Цифровой двойник в медицине и его реализация в HealthOS.
Концепция
Цифровой двойник в медицине является моделью чётко определенного пространственно-тематического фрагмента реального мира. Он представляет собой виртуальную копию физического процесса или концептуальной системы, для простоты называемого объектом, которая хранит информацию об этом объекте и позволяет моделировать или прогнозировать его поведение. Концепция цифрового двойника появилась в результате развития информационных технологий, которые позволили собирать, анализировать и обрабатывать большие объёмы данных, а также создавать сложные модели и симуляции.
Примеры цифрового двойника в HealthOS: лечебный процесс, например, прогноз и купирование фибрилляции и трепетания предсердий; патогенез системы организма, например, сердечно-сосудистой системы в рамках электрокардиографии и пр.
В целом можно выделить четыре причины появления концепции цифрового двойника:
- Ускорение темпов изменений. Для поддержания конкурентоспособности и успешной интеграции новых технологий компаниям необходимо иметь возможность быстро тестировать и оптимизировать свои продукты и процессы. Цифровые двойники позволяют делать это без риска для реальных объектов или процессов.
- Оптимизация ресурсов. Цифровые двойники помогают компаниям управлять своими активами, ресурсами и операциями более эффективно, позволяя предсказывать и предотвращать возможные проблемы, а также оптимизировать использование ресурсов.
- Повышение качества продукции и услуг. Цифровые двойники могут быть использованы для создания виртуальных прототипов продуктов или услуг, что позволяет компаниям тестировать свои идеи, устранять ошибки и улучшать качество продукции до начала производства.
- Безопасность и устойчивость. Цифровые двойники дают возможность тестировать новые стратегии и сценарии в безопасной среде, на вычислительном полигоне, что может помочь компаниям улучшить устойчивость и безопасность своих операций.
Состав
Цифровой двойник состоит из трех компонентов, при этом, для расчёта (inference) и материализации ему необходима вычислительная среда, объединяющая эти компоненты в одно целое. Таким образом, принято считать, что цифровой двойник состоит из четырех компонентов, которые в совокупности обеспечивают его целостность.
Компоненты цифрового двойника:
- Семантика. Это система текстовых определений терминов на одном или нескольких языках. Текстовые описания прикреплены к терминам, которые организованы в согласованный граф знаний. Термины используются для кодирования описания и данных.
- Описание. Это согласованное иерархическое описание структуры, характеристик и признаков процесса, явления или системы, которые моделируются цифровым двойником. Описание выполняется в единой согласованной системе терминов таким образом, чтобы исключить дублирование, противоречия и неопределенности. Описание организовано в граф знаний, который имеет направленные ребра, определяющие корректную интерпретацию описания. Ребро может иметь ассоциированный с ним термин.
- Данные. Это фактические данные о состоянии здоровья пациента, о процессе оказания медицинской помощи, движении товарно-материальных ценностей, режима лечения и пр. Фактические данные в HealthOS организованы в медицинские записи, которые состоят из набора пар «признак-значение», где «признак» закодирован термином, а значение — это факт измерения признака (фактический результат).
- Среда исполнения. Это вычислительная среда, объединяющая компоненты цифрового двойника в одно целое, а также обеспечивающее унифицированный программный и/или пользовательский интерфейс для материализации цифрового двойника как единого целого.
Расчёт и материализация
Как было сказано выше, для расчёта и материализации цифровому двойнику необходима вычислительная среда, объединяющая его компоненты в одно целое — экземпляр, которым можно пользоваться. В зависимости от контура обработки данных, вопрос функционирования цифрового двойника решается по-разному, в зависимости от конфигурации механизма материализации цифрового двойника.
Проиллюстрируем вариант материализации цифрового двойника на примере использования HealthOS в лечебном контуре.
Процесс сборки экземпляра цифрового двойника разбит на три стадии:
- Сбор данных. В рамках оказания медицинской помощи с использованием компонентов HealthOS, таких как концентратор и ассистент, осуществляется сбор сигналов, изображений и медицинских записей. Этот набор данных передается на вход нейросемантическому кодировщику. Концентратор используется для сбора данных с медицинского оборудования (витальные сигналы, изображений, результаты анализов и пр.). Ассистент используется для получения медицинских записей.
- Расчёт. Расчёт (inference) цифрового двойника состоит из двух стадий: нейросемантическое кодирование входящих данных в соответствии с протоколами оригинации источников данных, а также генерация данных для материализации цифрового двойника при помощи доверенного ИИ.
- Материализация. В зависимости от сложности конфигурации доверенного ИИ, а также версии ассистента, материализация может иметь три уровня сложности. Базовый уровень сложности — первый. На этом уровне происходит генерация данных для визуализации второго мнения в интерфейсе ассистента. Второй уровень — генерация летописи пациента. Третий уровень — генерация аватара пациента.
Варианты материализации
Второе мнение
Второе мнение — это первый уровень сложности материализации цифрового двойника пациента. На этом уровне происходит визуализация второго мнения в интерфейсе ассистента, в частности, второе мнение состоит из
- прогнозов изменения состояния пациента на заданное количество времени вперед; например: одно-, пяти-, пятнадцати- минутные прогнозы
- алертов, привлекающих внимание медицинского персонала; алерты генериируются в случае, например, когда состояние пациента ухудшается, а никаких изменений в терапии не происходит
- уведомлений, привлекающих внимание медицинского персонала при наступлении каких-то событий; например, наступление события «уход за центральным венозным катетером (ЦВК)»
- подсказок, привлекающих внимание лечащего врача при принятии врачебных решений; например, варианты исключающего выбора той или иной формы терапии.
Летопись пациента
Летопись пациента — это хронологически согласованное текстовое описание изменения состояния здоровья пациента с учётом фактов оказания медицинской помощи и анализом степени воздействия проводимой терапии. Летопись подробно отражает детали изменения цифрового двойника и может быть альтернативной или предпочтительной формой его материализации при изучении клинического случая в рамках консультаций врачами-специалистами или в процессе обучения.
Аватар пациента
Аватар пациента — это трехмерная графическая модель пациента в целом или выбранной системы или процесса его тела. Это перспективная форма материализации цифрового двойника пациента, над которой ещё предстоит выполнить большую научную и инженерную работу.
Статья создана с помощью большой языковой модели. Для получения консультаций по работе Виртуальной лаборатории — пишите на sales@rtlab.ru, указав в письме «Консультация по использованию Виртуальной лаборатории».