Digital Twins in Healthcare: an Assessment of Technological and Practical Prospects

Olga  S. Kobyakova; Кобякова Ольга Сергеевна; Vladimir  I. Starodubov; Стародубов Владимир Иванович; Natalia  G. Kurakova; Куракова Наталия Глебовна; Liliya A. Tsvetkova; Цветкова Лилия Анатольевна

doi:10.15690/vramn1717

Digital Twins in Healthcare: an Assessment of Technological and Practical Prospects

Authors: Kobyakova O.S.¹, Starodubov V.I.¹, Kurakova N.G.², Tsvetkova L.A.²
Affiliations:
1. Federal Research Institute for Health Organization and Informatics
2. The Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration
Issue: Vol 76, No 5 (2021)
Pages: 476-487
Section: HEALTH CARE MANAGEMENT: CURRENT ISSUES
URL: https://vestnikramn.spr-journal.ru/jour/article/view/1717
DOI: https://doi.org/10.15690/vramn1717
ID: 1717

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Background. The technological direction digital Twins is included in the list of the main strategic technological trends of 2019–2021. At the end of 2021, an initiative was announced in the Russian Federation aimed at creating a digital twin in the domestic healthcare system as part of the primary care modernization project. Aims — the purpose of the study is to review possible ways of using digital twins technology in the global healthcare system and in its Russian segment, as well as to build patent and publication landscapes to identify technological and academic leaders of the frontier. Methods. Scientometric and patent analysis. Results. The key stages of the development of the frontier “digital twins in healthcare” are traced. According to the data of the scientometric and patent analyses carried out in the priority direction “digital twins in healthcare and medicine”, the Russian Federation at the end of 2021 ranks 35th in the world in terms of specific weight in the total number of articles in publications indexed in WoS, and 20th in the world in terms of specific weight in the total number of patent applications for an invention, i.e. it is not among the 10 leading countries. The citation of domestic publications in the internationalized segment is significantly lower than the average (normalized) indicator, which does not give grounds to talk about the achievement of research excellence and even world-class domestic competence centers. Conclusion. The creation of the Digital Healthcare Consortium in 2018, the world-class Scientific Center “Digital Biodesign and Personalized Healthcare” in 2020 and the initiative of the regulator (Ministry of Health of Russia) in 2021 should be noted as key events in the development of the frontier in the Russian Federation. At the same time, it is important to note that the main global actors in the transformation of the digital twins frontier into high-tech equipment and services are not research centers, but companies acting simultaneously as qualified customers and beneficiaries of ongoing projects of a full innovation cycle. Having huge R&D budgets and having a clear goal setting, it is these participants in the process that become the main drivers of the technological development of the healthcare sector associated with the introduction of digital twins. In this regard, the absence of the direction of Russian companies on the patent landscape cannot but cause concern, which creates risks of using innovative solutions created in the domestic sector of interdisciplinary research in the interests of foreign corporations identified as technology leaders in this review.

Keywords

digital twins, concept of use, healthcare, medicine, technology leaders, platforms, patent landscape, publication landscape

Full Text

Обоснование

Выполняя Указ Президента РФ от 09.05.2017 № 203 «Стратегия развития информационного общества в РФ на 2017–2030 гг.» [1], Правительство РФ инициировало разработку программ, направленных на цифровизацию различных отраслей экономики. Для ускорения цифровизации здравоохранения в 2018 г. был учрежден национальный консорциум «Цифровое здравоохранение», одной из целей которого заявлена разработка цифрового двойника человека и соответствующих стандартов для его построения [2]. В 2020 г. в рамках реализации нацпроекта «Наука» создан Научный центр мирового уровня (НЦМУ) «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение» [3]. В августе 2021 г. Минздрав России анонсировал инициативу, направленную на создание цифрового двойника в отечественной системе здравоохранения в рамках проекта по модернизации первичного звена. Вторая часть инициативы ведомства касается всей инфраструктуры здравоохранения и предлагает изменение формата общения медицинской организации с пациентом благодаря внесению всех данных о нем в единый цифровой ресурс [4].

Согласно расчетам PricewaterhouseCoopers, внедрение сервисов цифровых двойников в отечественном сегменте стационарной медицинской помощи позволит сэкономить до 2025 г. порядка 536 млрд руб., в частности: экономия на лечении хронических больных составит 160 млрд, перераспределение нагрузки медперсонала — 148 млрд, а оптимизация запасов медикаментов и оборудования — 228 млрд [5].

