Цифровой двойник в медицине

В статье рассматривается концепция цифрового двойника 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, объекта 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.

В целом можно выделить четыре причины появления концепции цифрового двойника:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

Примеры цифрового двойника в HealthOS: прогноз, купирование и профилактика фибрилляции и трепетания предсердий (лечебный процесс); патогенез сердечно-сосудистой системы в рамках электрокардиографии» и пр.

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.

Цифровой двойник в медицине
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. Описание в HealthOS называется картой знаний.
  • 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

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.

Рассмотрим вариант материализации цифрового двойника, указанный на рисунке.

Лечебный контур HealthOS

Процесс сборки экземпляра цифрового двойника разбит на три стадии:

  1. Сбор данных. При оказании медицинской помощи, с участием Концентратора и Ассистента (компоненты HealthOS) осуществляется сбор первичных медицинских данных. Эти данные передаются на вход нейросемантическому кодировщику. Концентратор используется для сбора данных с медицинского оборудования — витальные сигналы, изображения, результаты анализов и пр. Ассистент используется для получения медицинских записей, создаваемых врачами или медсестрами.
  2. Расчёт. Расчёт (inference) цифрового двойника состоит из двух стадий. Первая: нейросемантическое кодирование входящих данных в соответствии с протоколами определения признаков источников данных в блоке Расчет признаков. Вторая: генерация данных для материализации цифрового двойника при помощи доверенного ИИ в блоке Генеративный ИИ. Блок Аудитор рисков обеспечивает регистрацию рисков искажения информации при расчете признаков и генерации данных.
  3. Материализация. В зависимости от конфигурации Генеративного ИИ и Ассистента, материализация цифрового двойника может иметь три уровня сложности. Первый уровень — WEB-интерфейс. На первом уровне происходит генерация данных для визуализации второго мнения в WEB-интерфейсе Ассистента. Второй уровень — Летопись. На втором уровне происходит генерация хронологически упорядоченного текстового описания состояния цифрового двойника. Третий уровень — Аватар. На третьем уровне происходит генерация данных для двух или трехмерной визуализации цифрового двойника.

Материализация

Второе мнение

На этом уровне происходит визуализация второго мнения в WEB-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

Летопись — 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. Способ взаимодействия медицинского работника с Летописью — вопрос-ответ на естественном языке.

Аватар

Аватар — это двух- или 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. Способ взаимодействия медицинского работника с Аватаром — AR/VR-гарнитура.

Что дальше?

Для получения дополнительной информации по использованию цифрового двойника в медицине пишите на адрес sales@rtlab.ru с указанием в теме письма «Вопрос по цифровому двойнику в HealthOS» и указанием в теле письма контактов для обратной связи.


Автор: Александр Прозоров