ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ |
![]() |
04.03.2025 г. | ||||||
DOI: 10.21045/2071-5021-2024-70-6-5
1Баранов Л.И., 2Лебедев Г.С., 2Фомина И.В. Резюме Актуальность. Развитие информационных технологий как составной части технического прогресса привело к преобразованию общества, сопровождающегося возникновением новых сред и инструментов взаимодействия. В современных условиях концепция цифрового двойника является естественным следствием появления и развития информационного пространства и информационного общества. Цель работы: обосновать необходимость определения понятия цифрового двойника медицинского назначения. Материалы и методы. Для выполнения поставленной цели проведен анализ релевантных отечественных и зарубежных источников литературы, а также документов стандартизации, действующих на территории Российской Федерации. Поиск нормативно-правовых актов и документов стандартизации осуществлялся в информационно-правовых справочных системах «Гарант», «КонсультантПлюс». Результаты. В ходе проведенной работы был проведен анализ существующих официальных определений понятия «цифровой двойник» а также предложен подход к формированию определения понятия «цифрового двойника медицинского назначения». Заключение. В настоящее время назрела необходимость в выработке определения понятия цифрового двойника применительно к использованию его в медицине. Ключевые слова: цифровой двойник; определение; ГОСТ; стандарт; здравоохранение; медицина.
Контактная информация: Фомина Ирина Владиленовна, email:
Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script
A DIGITAL TWIN FOR MEDICAL PURPOSES. DEFINITION OF THE CONCEPT Abstract Significance. Development of information technologies as an integral part of the technological progress has led to the transformation of society, accompanied by the emergence of new environments and interaction tools. In modern conditions, a digital twin concept is a natural consequence of the emergence and development of information space and information society. The purpose of the study is to justify the need to define the concept of a medical digital twin. Material and methods. In order to achieve this goal, relevant domestic and foreign sources of literature, as well as standardization documents valid within the territory of the Russian Federation were analyzed. The search for normative-legal acts and standardization documents was carried through the information and legal reference systems “Garant” and “ConsultantPlus”. Results. The authors have analyzed the existing official definitions of the concept of a “digital twin” and proposed an approach to define the concept “a digital twin for medical purposes”. Conclusion. There is a current urgent need to define a digital twin concept in relation to its use in medicine. Keywords. Digital twin; definition; GOST; standard; healthcare; medicine.
Corresponding author: Irina V. Fomina, email:
Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script
Введение Понятие «цифровой двойник» (далее – ЦД), зародившись в начале 2000-х годов, к настоящему времени приобрело достаточно распространенный характер. В процессе становления терминологии, в трактовке этого понятия разные авторы подразумевали под ним разные вещи и разнообразие формулировок приводило ко все более размытому представлению об описываемом явлении [1]. Однако к 2020 году, видимо, вследствие реальной востребованности технологий, объединенных этим понятием, положение начинает меняться и уже сложившиеся или специально формируемые группы и объединения выдвигают ряд определений ЦД, призванных решить задачу единства внутренней терминологии. В нашей стране эти процессы нашли отражение в виде принятия предварительных и окончательных государственных стандартов, содержащих соответствующие определения. Рост использования высокотехнологичных решений в области здравоохранения совместно с процессом ее цифровизации привёл к тому, что понятие ЦД стало актуальным для использования в медицине, что, в свою очередь, ставит задачу формирования соответствующего определения. В данной статье приводятся некоторые официальные определения, выработанные в рамках деятельности авторитетных промышленных объединений или принятых в качестве государственных стандартов. Цель