Аналитики компании Gartner включили технологическое направление «цифровые двойники» (Digital Twins) в перечень главных стратегических технологических трендов 2019 г., способных сформировать динамично растущие рынки [6]. В отчете «Цикл шумихи для поставщиков медицинских услуг, 2020» Gartner особо выделила тему «Цифровые двойники в здравоохранении», отметив взрывной интерес к технологии именно в этой отрасли [7]. По данным маркетингового исследования Digital Twin Market — Forecast to 2023, рынок цифровых двойников растет со среднегодовыми темпами 37,87% и к 2023 г. достигнет 15,66 млрд долл. СШA [8].

В Евросоюзе исследования, связанные с использованием технологии цифровых двойников в здравоохранении, были инициированы в ходе реализации 7-й Рамочной программы Европейского союза по исследованиям и разработкам (2007–2013 гг.). Проект DISCIPULUS имел целью создание дорожной карты цифрового пациента как его виртуальной версии, названного руководителем проекта Ванессой Диаз «медицинским аватаром». Цифровую модель пациента следовало использовать для моделирования различных медицинских процедур с целью подбора оптимальных методов лечения реального человека. Конечный результат проекта представлялся следующим образом: после госпитализации пациента создается его виртуальный «близнец» (аватар), на котором проводится тестирование и моделирование различных типов лечения. После выздоровления пациент покидает госпиталь с набором носимых устройств контроля параметров здоровья либо других аналогичных устройств на базе медицинских сенсоров, используемых для мониторинга метрик в домашних условиях. При этом цифровой двойник пациента постоянно «обновляется», отображая процесс восстановления больного. Партнерами проекта DISCIPULUS выступили Университетский колледж Лондона (Великобритания), Университет Шеффилда (Великобритания), Ортопедический институт Риццоли (Италия) и Университет Помпеу Фабра (Испания). В отчете о результатах проекта была отмечена необходимость дополнительных комплексных и междисциплинарных прикладных исследований в области биомедицины, математики, биоинженерии и компьютерных наук, интеграции больших медицинских данных о пациентах, увеличения вычислительных мощностей для масштабного моделирования, а также значительных финансовых и временных ресурсов [9].

Цель настоящего исследования — обзор возможных способов применения цифровых двойников в глобальной системе здравоохранения и в ее российском сегменте, а также построение патентного и публикационного ландшафтов для идентификации технологических и академических лидеров направления.

Концепция цифрового двойника в здравоохранении

Концепция цифрового двойника, которая первоначально называлась моделью зеркальных пространств, была предложена профессором Мичиганского университета Майклом Гривсом (Michael Grieves) еще в 2002 г. [10]. Ему же принадлежит и первое определение: цифровой двойник «содержит три основные части: физический продукт в реальном пространстве, виртуальный продукт в виртуальном пространстве и данные и информацию, которые объединяют виртуальный и физический продукт» [11]. Таким образом, цифровой двойник можно определить как компьютерный прообраз объекта реального мира, представляющий собой продукт виртуальной реальности, который благодаря накопленной информации и установленным алгоритмам может составлять прогнозы поведения своей физической копии, бизнес-процессов в режиме реального времени, а также корректировать и исправлять потенциальные сбои и погрешности [12]. Цифровые двойники нуждаются в постоянном вводе данных, касающихся представленной структуры или поведения оригинала, после чего могут обеспечить моделирование в режиме реального времени и обратную связь [13]. В здравоохранении двойники действуют как цифровая копия физического объекта или услуги, обеспечивая ее мониторинг и оценку. Новое событие — возможность использования цифровых двойников для получения более или менее репрезентативного воспроизведения органов.

В здравоохранении термин «цифровой двойник» не является до настоящего времени строгим и устоявшимся. В отсутствие методологии дифференциации понятий наряду с «цифровым двойником» используются «цифровой профиль пациента», «виртуальная модель пациента (органа)», «аватар пациента» и др. Если понимать термин как зонтичный для различных подходов и толкований, то цифровые двойники рассматриваются в качестве технологической основы для новых практик анализа данных о пациенте, моделирования и прогнозирования последствий широкого круга медицинских манипуляций [13]. Как утверждают К. Bruynseels et al. [14], такие подходы к цифровым двойникам в медицине следуют инженерной парадигме, где отдельные физические артефакты сочетаются с цифровыми моделями, которые динамически отражают статус этих артефактов. Для того чтобы создать такие виртуальные модели человеческих органов или даже целого организма, необходима очень подробная биофизическая информация о человеке, обрабатываемая в течение длительного времени. Это может быть особенно актуально в случаях, когда цифровые двойники рассматриваются в качестве технологической основы развития персонализированной медицины. Сферы применения цифровых двойников быстро расширяются благодаря достижениям в области передачи данных в реальном времени, машинного обучения, технологий виртуальной и дополненной реальности.

