数字孪生技术及其在医疗领域的应用

数字孪生技术及其在医疗领域的应用

 胡俊平  王雄伟

浙江省建筑设计研究院  浙江省杭州市  310000

摘要：数字孪生技术在医疗健康领域具有广泛的应用潜力。可以帮助医生提供更精准的诊断和治疗方案，提高患者的医疗体验和治疗效果，并对疾病预防和公共卫生决策提供支持。基于此，文章主要分析了数字孪生技术及其在医疗领域的应用，推动数字孪生技术在医疗领域健康发展。

关键词：数字孪生技术；医疗领域；应用

1数字孪生技术的概念

数字孪生是指通过建立一个数字模型来仿真和反映物理实体、系统或过程的概念，是真实世界与虚拟世界之间的桥梁，将物理实体的各个方面、性能和行为以数字形式表示，使得可以在虚拟环境中测试、分析、优化和预测实体的运行情况。数字孪生技术基于物理实体的数据采集，使用传感器、监测设备和其他数据源来实时获取物理实体的运行状况，将这些数据输入到数字模型中。数字模型可以是三维几何模型、数学模型、物理模型或多模型的组合，它以数字化的形式准确地描述了实体的结构、特性、行为和动态过程。通过数字孪生技术，可以进行有效的实时监测、预测和优化。它可以用于各种领域，如工业制造、能源、交通、建筑等。在制造业中，数字孪生可以用于产品设计、工艺模拟、生产规划和质量控制。在能源领域，可以用于电网管理、风力发电和太阳能等可再生能源的优化。在交通领域，可以用于交通管理和智能交通系统的优化。在建筑领域，可以用于建筑设计、施工和运维的改进。

2数字孪生技术在医疗领域的应用

2.1医院运营管理

数字孪生技术在医院运营管理中的应用主要体现在以下三个方面：（1）可视化。通过图像处理技术和BI工具，数字孪生系统能够以场景展示和特征展示的方式呈现物理世界中特定目标实体（如患者、资源或流程）的情况。这对医院管理者来说非常有帮助，可以实时了解各目标实体在时间和空间上的变化情况。使用图像处理技术，数字孪生系统可以对患者进行视觉化展示，包括其身体状况、医疗图像、检查结果等。这有助于医院管理者更好地了解患者的病情，便于制定更准确的治疗计划和决策。同时，数字孪生系统还可以展示资源的分布和利用情况，例如医护人员的工作状态、设备的运行情况等。这可以帮助管理者实时监控资源的使用效率，并进行合理安排和调配。此外，数字孪生系统还能展示流程的运行情况，包括患者的就诊流程、医疗流程等。管理者可以通过数字孪生系统追踪和监测整个流程中的关键节点和瓶颈，以优化流程并提高效率。（2）仿真分析。数字孪生系统可以采用不同的建模方法来对目标实体的运行规律和相互关系进行建模，选择适当的建模方法取决于场景特点和管理者关注的问题。离散时间模拟是一种常用的建模方法，模拟系统中的各个实体和事件，通过逐个离散的时间步来模拟系统的运行过程。离散时间模拟适用于提供流程业务上的仿真输出，比如模拟患者在医院内的排队等待时间、资源的利用情况和整体流程效率等。可以帮助管理者了解和优化医疗流程，改进资源分配和提高服务效率。蒙特卡洛方法也是一种常用的建模方法，基于随机抽样和统计推断的原理，通过生成随机样本来模拟系统的行为和变化。蒙特卡洛方法适用于对不确定性问题进行建模和分析，能够提供对系统状态的概率分布和风险评估。在医疗领域，蒙特卡洛方法可以用于患者流量的预测、资源需求的估计和决策风险的评估等方面。基于代理的建模方法则更注重对个体的建模和分析。将系统中的实体抽象为代理，并考虑其个体特征、行为和相互作用关系。基于代理的建模方法在重症患者管理等场景中得到应用，可以精确地模拟和分析患者的病情演变、治疗效果和资源利用等。这种建模方法能够帮助医护人员制定个性化的治疗方案，并进行风险评估和效果预测。（3）决策推演。数字孪生系统利用目标实体的历史数据和实时数据进行“what-if”推演分析，为决策提供支持。数字孪生技术可以通过同步映射真实的医疗过程，根据实时的、多立面的数据进行监测、仿真和推演预测资源和流程的走向。具体来说，数字孪生技术通过整合历史数据和实时数据，可以构建一个实时反映目标实体状态的数字模型。该模型可以模拟目标实体的各个方面，例如设备运行状态、患者流程、人员分布等。通过对这个数字模型进行监测和分析，管理者可以了解当前的资源状况、流程效率和问题点。此外，数字孪生技术还可以进行仿真和推演预测。通过对数字模型进行不同场景的“what-if”分析，管理者可以探索不同的决策方案对医疗过程的影响。例如，他们可以模拟增加或减少某项资源的情况，观察对患者等待时间、工作效率和资源利用率等指标的影响。通过这些仿真和推演预测，管理者可以更好地评估各种决策方案的优劣，从而做出明智的决策。