работы. Обоснование и предложение определения понятия цифрового двойника (ЦД) для использования в медицине и здравоохранении. Материалы и методы Для выполнения поставленной цели проведен анализ релевантных отечественных и зарубежных источников литературы, а также документов стандартизации, действующих на территории Российской Федерации (РФ). Поиск нормативно-правовых актов и документов стандартизации осуществлялся в информационно-правовых справочных системах «Гарант», «КонсультантПлюс». Результаты Проведен анализ существующих официальных определений понятия «цифровой двойник», а также предложен подход к формированию определения понятия «цифрового двойника медицинского назначения». В начале приведем определения ЦД, опубликованные зарубежными профессиональными сообществами и компаниями, оказывающими заметное влияние в отраслях, которые они представляют как собственным авторитетом, так и широтой охвата, а также определения, содержащиеся в соответствующих Государственных национальных стандартах Российской Федерации. Отдельно отметим, что ниже везде используется уже сложившийся термин «цифровой двойник», однако дословный перевод исходного понятия «digital twin» – «цифровой близнец», что может вносить различные дополнительные смысловые оттенки в оригинальное толкование терминов. Слово «twin» в текстах, связанных с технологией ЦД, переводилось как «двойник». 1. Определения цифрового двойника в промышленности Возникновение понятия «цифровой двойник» чаще всего связывают с личностью Майкла Гривса (Michael Grieves). В 2016 году в материале «Истоки концепции цифрового близнеца» [2], в соавторстве с Джоном Викерсом, предлагается следующее определение: «цифровой двойник (digital twin, DT) – это набор виртуальных информационных конструкций, которые полностью описывают потенциальный или фактический продукт физического производства от микроатомного уровня до макрогеометрического уровня». Цифровой двойник подразделяется на типы: прототип цифрового близнеца (Digital Twin Prototype, DTP) (описывает прототип физического артефакта) и экземпляр цифрового близнеца (Digital Twin Instance, DTI) (описывает конкретный физический продукт, с которым его ЦД остается связанным на протяжении всего срока службы этого физического продукта). Дополнительно вводится агрегат цифрового двойника (Digital Twin Aggregate, DTA) как тип цифрового двойника, представляющий собой совокупность всех DTI. В отличие от DTI, DTA не может быть независимой структурой данных. Цифровые двойники работают в среде цифрового двойника (Digital Twin Environment, DTE). Среда DTE раскрывается как «интегрированное многодоменное пространство физических приложений для работы с цифровыми двойниками для различных целей». Эти цели будут включать прогнозирование – цифровой двойник будет использоваться для прогнозирования будущего поведения и производительности физического продукта и запросы – экземпляры цифровых двойников могут быть запрошены для получения текущей и прошлой истории. Это применительно к DTI как реализации DTA. В 2022 году Майкл Гривс отметил, что все еще существует путаница относительно того, что такое цифровой двойник. По мнению М. Гривса, как это обычно бывает со сложными концепциями, простые определения не отражают должным образом масштаб и объем концепций цифровых двойников. Модели намного богаче и гораздо лучше передают концепции. В этой работе он сразу переходит к типам цифровых двойников (DTI, DTA) без раскрытия сущности самого понятия ЦД (DT) и не приводя его определения [3]. К началу 2020-х годов некоторые крупные зарубежные промышленные и технологические компании и объединения публикуют собственные определения ЦД. Американский институт аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA). Эта организация насчитывает почти 30 000 индивидуальных членов из 91 страны и 95 корпоративных членов, является крупнейшим в мире техническим обществом, посвященным глобальной аэрокосмической профессии, а также ведущим издателем передовых книг и журналов по аэрокосмической тематике. В декабре 2020 года AIAA опубликовал материал, целиком посвященный определению ЦД. Публикация содержала следующее определение ЦД: «набор виртуальных информационных конструкций, имитирующих структуру, контекст и поведение отдельного/уникального физического актива