По мнению экспертов, именно в системе здравоохранения цифровые двойники смогут полностью раскрыть свой потенциал [15–17] в контуре трех магистральных направлений, таких как: 1) развитие персонализированной медицины; 2) разработка и внедрение новых лекарственных препаратов и медицинских устройств; 3) координация всех бизнес-процессов медицинской организации (оптимизация загрузки коечного фонда, построение логистических цепочек, организация экосистемных партнерств и пр.).

Опрос 399 руководителей здравоохранения из 6 стран мира, проведенный консалтинговой компанией Accenture в 2021 г., показал, что 87% респондентов признают необходимость цифровых двойников для организации сетевого взаимодействия в стратегических экосистемных партнерствах, а 66% ожидают, что инвестиции возглавляемых ими организаций в разработку цифровых двойников многократно возрастут в течение следующих трех лет [18].

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA) США в 2018 г. запустило программу по внедрению различных типов цифровых подходов для тестирования и мониторинга новых медицинских устройств и лекарств [19]. Кроме того, ведомство создает нормативную базу, позволяющую компаниям сертифицировать и продавать программное обеспечение как медицинское устройство [20]. Основная идея состоит в том, чтобы создать цифрового двойника для конкретного пациента из различных источников данных, включая лабораторные тесты, ультразвуковые обследования, данные устройств визуализации и генетических тестов. Также цифровые двойники могут оптимизировать программное обеспечение в кардиостимуляторах, автоматизированных инсулиновых помпах и новых приборах для исследований мозга [21].

Фармацевтические компании используют цифровых двойников для изучения побочных действий различных лекарственных средств, что может повысить безопасность отдельных лекарств и их комбинаций. К настоящему времени созданы базовые модели для 23 препаратов, расширение их перечня поможет сэкономить до 2,5 млрд долл., необходимых для разработки, тестирования, утверждения и запуска в производство новых лекарственных средств [22].

Некоторые исследователи сравнивают текущий статус технологии цифровых двойников с проектом расшифровки генома человека (Human Genome Project, HGP). По их мнению, потенциал развития тренда заслуживает формата согласованных международных исследовательских усилий в масштабе, сопоставимом с HGP [23].

Технологические лидеры направления «цифровые двойники в здравоохранении»

Обоснованность аналогии развития технологии цифровых двойников с историей расшифровки генома поддерживается, с нашей точки зрения, в первую очередь тем обстоятельством, что в качестве главных драйверов, акторов и бенефициаров обоих технологических направлений выступили компании, оценившие рыночные перспективы нового технологического направления. Напомним, что реализация международного проекта «Геном человека» с бюджетом 3 млрд долл. началась в 1990 г., завершить проект предполагалось через 15 лет, т.е. примерно к 2005 г. [24]. Однако частная американская компания Celera менее чем за два года (1999–2000 гг.) достигла и превзошла результаты международного проекта, потратив на достижение его целей и задач всего 300 млн долл. частных инвестиций [25].

Аналогично в настоящее время драйверами в области разработки цифровых двойников в здравоохранении стали такие крупные компании, как IBM, Microsoft Corporation, General Electric, Oracle Corporation, PTC Inc., ANSYS Inc. [26]. Корпорация Google с использованием технологий искусственного интеллекта активно разрабатывает алгоритмы, способные анализировать медицинские изображения для диагностики заболеваний и анализировать цифровые записи для предсказания вероятности смерти. ИТ-гигант Alibaba начал использовать свою облачную и информационную инфраструктуру для решения задач диагностики широкого круга заболеваний, применяя технологии искусственного интеллекта (ИИ) для анализа изображений, полученных в ходе компьютерной (КТ) и магнитно-резонансной (МРТ) томографии [27]. Atlas Construction разработала платформу цифровых двойников с целью ускорения строительства медицинских учреждений. Сервис, созданный на базе платформы Oracle Cloud и приложения для управления жизненным циклом активов Primavera Unifier, помогает организовать и оптимизировать процессы проектирования, закупок и строительства [28].

Диверсификация бизнес-стратегий корпораций Google, Аlibaba, Oracle, Microsoft, предполагающая использование накопленных больших данных для захвата рынка медицинского программного обеспечения, создала невиданную прежде конкуренцию между новыми и прежними ключевыми игроками рынка высокотехнологичного медицинского оборудования, такими как Siemens Healthineers, Philips и GE Healthcare, пытающимися сохранить преимущество над ИТ-гигантами [27].

