На протяжении веков наука шла по пути гипотез и многочисленных опытов. Часто для проведения эксперимента требовалось много специальных условий, временных и денежных затрат. Сегодня есть возможность все эксперименты проводить в цифровом пространстве – для этого используют цифровые двойники.
Что такое цифровые двойники
Цифровой двойник — это виртуальная модель любых объектов, систем, процессов или людей. Она точно воспроизводит форму и действия оригинала и синхронизирована с ним. Например, можно создать двойник человеческого органа или целого города с домами, инфраструктурой и жителями.
Цифровой двойник нужен, чтобы поставить опыт и понять, что будет происходить с объектом в тех или иных условиях. При этом такое виртуальное тестирование значительно сокращает расходы и экономит время. Вредное влияние на окружающую среду и людей тоже сводится к минимуму. По оценке аналитиков Accenture и Dassault Systèmes, использование цифровых двойников позволит компаниям по всему миру к 2030 году совокупно сэкономить $1,3 трлн и уберечь планету от выброса 7,5 гигатонн углекислого газа.
Использовать эту технологию начали с 2010 года. Первой областью, где применили цифровой двойник, была космонавтика: в отчете NASA о моделировании и симуляции появляются сведения о сверхреалистичной виртуальной копии космического корабля, которая воспроизводила бы этапы строительства, испытаний и полетов.
Благодаря развитию интернета вещей и искусственного интеллекта, начиная с 2015 года, началось активное распространение этой технологии. Сейчас цифровые двойники используются в любых областях — в строительстве, транспорте, электронике, медицине.
Зачем нужны цифровые двойники в здравоохранении
Технология цифровых двойников дает возможность перейти здравоохранению на качественно новый этап. Медицина 21 века стремится стать полностью персонализированной. Ее цель состоит в том, чтобы найти подходящую схему лечения для конкретного больного в соответствии с его индивидуальными данными. Концепция, по которой раньше лечили заболевание, а не человека, себя изживает: традиционные, создаваемые для лечения конкретного заболевания лекарственные препараты, оказываются неэффективными для 30–60% пациентов. Выход – сбор и анализ всех индивидуальных данных пациента и принятие решения на их основе. Для этого и нужен «цифровой двойник» человека.
Цифровые двойники могут улучшить разработку, тестирование и мониторинг новых медицинских устройств и лекарств.
Кроме того, цифровой двойник может быть создан и для всей медорганизации для повышения эффективности на разных этапах операционного управления.
Цифровой пациент
Если до недавнего времени весь анамнез пациента – от антропометрических данных до истории болезни и результатов обследований — собирался в медицинской карте, то сегодня технологии предлагают собирать все эти данные в цифровом двойнике. Если регулярно собирать измерения жизненных показателей человека и сведения об обследовании его органов, можно построить виртуальную копию человека со всеми его анатомическими и физиологическими особенностями. Это даст возможность быстрее и точнее диагностировать заболевания и назначать лечение. Пока технологии не продвинулись так далеко и «цифровой пациент» — термин из будущего. Однако цифровые копии отдельных органов ученые создают уже сейчас.
Больше всего разработок ведется для создания виртуальной модели сердца. Замысел ученых – создание модели, которую можно снабдить индивидуальными характеристиками отдельных пациентов. В этом направлении работает исследовательская программа под названием Echoes, в которой участвуют исследователи из Европы, Великобритании и США, немецкий производитель медицинского оборудования Siemens Healthineers, французский разработчиков ПО Dassault Systèmes. Краудсорсинговый проект Dassault Systèmes «Живое сердце» объединил исследователей, хирургов, производителей медицинского оборудования и фармацевтические компании. Компания организовала аналогичные проекты для разработки цифровых двойников легких, колен, глаз и других систем и органов.
Разработка компании Philips — Philips Heart Model — позволяет смоделировать сердце пациента с помощью данных УЗИ – диагностики. Она объединяет их и создает 3D-модель левых камер сердца пациента, а также рассчитывать показатель способности сердца качать кровь — важнейший параметр оценки сердечной функции.
Модель была получена на основании данных об анатомии сердца и результатов более тысячи ультразвуковых исследований сердец различных форм и размеров, но адаптируется под данные УЗИ каждого конкретного пациента.
Российские ученые из НЦМУ «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» первого МГМУ им. Сеченова создали собственный цифрового двойника сердца человека в мае 2022 года. Пока эта разработка используется в качестве образовательного инструмента в вузе, но в дальнейшем станет инструментом для медиков.
Ученые Пермского Политеха создали цифровой двойник желчевыделительной системы человека для диагностики и планирования лечения желчнокаменной болезни. В мировой медицинской практике аналогов этого решения пока нет.
Виртуальная модель учитывает индивидуальные особенности строения желчного пузыря и желчевыводящих путей и ряд параметров, позволяющих определять характер течения желчи в протоках. Такая виртуальная модель позволяет спрогнозировать, что будет происходить при том или ином хирургическом или медикаментозном воздействии. Другими словами, врач заранее знает, какими будут последствия операции и картина восстановления пациента и может более взвешенно планировать маршрут лечения..
Виртуальные двойники болезней
Ученые предлагают создавать цифровые двойники не только пациентов, но и болезней. Они смогут стать инструментами, которые позволят распознавать в человеческом организме отклонения от нормы и сигнализировать о возможных патологиях на самых ранних стадиях.
В России этим занимается научный центр «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» при Сеченовском университете и Новгородский государственный университет. Сейчас специалисты центра работают над созданием цифрового двйоника рака кишечника. Для этого они собирают биоресурсную коллекцию сканов микропрепаратов кишки, чтобы при цифровой обработке материала выявить морфологические паттерны, отвечающие за прогноз и течение заболевания. Модель позволит выделить признаки, определяющие развитие заболевания, поможет выработать наиболее эффективное лечение. Кроме того, эта модель сможет выявить критерии для опережающей диагностики рака кишечника.
Цифровые двойники для создания лекарств и медтехники
На цифровом двойнике человека можно тестировать воздействие различных фармацевтических препаратов. Это значительно сокращает срок внедрения медикаментов. Например, технологию использовали при создании западных вакцин от COVID-19. Во многом благодаря ей препараты удалось быстро запустить в производство. Цифровая модель лекарств и химических веществ позволяют ученым усовершенствовать или переделывать препараты с учетом размера частиц и характеристик состава для повышения эффективности доставки.
То же самое касается и медицинских устройств: разработчики могут тестировать характеристики устройств и проверять эффективность различных модификаций на цифровой модели перед запуском в производство. Благодаря технологии цифрового двойника можно более эффективно использовать медицинскую технику. Система собирает данные, которые отражают ежедневную работу оборудования, и на их основе сообщает, когда оно может сломаться, когда и какие детали нужно заменить.
ОМС