Abstract

Abstract

The article presents systematic review of National and foreign publications concerning strategy of digital society development, definitions and concepts of digital twins in health care. The analysis of development of digital twins of patients and application of digital twins of human organs in medicine is presented. The experience of digital twins functioning in health care management system in Russia and abroad is presented.

Full Text

Понятие «цифровой двойник» (ЦД), или «цифровые близнецы», впервые дано Дэвидом Гелернтером [1]. M. Grievers [2] определил концептуальную модель ЦД на производстве, так называемую зеркальную пространственную модель.
«Цифровой двойник», или «цифровой близнец» (digital twin), — это цифровая копия процесса, объекта или услуги. Цель digital twins — моделирование физического объекта в виртуальном пространстве [3].
Профессор Мичиганского университета Майкл Гривс (Michael Grieves) в 2002 г. определил три основные части ЦД: физический продукт, виртуальный продукт и данные информации, которые их объединяют [2].
А. Прохоров и М. Лысачев [4] определяют ЦД как компьютерный прообраз объекта, который, учитывая имеющуюся информацию, распределенную по установленным алгоритмам, может прогнозировать поведение своей физической копии и при этом способен корректировать потенциальные сбои.
Разработка ЦД в России проводится в рамках TechNet Национальной технологической инициативы.
Согласно дорожной карте «Национальная технологическая инициатива», до 2024 г. 250 российских предприятий будут использовать ЦД, при этом затраты на их организацию составят 145 млрд руб. [5]
В Указе Президента РФ от 09.05.2017 № 203 «Стратегия развития информационного общества в РФ на 2017—2030 гг.» [6] определено развитие цифровизации в различных отраслях экономики. Национальный консорциум «Цифровое здравоохранение» в 2018 г. включил разработку ЦД в здравоохранении [7].
В здравоохранении используются следующие понятия и дефиниции: «цифровой двойник», «виртуальная модель пациента (органа)», «цифровой профиль пациента», «аватар пациента» [8].
L. Craft и M. Jones [9] отмечают активизацию интереса к «цифровым двойникам в здравоохранении». ЦД в здравоохранения активно внедряются в разных сферах деятельности [10]. По мнению ряда исследователей, ЦД в системе здравоохранения можно использовать в трех направлениях: персонализированная медицина, внедрение новых лекарственных препаратов и совершенствование медицинских устройств, координация бизнес-процессов в медицинской организации [11, 12].
В 2021 г. Минздравом России была инициирована цифровизация в рамках проекта модернизации первичного звена в здравоохранении. Цифровизация здравоохранения предполагает внесение всех данных о пациенте в единый цифровой ресурс [13]. Внедрение цифровых технологий требует реформирования состава медицинских кадров и их подготовки. Это уже используется в рамках университетского кластера Московского физико-технического института и нуждается в активизации его применения [14, 15].
В России создается «Центр апробации и акселерации цифровых технологий в здравоохранении», участники разработки — Ассоциация «Национальная база медицинских знаний» совместно с ФГБНУ «Национальный научно-исследовательский институт общественного здоровья имени Н. А. Семашко» при участии Центра научно-технической информации Московского физико-технического института (ЦНТИ МФТИ) и негосударственный институт развития «Иннопрактика». Задачи центра — помощь разработчикам с момента оформления идеи до вывода готового продукта [16].
В настоящее время ЦД используется в разных сегментах медицины. В 2018 г. в меморандуме создания национального консорциума «Цифровое здравоохранение» определена разработка ЦД человека, а также соответствующих стандартов для его реализации.
В отчете результатов проекта DISCIPULUS отмечено, что создание ЦД человека требует комплексных междисциплинарных исследований в области математики, биомедицины, биоинженерии, компьютеризации, для чего необходимы значительные финансовые и ресурсные затраты [17].
Н. Lehrach и соавт. [18] разработали систему моделирования биологии пациента, а также лечения и профилактики заболеваний с использованием ЦД. Исследователи проводили сравнение физического статуса пациента с геномом человека (Human Genome Project, HGP) [19]. Представлена модель ЦД пациента, которая автоматически определяет физиологию состояния пациента. Платформа сканирует тело пациента и обеспечивает управление данными, что позволяет определить организацию более доступной профилактической медицинской помощи [20].
ЦД конкретного пациента включает набор сведений: генетические тесты, обследования, лабораторные тесты и др. ЦД пациента использует программное обеспечение в автоматизированных инсулиновых помпах, в кардиостимуляторах, в приборах для исследования мозга [21].