Руководство Siemens Healthineers поставило амбициозную задачу превратиться в «GPS-здравоохранение» [27]. Компания в сотрудничестве с учеными Гейдельбергской кардиологической клиники при Университетском госпитале Гейдельберга (Германия) развернула масштабные исследования, имеющие цели создания цифрового двойника сердца для повышения эффективности медикаментозного лечения и моделирования сердечных катетерных вмешательств [29]. Для решения этой задачи Siemens Healthineers собрала базу данных из более 250 млн аннотированных МРТ-изображений и ЭКГ-измерений, отчетов и историй болезней, на основе которых команда университетской клиники создала 100 цифровых двойников сердец пациентов, лечившихся от сердечной недостаточности в течение шестилетнего проекта [27]. Использование цифровой модели сердца позволило минимизировать время постановки окончательного диагноза и подбора терапевтических схем. После достигнутого успеха в создании цифрового двойника сердца компания перешла к разработке цифровых двойников других органов, в том числе мозга [30].

Совместно с Университетом Южной Каролины Siemens Healthineers реализует проект, направленный на анализ процессов управления госпиталем, одной из целей которого является сокращение времени на лечение пациентов с инсультом [31]. Одновременно Siemens Healthineers работает с несколькими производителями вакцин, предлагая услуги по проектированию и тестированию различных конфигураций производственных линий. Цифровые двойники позволили компании спроектировать микрофлюидные производственные линии, масштабировать процессы и ускорить запуск промышленного производства с 1 года до 5 мес [32].

Цифровые модели, разработанные GE Healthcare Camden Group, помогают планировать койки, графики работы персонала и операционных, чтобы добиваться повышения качества медицинской помощи при минимизации расходов. Виртуализация управления больниц упрощает тестирование различных организационных решений и моделей оказания медицинской помощи с точки зрения ожидаемого экономического эффекта. Например, компания разработала модули для оценки влияния конфигурации коек на уровень ухода, оптимизации хирургических графиков, что позволяет менеджерам тестировать различные управленческие новации без необходимости запуска пилота. Десятки медицинских организаций уже используют эту платформу [26, 33].

Компания Philips сообщила о создании виртуального сердца, для решения этой задачи разработана специальная программа Philip HeartModel. Программа способна автоматически формировать 3D-модель камер сердца пациента на основании объединения множественных 2D-изображений, а также рассчитывать показатель объема перекачанной сердцем крови как важнейшего параметра оценки сердечной функции. Унифицированная модель получена на основе данных нескольких тысяч ультразвуковых исследований сердец различных форм и размеров и способна адаптироваться под уникальные ультразвуковые изображения сердца каждого пациента, что позволяет сформировать персонализированную модель органа [34]. Подобно Siemens Healthineers, компания Philips анонсирует создание цифрового двойника сердца, позволяющего точно прогнозировать эффективность назначаемой пациенту терапии на основании его персональных медицинских данных. Кроме того, Philips запустила программу профилактического обслуживания медицинского оборудования, которая собирает данные с 15 тыс. медицинских устройств визуализации. Компания надеется, что цифровые двойники могут улучшить время безотказной работы и помочь инженерам настроить новое оборудование под нужды разных клиентов [35].

Однако не только крупные транснациональные компании, но и значительное количество стартапов предлагают сегодня решения цифровых двойников для здравоохранения. Например, европейский стартап FEops уже получил одобрение регулирующих органов и коммерциализировал платформу FEops Heartguide, которая сочетает в себе персональную для пациента цифровую модель сердца (с его анатомическим анализом) с возможностью выбора ИИ наиболее эффективных вариантов лечения структурных заболеваний органа [36].

В 2014 г. французская компания Dassault Systèmes запустила проект «Живое сердце» (Living Heart) для краудсорсинга виртуального двойника сердца человека. Проект развивался в формате международного сотрудничества с открытым исходным кодом для всех заинтересованных участников и объединил более 95 организаций по всему миру, включая исследователей, практикующих врачей, производителей устройств и регулирующие органы, объединенных миссией открытых инноваций для решения проблем здравоохранения [37]. Бостонская больница работает с цифровым двойником сердца компании Dassault Systèmes, чтобы улучшить планирование хирургических процедур и оценить их результаты. Цифровые двойники помогают генерировать форму манжеты между сердцем и артериями [38]. Проект «Живое сердце» в 2014 г. подписал соглашение о совместных исследованиях с FDA. Это был первый проект, в котором использовалась технология цифровых двойников, специально предназначенная для наблюдения за взаимодействием органа с лекарственными препаратами, что приведет к сокращению испытаний лекарственных средств на животных [37]. Еще один проект компании — «Живой мозг» — изучает методы лечения эпилепсии и позволяет отслеживать прогрессирование нейродегенеративных заболеваний реального мозга на его модели. Dassault Systèmes инициировала аналогичные проекты для разработки цифровых двойников легких, колен, глаз и других органов и систем [39].

