(shù)，確保數(shù)據(jù)隱私和安全，解決數(shù)據(jù)孤島問題，促進(jìn)醫(yī)療數(shù)據(jù)的共享和合作。

論文簡(jiǎn)介：

數(shù)字孿生的基本概念

正如《Concepts and Applications of Digital Twins in Healthcare and Medicine》的文章中所闡述的，數(shù)字孿生是任何物理實(shí)體的數(shù)字和虛擬表示，其核心是使用從物理實(shí)體收集的數(shù)據(jù)來更新數(shù)字對(duì)應(yīng)物的數(shù)學(xué)模型。這種迭代方法使得生成的數(shù)據(jù)與物理實(shí)體的數(shù)據(jù)無區(qū)別。數(shù)字孿生廣泛用于工程和制造業(yè)，如監(jiān)控和建模過程、優(yōu)化效率等。

在醫(yī)學(xué)背景下，物理實(shí)體可以是患者，包括其所有的分子、生理、生活方式和環(huán)境信息。虛擬實(shí)體則是患者的數(shù)字復(fù)制品，這些數(shù)字復(fù)制品具有與患者相似的特征，能夠利用從患者收集的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和模擬生物過程或疾病狀態(tài)。

因此，將數(shù)字孿生在醫(yī)療中分為應(yīng)用和平臺(tái)開發(fā)兩塊內(nèi)容作為此次項(xiàng)目的針對(duì)性研究：

一、數(shù)字孿生在醫(yī)療中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用前景極為廣闊，包括個(gè)性化醫(yī)療、實(shí)時(shí)健康監(jiān)控、疾病預(yù)測(cè)與管理、手術(shù)規(guī)劃與模擬、以及醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。具體應(yīng)用場(chǎng)景包括：

個(gè)性化醫(yī)療：通過整合個(gè)體的多模態(tài)數(shù)據(jù)(如基因組、表觀基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組等)，數(shù)字孿生可以提供個(gè)性化的疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和治療建議。例如，數(shù)字孿生可以根據(jù)個(gè)體的基因組信息預(yù)測(cè)對(duì)特定藥物的反應(yīng)，從而優(yōu)化藥物治療方案。

實(shí)時(shí)健康監(jiān)控：通過與患者的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連接，數(shù)字孿生可以提供動(dòng)態(tài)的健康監(jiān)控和疾病預(yù)警。例如，對(duì)于糖尿病患者，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)控血糖水平，提供個(gè)性化的飲食和生活方式建議，減少并發(fā)癥的發(fā)生。

疾病預(yù)測(cè)與管理：數(shù)字孿生可以模擬疾病的進(jìn)展，預(yù)測(cè)治療效果，并提供個(gè)性化的疾病管理方案。例如，在癌癥治療中，數(shù)字孿生可以根據(jù)患者的腫瘤基因組信息預(yù)測(cè)治療反應(yīng)，調(diào)整治療策略，提高治療效果。

手術(shù)規(guī)劃與模擬：通過數(shù)字孿生技術(shù)，外科醫(yī)生可以在虛擬環(huán)境中模擬手術(shù)過程，優(yōu)化手術(shù)方案，減少手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。例如，在復(fù)雜的心臟手術(shù)中，數(shù)字孿生可以幫助外科醫(yī)生規(guī)劃最佳的手術(shù)路徑，減少對(duì)健康組織的損傷。

醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化：數(shù)字孿生技術(shù)可以用于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，提高設(shè)備的性能和安全性。例如，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以模擬心臟起搏器在不同患者體內(nèi)的工作情況，優(yōu)化其設(shè)計(jì)，提高治療效果。

醫(yī)療數(shù)字孿生平臺(tái)的開發(fā)

醫(yī)療數(shù)字孿生(Digital Twin, DT)平臺(tái)的開發(fā)可以分為四個(gè)階段，每個(gè)階段在功能和復(fù)雜性上逐步提高，最終實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的深度融合。