или группы физических активов, динамически обновляется данными о его физическом двойнике на протяжении всего жизненного цикла и служит основой для принятия решений, которые реализуют ценность» [4]. В июне 2023 AIAA дополнил первоначальное определение кратким вариантом: ЦД (DT) – это «виртуальное представление подключенного физического актива» [5]. Компания IBM (International Business Machines). В настоящее время компания является ведущим мировым поставщиком гибридных облаков и искусственного интеллекта, а также консалтинговых услуг более чем в 175 странах. На сайте компании IBM содержится раздел, посвященный ЦД. Судя по контексту раздела, определение ЦД представлено IBM не позднее 2022 года. В краткой исторической справке автором идеи технологии цифровых двойников называют Дэвида Гелернтера, опубликовавшего в 1991 году книгу «Зеркальные миры», Майклу Гривзу же приписывают первое применение концепции цифровых двойников в производстве в 2002 году и официальное объявление концепции программного обеспечения ЦД, а появление термина «digital twin» в 2010 году связывают с именем Джона Викерса из НАСА [6]. Раздел содержит следующее определение ЦД: «Цифровой двойник – это виртуальное представление объекта или системы, предназначенное для точного отражения физического объекта. Он охватывает жизненный цикл объекта, обновляется на основе данных реального времени и использует моделирование, машинное обучение и логические рассуждения для принятия решений» [6]. Вследствие различия в областях применения, ЦД подразделяются на типы, при этом отмечается, что одна и та же система может содержать разные типы ЦД. Выделены нижеследующие типы:
В данном случае не вводится ЦД среды (DTE), однако в части, рассматривающей ЦД в сравнении с симуляцией (digital twins versus simulations), отмечается, что «хотя и в симуляциях, и в цифровых двойниках используются цифровые модели для воспроизведения различных процессов системы, цифровой двойник на самом деле представляет собой виртуальную среду, что значительно расширяет возможности для изучения». Консорциум DTC (Digital Twin Consortium). Консорциум объединяет промышленность, правительство и научные круги для обеспечения согласованности словарного запаса, архитектуры, безопасности и интероперабельности технологии цифровых двойников. Компания продвигает использование технологии цифровых двойников от аэрокосмической отрасли до природных ресурсов. Консорциум DTC опубликовал 3 декабря 2020 года следующее официальное определение ЦД: «виртуальное представление сущностей и процессов реального мира, синхронизированных с заданной частотой и точностью» [7]. В материале, посвященном определению ЦД, DTC подробно останавливается на объяснении выбора каждого из входящих в определение терминов. Основываясь на этом определении, в 2022 году в журнале, издаваемым Компьютерным обществом IEEE (IEEE Computer Society; IEEE CS) была опубликована статью «Доверие к цифровым двойникам», переведенная впоследствии на русский язык [8]. В России в 2020 году был опубликован предварительный национальный стандарт Российской Федерации ПНСТ 429-2020 «Умное производство. Двойники цифровые производства. Часть первая. Общие положения». В этом стандарте ЦД получил, практически, два определения: непосредственно как термин и применительно к производству. Согласно пункту 3.2 стандарта «Термины, связанные с цифровыми двойниками производства», «цифровой двойник (digital twin): Программно-аппаратный комплекс, реализующий комплексную динамическую модель для исследования и управления деятельностью социотехнической системы». Определения «социотехнической системы» стандарт не содержит. Раздел 5 рассматриваемого стандарта, «Общие положения», содержит определение ЦД производства в виде концепции и в виде определения в совокупности со схемой: «5.2 Цифровые двойники производства. Цифровой двойник производства представляет собой цифровую модель (см. рисунок 1), которая постоянно обновляется и изменяется по мере изменения физического аналога с целью синхронного представления данных о статусе, условиях работы, конфигурации продукта и состоянии ресурсов». Представленный в стандарте «рисунок 1», приведен ниже. В тексте стандарта рисунок сопровождает следующая подпись: «Концепция цифровых двойников производства» (рис.1).