ЦД пациента может быть использован для оценки его предрасположенности к заболеванию, для разработки рекомендаций по снижению риска возникновения заболевания, а также для ранней диагностики патологического процесса [22]. Анализ ЦД больших групп пациентов позволит определить риски развития заболеваний (генетические, экологические и поведенческие) и разрабатывать индивидуальные «дорожные карты здоровья», а также перейти к превентивной и профилактической системе здравоохранения [23]. ЦД человека может быть использован для прогнозирования угроз здоровью с применением моделирования рисков угроз опасных ситуаций, определения уровня допустимых концентраций вредных веществ, радиации, при этом высылаются предупреждение и рекомендации по их устранению [4].
Внедрение некоторых дорогостоящих технологий в клиническую практику может дать гипердиагностику и избыточные манипуляции, отрицательное влияние на стоимость и результативность лечения [24]. ЦД предоставляет базовую оперативную информацию и позволяет определять приоритет взаимодействия пациента с врачами [25]. Цифровую модель двойника пациента возможно использовать для моделирования медицинских процедур с целью определения оптимальных методов лечения пациента. В условиях госпиталя создается «виртуальный близнец» пациента, на котором моделируют варианты лечения. После госпитализации в домашних условиях пациент использует устройства для контроля показателей своего здоровья [17].
Поисковая система «Дифференцированное лечение» позволяет ускорить выбор персонализированной терапии для пациента и минимизировать риски, связанные в лекарственным взаимодействием. Преимуществом перевода клинических рекомендаций на цифровизацию является возможность избежать рутинной работы с информацией о пациенте и больше времени уделить лечению [26]. ЦД пациента предполагает строить более точный диагноз и выбирать персонализированное лечение с учетом коморбидностей пациентов [27].
Внедрение ЦД пациента требует изменения кадрового состава. Будут необходимы: врач-генетик, оператор медицинских роботов, архитектор медицинского оборудования и другие новые специалисты. Кроме того, потребуется новое понятие — «сетевой врач» [28].
Внедрение в систему здравоохранения цифровых технологий предполагает повышение эффективности медицинской помощи населению и улучшение качества жизни пациента [16, 29]. В исследовательских работах, касающихся ЦД, в основном приводятся физические данные построения ЦД. При этом медицинские данные могут быть дополнены сведениями о социальном поведении человека. А. Прохоров и М. Лысачев [4] отмечают, что в текущем десятилетии пациенты будут иметь возможность общаться со своим ЦД по поводу поддержки здоровья.
Ряд исследовательских работ указывают на значимость использования ЦД в региональной системе здравоохранения — это перспективные системы, которые позволяют создавать цифровое сопряжение реальных объектов, отслеживать их состояние в динамике с целью разработки управленческих решений [30, 31]. Следует отметить, что активизация развития цифрового здравоохранения становится основой персонализированной медицины, при этом необходимо принятие общего стандарта обмена медицинскими данными.
За рубежом и в нашей стране накоплен определенный опыт использования ЦД органов человека. Французская компания Dassault Systèmes осуществила проект ЦД «Живое сердце» (Living Heart). Проект осуществлялся с международным сотрудничеством и включал более 95 медицинских организаций во всем мире [32].
Компанией Siemens Healthineers используются ЦД, что позволяет сократить время установки диагноза, осуществлять выбор терапевтических методов лечения. Компания осуществляет также разработку ЦД мозга и других органов [33].
Компанией Philips создана виртуальная модель сердца, полученная на основе изучения и анализа данных нескольких тысяч ультразвуковых исследований сердца пациентов [34]. Компанией «GPS-здравоохранение» осуществляются исследования по созданию ЦД сердца для лечения и моделирования сердечных вмешательств [35]. Создан ЦД человека с целью лечения и диагностики стенозов сонных артерий по вибрации головы [36, 37].
Проект компании «Живой мозг» проводит работу по изучению нейродегенеративных заболеваний мозга на его модели. Dassault Systèmes инициировала проекты развития ЦД легких, глаз, коленных суставов и других систем и органов [38]. Существует опыт использования цифровых близнецов для лечения рассеянного склероза [39, 40].
Накоплен опыт использования ЦД в онкологии с целью выбора оптимальных методов лечения и реабилитации пациентов [41]. Имеется опыт применения ЦД в лечении сахарного диабета [42, 43].
В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) создан ЦД шеи, который позволяет эффективно планировать операции на щитовидной железе [44].
