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物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的融合

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月27日 21:43

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是物理世界向信息世界的延伸,是互聯(lián)網(wǎng)的新階段。它借助RFID、傳感器、二維碼等信息感知設(shè)備,按照約定的協(xié)議,將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療、電力等領(lǐng)域。在醫(yī)療健康領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)院信息化、藥品供應(yīng)鏈管理等方面。代表性應(yīng)用包括:電子健康記錄、遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)、智能醫(yī)療、智慧醫(yī)院、藥品溯源和抗偽系統(tǒng)等。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成。感知層通過(guò) RFID 讀寫(xiě)器、各類(lèi)傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息的感知和采集。網(wǎng)絡(luò)層主要包括有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等,將感知層采集到的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用服務(wù)。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也面臨數(shù)據(jù)隔離、系統(tǒng)互不兼容、標(biāo)準(zhǔn)缺失、安全與隱私等問(wèn)題。隨著5G、邊緣計(jì)算等新技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)從“人聯(lián)網(wǎng)”到“物聯(lián)網(wǎng)”的轉(zhuǎn)變,連接更多物品,拓展更多應(yīng)用場(chǎng)景。

二、數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

數(shù)字孿生,即數(shù)字影子,是指在虛擬空間中構(gòu)建物理系統(tǒng)的虛擬模型,并實(shí)現(xiàn)虛擬模型和物理系統(tǒng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互,以此來(lái)模擬、預(yù)測(cè)和優(yōu)化現(xiàn)實(shí)世界中的系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)源于NASA的飛行器虛擬仿真系統(tǒng),經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展已經(jīng)應(yīng)用到航空航天、能源、制造等多個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)字孿生的核心要素包括:數(shù)據(jù)采集與功能映射、數(shù)字模型構(gòu)建、仿真運(yùn)算與預(yù)測(cè)、結(jié)果反饋與優(yōu)化。數(shù)字孿生有四大關(guān)鍵技術(shù):多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、系統(tǒng)模型制定技術(shù)、仿真模擬技術(shù)和可視化呈現(xiàn)技術(shù)。

隨著模型算法不斷進(jìn)步和算力大幅提升,數(shù)字孿生技術(shù)正在從原始概念走向商業(yè)落地。根據(jù)MarketsandMarkets預(yù)測(cè),2026年全球數(shù)字孿生市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到245億美元。數(shù)字孿生未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括:規(guī)模化應(yīng)用、與5G和AI的融合、開(kāi)放生態(tài)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)化等。

三、醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用需求

醫(yī)療健康領(lǐng)域是數(shù)字孿生技術(shù)重要的應(yīng)用方向之一。在醫(yī)療健康領(lǐng)域,數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于健康管理、醫(yī)院管理、臨床輔助等多個(gè)方面。具體應(yīng)用需求包括:

1. 智能化健康管理

通過(guò)健康數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字孿生分析,實(shí)現(xiàn)智能化的健康評(píng)估、疾病預(yù)測(cè)、健康管理建議、虛擬。

2. 智慧醫(yī)院建設(shè)

利用數(shù)字孿生,可以進(jìn)行醫(yī)院規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)院建設(shè)。

3. 臨床決策支持

數(shù)字孿生可以輔助醫(yī)生進(jìn)行個(gè)體化治療方案制定,優(yōu)化臨床決策過(guò)程。

4. 醫(yī)療器械應(yīng)用

基于數(shù)字孿生模型,可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械的使用培訓(xùn)、操作優(yōu)化等。

5. 藥物研發(fā)

利用藥物或人體數(shù)字孿生可以進(jìn)行藥效預(yù)測(cè),加速新藥研發(fā)進(jìn)程。

6. 手術(shù)計(jì)劃與輔助

數(shù)字孿生可提高手術(shù)過(guò)程的精準(zhǔn)性,降低風(fēng)險(xiǎn)。

7. 重癥監(jiān)護(hù)

基于對(duì)重癥患者的數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

8. 康復(fù)治療

數(shù)字孿生輔助制定個(gè)性化的康復(fù)計(jì)劃。

9. 醫(yī)療教育

數(shù)字孿生輔助進(jìn)行臨床技能培訓(xùn)。

10. 疾病管理

基于數(shù)字孿生進(jìn)行慢性病智能化管理。

四、結(jié)合案例

1. 智能健康管理

應(yīng)用:基于數(shù)字孿生的智能健康管理系統(tǒng),可以對(duì)用戶的生理狀態(tài)、生活習(xí)慣等進(jìn)行智能分析,提供健康評(píng)估、疾病預(yù)測(cè)、健康建議等服務(wù)。

過(guò)程:通過(guò)穿戴設(shè)備采集健康數(shù)據(jù),運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建用戶數(shù)字孿生,實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)健康風(fēng)險(xiǎn),并推薦健康管理方案。

效果:實(shí)現(xiàn)智能化的個(gè)性化健康管理,提高健康水平。

2. 智能醫(yī)院

應(yīng)用:基于數(shù)字孿生的智能醫(yī)院系統(tǒng),進(jìn)行全醫(yī)院信息化、智能化、精細(xì)化的運(yùn)營(yíng)管理。