Необходимо также упомянуть п. 6.3 «Иерархическое моделирование цифровых двойников производства». В этом пункте отмечается, что «система цифровых двойников производства может быть реализована на различных уровнях абстракции». С 1 января 2022 года введен в действие ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Этот стандарт содержит следующее определение: «цифровой двойник изделия: система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями». В рамках стандарта отдельно представлено определение цифровой модели изделия. Таким образом, в начале 20-х годов XXI века появляются официальные определения ЦД, принятые на государственном уровне или внутри отраслей промышленности. 2. Цифровой двойник в медицине и здравоохранении В настоящее время понятие «цифровой двойник» не имеет общепринятого официального определения в области медицины и здравоохранения. В современных отечественных обзорных статьях (см., например, Кобякова О.С. с соавт. [9]) анализ строится на основе концептуального подхода, предложенного Майклом Гривсом. Относительно определения ЦД, в этой работе отмечается, что «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 другие. 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» [9]. В начале 2024 года на дочернем сайте организации IEEE, посвященном биомедицинской инженерии (embs.org), под заголовком «Основные моменты за январь 2024 года» вышла статья «Документ с изложением позиции «От цифровых двойников в здравоохранении к виртуальному двойнику человека: перспективный проект по исследованиям в области цифрового здравоохранения»» [10]. В статье, в частности, признается факт изменчивости терминологии в области медицины «In silico» на сегодняшний день. На базе термина ЦД, раскрытого в статье через концепцию Майкла Гривса, предлагается термин ЦДЗ (DTH) – цифровой двойник в здравоохранении (Digital Twin in Healthcare). Основным отличием от определения Майкла Гривса, по мнению авторов, является то, что лишь небольшая часть ЦД в здравоохранении, описанных в литературе, имеют компонент реального времени. Кроме того, важной особенностью DTH является то, что он должен моделировать индивидуума. Таким образом, популяционные модели не являются DTH. Упоминается также VPH (Virtual Physiological Human виртуальный физиологический человек) – концепция, возникшая в рамках ЕС, в первоначальном определении «методологическая и технологическая основа, которая после создания позволит совместно исследовать человеческий организм как единую сложную систему». К настоящему времени VPH в здравоохранении стал неотличим от ЦД с упором на единую систему органов. Этот термин стал синонимом «силиконовой медицины» («in silico medicine») или «применения компьютерного моделирования и имитации во всех областях здравоохранения». В рассматриваемой статье предлагается новая концепция – концепция виртуального двойника человека (virtual human twin, VHT), которая определяется как «инфраструктура, совместное распределенное хранилище знаний и платформа для моделирования количественной физиологии человека (патофизиологии), разработанная специально для ускорения разработки, интеграции и внедрения прогностических компьютерных моделей для конкретных пациентов в качестве систем поддержки принятия клинических решений или в качестве методологий для разработки и тестирования новых медицинских продуктов». Ecosystem Digital Twin in Health (EDITH) – это один из европейских проектов в области цифрового здравоохранения, в рамках которого это исследование было частично финансировано. Авторы позиции, представленной в статье, признают, что «видение, изложенное в этом документе с изложением позиции, все еще является неполным и, в некоторой степени, незрелым» и основная цель статьи – начать дискуссию в исследовательском сообществе, «чтобы как можно больше экспертов могли внести свой вклад в процесс достижения консенсуса, основанный на акции в поддержку EDITH» [11]. В связи с этим необходимо отметить, что на странице EDITH содержится определение ЦД в здравоохранении (DTH): «цифровой двойник – это виртуальное представление объекта или системы, охватывающее весь ее жизненный цикл, которому требуется непрерывная связь между цифровым и физическим миром в режиме реального времени для содействия принятию решений». И, собственно, сама европейская инициатива связана именно с ЦД, что следует из ее названия. Однако главная страница сайта EDIDH уже представлена с подзаголовком «European Virtual Human Twin», а определение на сайте дается сразу для VPH: это «интегрированное многомасштабное, временное и междисциплинарное представление количественной физиологии и патологии человека». Таким образом, если в промышленной сфере, термин «цифровой двойник» – практически сложившийся и общеупотребительный, а различия трактовок отражают потребности крупных объединений, то в области медицины и здравоохранения нет единства даже в основной терминологии. 