數(shù)字孿生在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用情況如何？

數(shù)字孿生是一個(gè)廣泛的概念，具體到生命科學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，我們可以理解為將數(shù)字孿生分為人體數(shù)字孿生和場景 數(shù)字孿生，其分別具備不同的用途。

一、人體數(shù)字孿生

人體數(shù)字孿生基于多維數(shù)據(jù)，通過建模高精度地復(fù)制 出虛擬人體，以反映特定人體的生理指標(biāo)、健康水平 和生活方式。該種數(shù)字孿生包含幾何模型、物理模 型、生理模型和生化模型。 其中，幾何模型體現(xiàn)的是人體外形和內(nèi)部器官的外觀 和尺寸；物理模型體現(xiàn)的是神經(jīng)、血管、肌肉、骨骼 等的物理特征；生理模型是脈搏、心率等生理數(shù)據(jù)和 特征；生化模型較為復(fù)雜，要在組織、細(xì)胞和分子的 多空間尺度，甚至毫秒、微秒數(shù)量級的多時(shí)間尺度展 現(xiàn)人體生化指標(biāo)。

構(gòu)建這些模型需要基于豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)主要來 源于真實(shí)的數(shù)據(jù)，包括CT、核磁、心電圖、彩超等醫(yī) 療檢測和掃描儀器檢測的數(shù)據(jù)，血常規(guī)、尿檢、生物 酶等生化數(shù)據(jù)，以及健康預(yù)測、手術(shù)仿真、虛擬藥物 試驗(yàn)等虛擬仿真數(shù)據(jù)；此外，還包括歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和 醫(yī)療記錄等。

數(shù)字孿生將會(huì)成為提升個(gè)人健康管理能力的新手段。 其可能的主要應(yīng)用包括： •

患者狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警 ：通過創(chuàng)建屬于特定患者的數(shù)字孿生模型并基于IoT 等技術(shù)回傳數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可以在第一時(shí)間遠(yuǎn)程獲 取、記錄病人的身體狀態(tài)情況，為下一步的治療方 案提供基礎(chǔ)；或者在心臟驟停、自主呼吸停止等緊 急時(shí)刻獲得預(yù)警。這種監(jiān)測和預(yù)警可以降低突發(fā)意 外的可能性并提升患者就醫(yī)體驗(yàn)。

 實(shí)驗(yàn)?zāi)M： 由于數(shù)字孿生可以較為完美地復(fù)制出虛擬人體，因 此可以幫助醫(yī)護(hù)人員、研發(fā)人員進(jìn)行高仿真的實(shí) 驗(yàn)。特定器官的數(shù)字孿生體可以有效模擬疾病演變 和藥物治療的影響。同時(shí)，對于醫(yī)護(hù)人員，人體數(shù) 字孿生可以幫助其進(jìn)行虛擬手術(shù)的驗(yàn)證和訓(xùn)練，或 用于培訓(xùn)。 如今的數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)可以在多個(gè)疾病領(lǐng)域幫助醫(yī) 療健康水平的提升，包括神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾 病、癌癥、傳染病等領(lǐng)域。學(xué)術(shù)界、醫(yī)藥公司、醫(yī)療 機(jī)構(gòu)已在這些疾病領(lǐng)域有所實(shí)踐。

心臟疾?。?心臟是人體重要器官之一，利用數(shù)字孿生模型可以 加深對心臟在生理和功能上的認(rèn)知，幫助實(shí)現(xiàn)從描 述病情到預(yù)測病情的轉(zhuǎn)化。歐洲一些知名醫(yī)療公司 已經(jīng)開始著手心臟數(shù)字孿生的具體實(shí)施方案，它們 利用數(shù)字心臟模擬真實(shí)情況，將難以看到的解剖結(jié) 構(gòu)可視化，用于開發(fā)更有效、更安全的的心臟治療 相關(guān)設(shè)備及器械。