Пандемия COVID-19 определила значимость использования цифровых технологий для прогнозирования эпидемического процесса [45].
Весьма значим опыт использования нейронных имплантов для протезирования у слепых и слабовидящих, что дает возможность доступа к восприятию информации на основе сигналов, которые обычно недоступны для человека [46].
Следует отметить достижения развития цифрового здравоохранения и ЦД в Российской Федерации. В Национальном медицинском исследовательском центре сердечно-сосудистой хирургии им. А. Н. Бакулева и Научно-исследовательском институте скорой помощи им. Н. В. Склифосовского созданы ЦД сердца и сердечно-сосудистой системы. Осуществляется прогнозирование физического состояния пациента без его физического присутствия [4].
В Самарском политехническом институте в Центре «Компьютерный инжиниринг и цифровое производство» разработан ЦД сердечно-сосудистой системы. В Зеленоградском инновационно-технологическом центре на базе Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ «МИЭТ»; бывший Московский институт электронной техники) осуществляется работа по созданию ЦД сердца и крупных сосудов. Моделирование ЦД проводится с использованием программного обеспечения ANSYS Fluent [4].
В Первом Московском медицинском университете им. И. М. Сеченова организован научный центр «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение». Задачами центра является разработка ЦД для ранней диагностики и прогноза развития кардиологических и онкологических заболеваний. В Центре создана информационная платформа доклинических исследований в области онкологии и кардиологии [47].
В рамках проекта по модернизации первичного звена системы здравоохранения планируется создание ее ЦД. Как сообщил министр здравоохранения Михаил Мурашко, планируется создать ЦД пациента, что позволит формировать программы лечения и профилактики.
Однако при всей значимости перехода на цифровое здравоохранение в нашей стране отмечается недостаточность привлечения научных обществ к этой проблеме [48]. По числу публикаций в изданиях, индексируемых в WoS, ЦД в здравоохранении Российской Федерации занимают 35-е место в мире и 20-е место в числе заявок на изобретения и патенты, что не дает основания говорить о превосходстве достижений исследовательской работы в нашей стране на мировом уровне [49, 50].
В России еще не готовы в полной мере использовать цифровые технологии и ЦД пациента, но имеется опыт работы ЦД органов пациента. Фундаментальная база развития цифровых технологий и цифрового пациента будущего в России уже заложена[7].
Есть опыт работы ЦД с целью управления в системе здравоохранения. За рубежом накоплен определенный опыт работы ЦД управления «больницей». Университетом Южной Каролины Siemens Healthineers создан проект «управления госпиталем», включающий оптимизацию лечения пациентов с инсультом [51].
ЦД лаборатории может автоматизировать процессы лабораторных исследований. экспериментов [25]. ЦД используют для изучения побочных действий различных лекарственных препаратов и безопасности их комбинаций [52].
В Российской Федерации идет работа по созданию цифровых моделей (двойников) медицинских организаций. В паспорте «Стратегии цифровой трансформации здравоохранения РФ» определено создание ЦД в 96 тыс. медицинских учреждений. Цифровой профиль медицинской организации включает оснащение оборудованием и кадровое обеспечение, информацию о профессиональных компетенциях медработника и трудовой деятельности.
«Цифровой двойник медицинской организации» — это информационная система, которая содержит и позволяет отслеживать все необходимые данные о ней, включая лицензирование, аккредитацию медицинских работников, а также взаимодействие с другими информационными системами [53]. Цифровой профиль медицинской организации включает виды деятельности, кадровое обеспечение, оснащение оборудованием, информацию о профессиональных компетенциях и трудовой деятельности медицинского работника.
Имеется опыт работы ЦД на региональном уровне для управления маршрутизацией пациентов [54], а также с целью управления потоками пациентов в медицинской организации [55]. ЦД используются также для управления ресурсами в медицинских организациях [56].
Инициатива Минздрава России — создать не только единый Федеральный регистр медицинских работников (ФРМР), но и Национальную цифровую платформу «Здоровье», основная цель которой — формирование единой цифровой экосистемы, объединяющей клиники, медицинских работников и пациентов, а также обеспечение безопасности, конфиденциальности и надежности обработки медицинских данных. При этом необходимо обеспечение безопасности и корректности статистической информации обработки. Следует обучить врачей работе с новыми сервисами [53].
Заключение
Стратегия цифровой трансформации и ЦД в здравоохранении в Российской Федерации расписана до 2030 г. [7], при этом фундаментальная база их развития уже заложена.