過(guò)程:構(gòu)建醫(yī)院數(shù)字孿生系統(tǒng),實(shí)時(shí)感知各類(lèi)醫(yī)療資源狀態(tài),運(yùn)用優(yōu)化算法進(jìn)行資源調(diào)度,實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)醫(yī)、智能門(mén)診等。

效果:整體提升醫(yī)院運(yùn)營(yíng)效率,提供優(yōu)質(zhì)的就醫(yī)體驗(yàn)。

3. 智能手術(shù)

應(yīng)用:借助手術(shù)過(guò)程的數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)手術(shù)方案優(yōu)化和手術(shù)機(jī)器人精確控制,提高手術(shù)精準(zhǔn)度。

過(guò)程:通過(guò)醫(yī)學(xué)影像等方式獲取患者手術(shù)部位數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)字孿生模型,針對(duì)個(gè)體情況制定最佳手術(shù)方案,并基于數(shù)字孿生進(jìn)行仿真測(cè)試。

效果:縮短手術(shù)時(shí)間,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn),提高手術(shù)成功率。

4. 智能康復(fù)

應(yīng)用:基于患者數(shù)字孿生的個(gè)性化智能康復(fù)系統(tǒng),制定科學(xué)系統(tǒng)的康復(fù)治療方案。

過(guò)程:收集患者身體狀況、病情等數(shù)據(jù),建立數(shù)字孿生,評(píng)估患者功能恢復(fù)情況,持續(xù)優(yōu)化康復(fù)方案。

效果:提高康復(fù)效果,縮短康復(fù)時(shí)間。

五、存在的問(wèn)題

1. 數(shù)據(jù)獲取困難

獲取充分、準(zhǔn)確的實(shí)體數(shù)據(jù)仍存在困難。

2. 系統(tǒng)集成復(fù)雜

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)難以進(jìn)行有效集成

3. 模型搭建難度大

構(gòu)建精準(zhǔn)、復(fù)雜的數(shù)字孿生模型具有很高難度。

4. 計(jì)算資源需求高

數(shù)字孿生仿真需要大量計(jì)算資源支持。

5. 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善

數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作還需推進(jìn)。

6. 應(yīng)用 integration挑戰(zhàn)

如何將數(shù)字孿生深度集成到核心業(yè)務(wù)流程中。

7. 用戶接受度

相關(guān)用戶對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用的認(rèn)知和信任還需提高。

六、發(fā)展建議

1. 加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究

深入研究數(shù)字孿生核心理論,為工程應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2. 積極推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化

研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,推動(dòng)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

3. 開(kāi)發(fā)通用技術(shù)平臺(tái)

開(kāi)發(fā)通用的數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)和解決方案。

4. 加強(qiáng)系統(tǒng)集成能力

提高與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的集成能力。

5. 完善法規(guī)政策

完善數(shù)字孿生技術(shù)的法規(guī)政策保障體系。

6. 加強(qiáng)人才培養(yǎng)

加強(qiáng)數(shù)模結(jié)合人才培養(yǎng),提升數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用能力。

7. 關(guān)注用戶體驗(yàn)

在應(yīng)用推廣中關(guān)注用戶感受,提高用戶接受度。

七、關(guān)鍵技術(shù)解析

1. 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

這是構(gòu)建數(shù)字孿生的基礎(chǔ),需要解決采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、管理大量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的技術(shù)問(wèn)題。

2. 系統(tǒng)建模

重點(diǎn)是建立與實(shí)體高度匹配的digital twin模型。需要研究物理行為規(guī)律,選擇合適的建模方法。

3. 數(shù)字孿生平臺(tái)

用于數(shù)字孿生的創(chuàng)建、管理和運(yùn)用。要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成,數(shù)據(jù)融合與交互等功能。

4. 仿真與仿真優(yōu)化

這是數(shù)字孿生的核心功能之一,需要研究各類(lèi)精確且高效的仿真算法。

5. 人機(jī)交互與可視化

通過(guò)人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生的操作管理,可視化手段實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的直觀顯示。

6. 云計(jì)算與邊緣計(jì)算

提供數(shù)字孿生所需的海量存儲(chǔ)、計(jì)算 power,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互等能力。

7. 數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)

important的是解決數(shù)字孿生應(yīng)用中數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)問(wèn)題。

8. 系統(tǒng)集成方法

數(shù)字孿生系統(tǒng)需要與物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)信息系統(tǒng)等深度集成。

9.5G通信技術(shù)

5G通過(guò)其高帶寬、低時(shí)延等特性為數(shù)字孿生提供實(shí)時(shí)連接保障。

八、總結(jié)

數(shù)字孿生技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合,將為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來(lái)深刻變革,實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)醫(yī)療到主動(dòng)健康管理的轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生將有助于醫(yī)療資源的優(yōu)化配置與科學(xué)使用,并且能提高醫(yī)療質(zhì)量與效率。未來(lái)需要進(jìn)一步研究關(guān)鍵技術(shù),完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn),培育人才,以推動(dòng)這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展

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