 癌癥 ：癌癥嚴(yán)重威脅著人們的生命和健康，隨著癌癥診療 技術(shù)水平的提高，患者生存期的不斷延長，對癌癥 患者進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和管理可以使生命質(zhì)量達(dá)到最優(yōu) 化。目前已有學(xué)者開始研究創(chuàng)新性的、具有持續(xù)生 命周期的癌癥患者數(shù)字孿生（cancer patient digital twin，CPDT）框架，可以通過使用先進(jìn)的電子設(shè)備 和生物技術(shù)來動(dòng)態(tài)反映患者不同治療和時(shí)間的生理 和生活方式狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)有助于減少臨床決策中 存在的固有不確定性，改善治療結(jié)果。

 流行病學(xué) ：以COVID-19為例，目前已有學(xué)者研究了數(shù)字孿生與 區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)框架。在這個(gè)框架中，一 個(gè)人的智能手機(jī)代表其數(shù)字孿生體。用戶通過智能 手機(jī)上傳健康數(shù)據(jù)（如姓名、年齡、性別和潛在健 康問題等），數(shù)字孿生體結(jié)合其智能手機(jī)的位置信 息自動(dòng)識別密切接觸者，并進(jìn)行軌跡追蹤。當(dāng)患者 的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)（包括到訪地點(diǎn)、密切接觸者、潛 在健康問題等）被發(fā)送到區(qū)塊鏈后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)患 者癥狀嚴(yán)重程度，將其自動(dòng)分配到最

二、場景數(shù)字孿生

與十分精密的人體數(shù)字模型不同，場景數(shù)字模型主要應(yīng)用于特定物理空間，使虛擬模型和醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行信息 融合、數(shù)據(jù)交互，并在虛擬空間中完成映射，實(shí)現(xiàn)對醫(yī)療機(jī)構(gòu)實(shí)體的全面掌握，反映相對應(yīng)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部實(shí)體 設(shè)備的全生命周期過程。 基于5G、IoT、AI和三維可視化系統(tǒng)，可以搭建一套涵蓋從外部建筑到內(nèi)部設(shè)備，從門診到手術(shù)室、住院病房， 從入院人流量管理到停車管理等全方位的端到端的醫(yī)院數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院的全過程高效管理。

醫(yī)院孿生系統(tǒng)覆蓋了以下幾大關(guān)鍵主要功能，以實(shí)現(xiàn)醫(yī) 院的調(diào)度一體化、數(shù)據(jù)透明化和管理智慧化。

 院內(nèi)患者流管理： 醫(yī)院作為公共場所，人員來往較為復(fù)雜，基于醫(yī)院 數(shù)字孿生平臺提供的軟件界面，可以實(shí)現(xiàn)全園區(qū)實(shí) 時(shí)覆蓋以及24小時(shí)不間斷巡視，對可疑人員進(jìn)行實(shí) 時(shí)信息抓取，并對人員來往流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，便 于院內(nèi)患者的合理疏散，提高安全性。

手術(shù)管理 ：通過數(shù)字孿生醫(yī)院，醫(yī)院管理人員可以實(shí)時(shí)了解每 一臺手術(shù)的全面信息，包括手術(shù)的病理信息、醫(yī)護(hù) 人員安排、手術(shù)藥物耗材器械使用情況，提高管理 效率和醫(yī)療質(zhì)量。

后臺運(yùn)營管理： 數(shù)字孿生醫(yī)院可以實(shí)現(xiàn)“人”“財(cái)”“物”的可視化、精 細(xì)化管理。在“人”方面，實(shí)現(xiàn)人員考勤甚至人員位 置的管控；“財(cái)”方面進(jìn)行資金流入流出的監(jiān)控和預(yù) 警，滿足醫(yī)保合理控費(fèi)的要求；在“物”方面，對院 內(nèi)設(shè)備耗材、車輛停泊、電梯等進(jìn)行實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān) 測。

應(yīng)急預(yù)警 ：數(shù)字孿生醫(yī)院可以基于時(shí)間、空間、數(shù)據(jù)等多個(gè)維 度設(shè)定告警觸發(fā)規(guī)則，并支持基于地理信息系統(tǒng)， 對突發(fā)事件進(jìn)行快速定位，標(biāo)示事件內(nèi)容，并智能 篩選、查看周邊監(jiān)控視頻和應(yīng)急資源，方便管理人 員對突發(fā)事件周邊情況進(jìn)行判定和分析。