3. К определению понятия цифрового двойника в здравоохранении и медицине В источнике [12] отмечается, что определение по своей природе – логическая категория, которая фиксирует результаты познания окружающего мира. Феномен ЦД, в особенности применительно к людям, возник вследствие изменений окружающего мира, которые с течением времени стали настолько заметны, что нашли отражение даже в правительственных документах. Так, Указ Президента РФ от 09.05.2017 № 203 «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017–2030 годы» [13] содержит следующие определения:
В связи с этим концепция ЦД, оформленная и примененная Майклом Гривсом на практике, видится не столько революционной новацией, сколько результатом своевременно подмеченных тенденций и характера изменений окружающего мира. Не случайно IBM относит первоначальное упоминание о ЦД к публикации «Зеркальные миры», название которой говорит само за себя. Медицина и здравоохранение – это, соответственно, наука и государственные меры, направленные на поддержание и восстановление здоровья людей, которые в настоящее время составляют информационное общество. Сообразно этому определение понятия ЦД в области медицины и здравоохранения должно учитывать его медицинское назначение (медицинское в широком смысле слова, включая здравоохранение) и его место – медицинский сегмент информационного пространства, или, собственно, медицинское информационное пространство. Такой подход дополнительно обозначает специфику и уровень информационной безопасности как самого информационного пространства, так и его содержимого. Кроме того, исчезает потребность использования понятия «виртуальный», которое, несмотря на широкое распространение, лингвисты считают полисемантичным, десемантизированным, содержащим в себе противоположные группы значений («фактический», «мнимый», «возможный», «эффективный») [14]. Основываясь на официальном определении информационного пространства, для формирования описания его содержимого, следовало бы воспользоваться понятием «информационный ресурс», однако в справочной правовой системе КонсультантПлюс отмечается, что «легальная дефиниция информационного ресурса отсутствует» [15] и предлагается формулировка «под информационным ресурсом понимается информация, источник информации либо информационная система, содержащие различные сведения, в том числе обновляемые». В связи с этим удобно было бы воспользоваться понятием информационного объекта, основываясь на следующих определениях:
Из определений объекта (информационного объекта) и его назначения следует, что он может отражать объект реального пространства с различной степенью детализации и сложности или на разном уровне абстракции. Эквивалентом этого можно считать выбор уровня точности описания, что имеет следующее определение: уровень уточнения – свойство понятия, отражающее количество и подробности характеристик его содержания (примечание: уточненное понятие имеет высокий уровень уточнения и высокую детализацию. Обобщенное понятие имеет низкий уровень уточнения и низкую детализацию) (источник – ГОСТ Р ИСО 17115-2009) [15]. Исходя из вышеизложенного, можно предложить следующее определение понятия ЦД медицинского назначения: информационный объект информационного медицинского пространства, эквивалентный своему физическому двойнику (при его наличии) с определенным (заданным) уровнем уточнения, дополняемый от него данными согласно заданным правилам на протяжении всего периода востребованности и дающий данные и/или информацию для принятия управленческих или иных решений, направленных на достижение целей (решение задач) его создания. Заключение Развитие информационных технологий как составной части технического прогресса привело к преобразованию общества, сопровождающемуся возникновением новых сред и инструментов взаимодействия. В современных условиях концепция ЦД является естественным следствием появления и развития информационного пространства и информационного общества. Развитие медицинских информационных технологий привело к уровню зрелости, позволившему заимствовать целые концепции из промышленного производства. Их адаптация для медицины и здравоохранения является важной частью цифровизации этой сферы деятельности человека. Библиография
References
Дата поступления: 30.10.2024 Просмотров: 49
Добавить комментарий
|
||||||
Последнее обновление ( 13.03.2025 г. ) |
« Пред. | След. » |
---|