2.2医院空间及设备管理

医院空间模型是通过定义医院内各个区域、活动边界、驻留空间和移动通道等，来描述医院内部的空间布局、结构和关系。医院空间模型为医护人员、患者和设备等实体对象在医院内活动的时空过程提供了封闭且完备的描述。它能够精确反映医院内部的布局和结构，包括门诊区、病房、手术室、检验室、药房、候诊区等各个功能区域。通过医院空间模型，可以模拟和分析医院内人员和设备的运行路径、交互关系和资源利用情况。医院空间模型与医疗业务紧密关联。它提供了一个全面的视角，使得医疗业务流程可以与医院空间相互协调。例如，在手术室中，医院空间模型可以准确描述手术台、麻醉设备、手术仪器等的摆放位置和交互关系，帮助医护人员规划流程、优化手术效率和确保患者安全。医院空间模型也为医院运营管理提供了重要依据。通过模拟不同的布局和流程方案，可以评估和优化医院的整体效率、资源利用率和人员配备。它还可以帮助规划新医院建设或现有医院改造，提前预测和解决潜在的瓶颈和问题。

2.3医疗及健康管理

数字孪生技术在医疗及健康管理领域提供了基于时空演化的实践新思路，能够建立孪生系统来揭示实体的演化路径，并提供演化的状态监测、预测和模拟验证支持。但同时也面临着一些挑战，特别是涉及到个人隐私和敏感数据的安全性和隐私保护。随着传感器和信号采集系统在医疗领域的应用越来越广泛，医疗数字化程度的提升将增加医疗行业对数字孪生技术的需求和内部应用能力。然而，数字孪生技术以个体数据为基础，其中包含大量患者个人隐私和敏感数据。医疗领域的数据聚合体具有细粒度和高纬度，同时医疗领域的人员和设备数据采集也广泛采用了物联网和传感器技术，这使得传统的安全控制策略无法适用于快速发展的物联网和传感器技术。在数字孪生技术的实践过程中，安全攻击风险是需要充分关注的问题。为了确保数据的安全和隐私，需要制定相应的安全策略。这包括采用先进的加密技术保护数据的传输和存储安全，建立严格的访问控制机制，确保只有授权人员能够访问和使用敏感数据。同时，也需要进行安全漏洞的测试和修复，并确保数字孪生系统在整个生命周期中保持安全性。

3结语

数字孪生是医院数字化转型和医疗健康管理的重要发展方向。标准化数据的实时共享是数字孪生的建设基础，实现基于数字化描述模型的一体化全量认知是技术发展趋势。基于广域数据共享的数字孪生将在物理系统/目标实体上实现广域数字化应用。虽然仍面临着医疗领域业务及数据采集的复杂现状和对数据安全的高要求，但是，随着医院自身各类资产、流程及业务交互的数字化程度不断提升，管理人员和临床对以全业务数字驱动解决生命健康问题的要求日益增加，相信数字孪生技术将继续在医疗领域得到关注和应用发展。

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