階段1：靜態(tài)孿生

靜態(tài)孿生是最簡(jiǎn)單的DT模型，基于回顧性數(shù)據(jù)和連續(xù)學(xué)習(xí)過程創(chuàng)建患者模型模板。靜態(tài)孿生是一種傳統(tǒng)的仿真和建模練習(xí)，主要離線進(jìn)行分析，以假設(shè)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)建模為特征。靜態(tài)孿生通過傳感器數(shù)據(jù)收集物理系統(tǒng)的狀態(tài)，并以此建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。例如，飛利浦開發(fā)的HeartNavigator就是一個(gè)靜態(tài)孿生的實(shí)例，用于心臟手術(shù)規(guī)劃和模擬。

階段2：進(jìn)展孿生

進(jìn)展孿生整合觀測(cè)數(shù)據(jù)，表示患者的當(dāng)前狀態(tài)，并可靠地預(yù)測(cè)未來狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。它需要現(xiàn)有的模擬技術(shù)、模型推理、數(shù)據(jù)同化和高性能計(jì)算，以構(gòu)建和測(cè)試實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的大規(guī)模模型。進(jìn)展孿生結(jié)合時(shí)間或進(jìn)展信息，構(gòu)建一個(gè)反映物理實(shí)體演變的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)模型。例如，三維腦類器官細(xì)胞培養(yǎng)模型可以重現(xiàn)阿爾茨海默病、肌萎縮性側(cè)索硬化癥和小頭癥等人類腦生理的各個(gè)方面。

階段3：操作孿生

操作孿生是實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，使用持續(xù)連接監(jiān)控物理環(huán)境中的狀態(tài)變化，代表物理和虛擬實(shí)體之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)。例如，自動(dòng)胰島素注射器可以通過持續(xù)監(jiān)控患者血液中的葡萄糖數(shù)據(jù)(來自葡萄糖監(jiān)測(cè)儀)，確定準(zhǔn)確的胰島素注射劑量，而不是依賴固定的注射時(shí)間表。

階段4：自主孿生

自主孿生是DT平臺(tái)演變的終極階段，數(shù)字世界和物理世界實(shí)現(xiàn)深度融合，代表物理-虛擬共存的最高水平。自主虛擬實(shí)體能夠獨(dú)立運(yùn)行，同時(shí)與物理世界無縫互動(dòng)。這種整合可以創(chuàng)建一個(gè)元宇宙，其中充滿無數(shù)高分辨率的自主虛擬實(shí)體。例如，可以開發(fā)一個(gè)自主的DT大腦，基于硅內(nèi)表示并自主演變，動(dòng)態(tài)反映實(shí)際大腦的生物物理信息，進(jìn)行有效的增強(qiáng)干預(yù)。自主孿生結(jié)合先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，可以革新外科手術(shù)實(shí)踐，通過對(duì)每位患者的模擬手術(shù)提供現(xiàn)實(shí)的性能反饋。

未來展望

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，數(shù)字孿生技術(shù)仍站在醫(yī)療創(chuàng)新的前沿，在醫(yī)療中的應(yīng)用前景廣闊，它不僅為患者帶來更精準(zhǔn)的健康管理和治療方案，更為醫(yī)療行業(yè)帶來了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新機(jī)遇。有望實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療，提高治療效果，并且推動(dòng)醫(yī)療保健的創(chuàng)新發(fā)展。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，數(shù)字孿生技術(shù)將在更多醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)醫(yī)療行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)。并且隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的深化，我們有理由相信，數(shù)字孿生技術(shù)將為醫(yī)療領(lǐng)域帶來革命性的變革，開啟一個(gè)全新的個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代。

溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院張康教授團(tuán)隊(duì)以及“國(guó)際醫(yī)學(xué)數(shù)字孿生聯(lián)盟“的研究成果為這一愿景的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為全球醫(yī)療科技的發(fā)展指明了方向。我們期待這項(xiàng)技術(shù)能夠早日惠及更多患者，為醫(yī)療行業(yè)帶來更大的進(jìn)步和發(fā)展。

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