Аннотация

Аннотация

В статье представлен систематический обзор отечественной и иностранной литературы, касающейся стратегии развития цифрового общества, определений и понятий цифровых двойников в здравоохранении. Дан анализ развития цифровых двойников пациентов, использования в медицине цифровых двойников органов человека. Представлен опыт работы цифровых двойников в системе управления здравоохранением в нашей стране и за рубежом.

Полный текст

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.