Разработка инновационных лекарственных препаратов требует тестирования тысяч или миллионов молекул в контролируемой среде. Цифровой двойник лаборатории может автоматизировать процессы испытаний и повысить воспроизводимость результатов лабораторных экспериментов. Стартап Artificial привлек венчурное финансирование в размере 21,5 млн долл. от Microsoft и других инвесторов на разработку программного обеспечения для автоматизации лабораторий. Объем рынка таких решений оценивается в 10 млрд долл. [28].

Цифровой двойник Sim&Size французской компании Sim&Cure использует компьютерное моделирование in silico для визуализации размещения эндоваскулярных устройств, предназначенных для лечения внутричерепных аневризм. Применение оцифрованного изображения пациента, полученного с помощью трехмерной ротационной ангиографии, дает возможность врачу протестировать свои предоперационные стратегии, выбрав оптимальный вариант операционного вмешательства. Цифровые двойники могут выполнять моделирование менее инвазивных операций с использованием катетеров для установки уникальных имплантатов. Данные пациентов помогают настраивать симуляции, которые выполняются на встроенном пакете моделирования от Ansys [40].

Стартап Q Bio представил платформу цифрового двойника — Q Bio Gemini, которая автоматически отражает состояние человека на модели его цифрового двойника, выделяя наиболее важные изменения в его физиологии во всеобъемлющем резюме, которое может быть безопасно передано врачам и специалистам по всему миру. Это первая разработка, проецирующая всестороннее базовое состояние здоровья пациентов в масштабируемую виртуальную модель. Платформа сканирует все тело пациента за 15 мин без облучения или задержки дыхания, используя передовые вычислительные алгоритмы, которые для постановки диагнозов позволяют достигать более высокой точности, чем МРТ. Компания привлекла более 80 млн долл. инвестиций от Andreessen Horowitz, Kaiser Foundation Hospitals для расширения доступа к собственной платформе и передовым технологиям сканирования тел пациентов, которые обеспечивают управляемую данными, превентивную и более доступную профилактическую медицинскую помощь [41].

Приложение Healthcheck стартапа Babylon Health интегрирует медицинские данные пациента в его цифровом двойнике, которые впоследствии обрабатываются с использованием технологий ИИ. Приложение работает как с введенными вручную данными, такими как история болезни, отслеживание настроения пациента и симптомов, так и с автоматически поступающими данными фитнес- и носимых устройств, таких как Apple Watch. Цифровой двойник может предоставить базовую оперативную информацию или определить приоритеты и взаимодействие пациента с врачами [28].

Результаты

Патентный ландшафт, созданный технологиями цифровых двойников в медицине и здравоохранении

С целью уточнения конкурентного ландшафта, созданного технологией цифровых двойников в медицине и здравоохранении, выполнен патентный анализ с использованием базы данных «ORBIT QUESTEL» и поискового образа (((digital twin+) or (Virtual twin+) or (digital D patient+) or (Virtual D Patient+) or avatar+ or (twin+ model)) F (medic+ or +health+ or surg+ or transplant+ or clinic+ or hospital+ or heart+ or lung+ or knee+ or (patient data) or (patient record+) or human+ or doctor+ or pharmac+ or treatment or therap+ or oncolog+ or immune+ or drug+ or disease+ or cardio+or nursing))/TI/AB/CLMS AND APD >= 2001

Обнаружено 2892 патентных документа, связанных с направлением «Цифровой двойник в медицине и здравоохранении», из которых 1152 приходится на уже выданные патенты (и патентные семьи), а 949 — на патентные заявки на изобретение. На рис. 1 отражена динамика патентования в исследуемой области техники, которая демонстрирует экспоненциальный рост начиная с 2017 г. Количество ежегодно подаваемых патентных заявок увеличилось в 10 раз (с 27 в 2017 г. до 276 в 2020-м). Отмеченный тренд сохраняется и в 2021 г.: количество патентных заявок на конец сентября 2021 г. уже достигло 299.

Рис. 1. Динамика патентной активности в мире по направлению «Цифровой двойник в медицине и здравоохранении» (по дате публикации).