数字孪生在生命科学领域的应用情况如何？

数字孪生是一个广泛的概念，具体到生命科学的应用领域，我们可以理解为将数字孪生分为人体数字孪生和场景 数字孪生，其分别具备不同的用途。

一、人体数字孪生

人体数字孪生基于多维数据，通过建模高精度地复制 出虚拟人体，以反映特定人体的生理指标、健康水平 和生活方式。该种数字孪生包含几何模型、物理模 型、生理模型和生化模型。 其中，几何模型体现的是人体外形和内部器官的外观 和尺寸；物理模型体现的是神经、血管、肌肉、骨骼 等的物理特征；生理模型是脉搏、心率等生理数据和 特征；生化模型较为复杂，要在组织、细胞和分子的 多空间尺度，甚至毫秒、微秒数量级的多时间尺度展 现人体生化指标。

构建这些模型需要基于丰富的数据基础，数据主要来 源于真实的数据，包括CT、核磁、心电图、彩超等医 疗检测和扫描仪器检测的数据，血常规、尿检、生物 酶等生化数据，以及健康预测、手术仿真、虚拟药物 试验等虚拟仿真数据；此外，还包括历史统计数据和 医疗记录等。

数字孪生将会成为提升个人健康管理能力的新手段。 其可能的主要应用包括： •

患者状况实时监测及预警 ：通过创建属于特定患者的数字孪生模型并基于IoT 等技术回传数据，医护人员可以在第一时间远程获 取、记录病人的身体状态情况，为下一步的治疗方 案提供基础；或者在心脏骤停、自主呼吸停止等紧 急时刻获得预警。这种监测和预警可以降低突发意 外的可能性并提升患者就医体验。

 实验模拟： 由于数字孪生可以较为完美地复制出虚拟人体，因 此可以帮助医护人员、研发人员进行高仿真的实 验。特定器官的数字孪生体可以有效模拟疾病演变 和药物治疗的影响。同时，对于医护人员，人体数 字孪生可以帮助其进行虚拟手术的验证和训练，或 用于培训。 如今的数字孪生技术已经可以在多个疾病领域帮助医 疗健康水平的提升，包括神经系统疾病、心血管疾 病、癌症、传染病等领域。学术界、医药公司、医疗 机构已在这些疾病领域有所实践。

心脏疾病： 心脏是人体重要器官之一，利用数字孪生模型可以 加深对心脏在生理和功能上的认知，帮助实现从描 述病情到预测病情的转化。欧洲一些知名医疗公司 已经开始着手心脏数字孪生的具体实施方案，它们 利用数字心脏模拟真实情况，将难以看到的解剖结 构可视化，用于开发更有效、更安全的的心脏治疗 相关设备及器械。

 癌症 ：癌症严重威胁着人们的生命和健康，随着癌症诊疗 技术水平的提高，患者生存期的不断延长，对癌症 患者进行实时检测和管理可以使生命质量达到最优 化。目前已有学者开始研究创新性的、具有持续生 命周期的癌症患者数字孪生（cancer patient digital twin，CPDT）框架，可以通过使用先进的电子设备 和生物技术来动态反映患者不同治疗和时间的生理 和生活方式状态。这项技术有助于减少临床决策中 存在的固有不确定性，改善治疗结果。

 流行病学 ：以COVID-19为例，目前已有学者研究了数字孪生与 区块链技术相结合的技术框架。在这个框架中，一 个人的智能手机代表其数字孪生体。用户通过智能 手机上传健康数据（如姓名、年龄、性别和潜在健 康问题等），数字孪生体结合其智能手机的位置信 息自动识别密切接触者，并进行轨迹追踪。当患者 的数字孪生数据（包括到访地点、密切接触者、潜 在健康问题等）被发送到区块链后，系统会根据患 者症状严重程度，将其自动分配到最

二、场景数字孪生

与十分精密的人体数字模型不同，场景数字模型主要应用于特定物理空间，使虚拟模型和医疗机构之间进行信息 融合、数据交互，并在虚拟空间中完成映射，实现对医疗机构实体的全面掌握，反映相对应的医疗机构内部实体 设备的全生命周期过程。 基于5G、IoT、AI和三维可视化系统，可以搭建一套涵盖从外部建筑到内部设备，从门诊到手术室、住院病房， 从入院人流量管理到停车管理等全方位的端到端的医院数字孪生系统，实现医院的全过程高效管理。

医院孪生系统覆盖了以下几大关键主要功能，以实现医 院的调度一体化、数据透明化和管理智慧化。

 院内患者流管理： 医院作为公共场所，人员来往较为复杂，基于医院 数字孪生平台提供的软件界面，可以实现全园区实 时覆盖以及24小时不间断巡视，对可疑人员进行实 时信息抓取，并对人员来往流量进行统计汇总，便 于院内患者的合理疏散，提高安全性。

手术管理 ：通过数字孪生医院，医院管理人员可以实时了解每 一台手术的全面信息，包括手术的病理信息、医护 人员安排、手术药物耗材器械使用情况，提高管理 效率和医疗质量。

后台运营管理： 数字孪生医院可以实现“人”“财”“物”的可视化、精 细化管理。在“人”方面，实现人员考勤甚至人员位 置的管控；“财”方面进行资金流入流出的监控和预 警，满足医保合理控费的要求；在“物”方面，对院 内设备耗材、车辆停泊、电梯等进行实时的状态监 测。

应急预警 ：数字孪生医院可以基于时间、空间、数据等多个维 度设定告警触发规则，并支持基于地理信息系统， 对突发事件进行快速定位，标示事件内容，并智能 筛选、查看周边监控视频和应急资源，方便管理人 员对突发事件周边情况进行判定和分析。