Концепция цифровых двойников возникла в аэрокосмической промышленности в 1960–1970-х годах, когда она использовалась для моделирования условий и решений в миссиях космических аппаратов. Термин «цифровой двойник» был впервые введён в общеупотребимую практику Майклом Гривзом из Мичиганского университета в 2002 году. Он же сформулировал его полезность для управления жизненным циклом продукта. С тех пор определение цифрового двойника было дополнено уточнениями — это система, которая обладает тремя ключевыми компонентами – физическим объектом, его виртуальным двойником и связью между ними.
Применение технологии цифровых двойников (Digital Twins) привело к повышению производительности и эффективности в нескольких секторах промышленности, включая производство, сельское хозяйство, строительство, энергетику, автомобилестроение и концепции умного города. Эти виртуальные системы позволяют осуществлять мониторинг физических активов в реальном времени и способствуют оптимизации рабочих процессов путём моделирования сценариев и анализа данных, что позволяет прогнозировать требования к техническому обслуживанию для минимизации простоев и повышения надёжности.
В медицине применение этих инноваций на сегодняшний день уже оказало значимое влияние на несколько дисциплин — в области профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, хирургии и фармацевтических разработках новых лекарств. Для сердечно-сосудистых заболеваний использовались изображения компьютерной томографии при разработке персонализированных трёхмерных (3D) моделей сердца в реальном времени, чтобы обеспечить моделирование эффектов дозировки, реакции пациента и руководство хирургическими вмешательствами. Модели цифровых близнецов были приняты рядом фармацевтических компаний для управления разработкой лекарств, персонализации лечения и прогнозирования реакции пациентов. Был разработан ряд приложений Digital Twin для ортопедии, с использованием трёхмерных рентгеновских изображений при моделировании сценариев заживления костей и риска рецидивирующих переломов, а также информирования о реабилитации позвоночника.
Ожидается, что цифровые близнецы изменят то, как люди в скором будущем будут отслеживать своё здоровье, прогнозируя заболевания, моделируя результаты любого приёма лекарственного препарата, исследуя сценарии хирургического вмешательства и разрабатывая индивидуальные программы лечения в безрисковой цифровой среде. В данном аспекте эти разработки могут обеспечить виртуальное представление органа или системы, либо смоделировать весь организм пациента, чтобы вести его виртуальную копию на протяжении всей жизни. Эти виртуальные представления становятся все более возможными благодаря растущей доступности больших данных, развития центров обработки данных (ЦОД) с огромным количеством мощных серверов и достижениям в алгоритмах искусственного интеллекта (ИИ). При объединении данных из различных источников, включая медицинские изображения, смартфоны, носимые устройства, датчики окружающей среды, личные медицинские носимые устройства и электронные медицинские карты, цифровые близнецы могут предлагать комплексные модели оздоровления организма, способные отражать изменения и поведение в реальном времени.
Подобно исследованию биомаркеров по анализу крови, всё более широкое использование цифровых устройств создаёт также цифровые маркеры, которые могут дать представление о лечении и профилактике заболеваний. Собирательный термин «дигитосома» был придуман для описания огромного количества данных, собираемых этими устройствами, которые охватывают различные аспекты физиологии, поведения и окружающей среды человека. Нельзя исключать того, что через короткое время, при рождении человека, ему будет выделяться отдельный выделенный сервер в дата-центре, на котором будет «обитать» его цифровой двойник. Кроме того, данные, собираемые в динамике, будут предоставлять контролируемую виртуальную платформу для дополнения познаний в медицинских исследованиях и образовании.
Внедрение «кожного» цифрового двойника в дерматологии и косметологии предлагает многочисленные возможности, преимущества, и, конечно, проблемы. Концепция сопоставима с интерактивной электронной медицинской картой, специфичной для дерматологии, которая доступна и регулярно обновляется, как врачами, так и самими пациентами (куда люди будут заносить информацию об использовании тех, или иных, косметологических средств по уходу за кожей). Персональный «цифровой аватар» может быть создан с использованием фотографии всего тела с 3D-картированием поверхности кожи и персонализирован с помощью истории болезни. Мобильное приложение может служить интерфейсом пациента, позволяя тем создавать и контролировать своего цифрового двойника. Это приложение может предоставлять подсказки для соблюдения определённых уходовых процедур, рекомендовать области изображения кожи для мониторинга или предупреждать о потенциальных проблемах с эпидермисом. При надобности, человек сможет делиться такой информацией с лечащим врачом, либо давать ему ограниченный доступ к своему профилю. По мере развития технологий микропробы кожи для молекулярного профилирования, а также компьютерные модели для изучения проницаемости и диффузии местных препаратов или косметики могут дополнительно корректировать персональный план ухода, лечения или профилактики.
Основные преимущества дерматологического цифрового двойника в основном касаются персонализированных планов лечения, предиктивного анализа для раннего выявления патологий и заболеваний, ускоренных исследований, выявления новообразований, а также улучшения удалённых дерматологических консультаций. Хотя есть и существенные препятствия на пути внедрения этой технологии, которые связаны с техническими проблемами и большими объёмами данных, необходимыми для создания точных цифровых моделей. Ещё существуют опасения относительно конфиденциальности и безопасности информации, а также сложных этических последствий. Но эти вопросы решаются уже сейчас на различных уровнях компетенции.
Пациенты могут играть ключевую роль в управлении сбором данных для создания своего виртуального аватара. Возможность непрерывного мониторинга и бесперебойного сбора информации о состоянии здоровья расширяется экспоненциально, посредством использования интеллектуальных носимых устройств, оснащённых разнообразными датчиками. Смартфоны и умные часы уже широко используются для измерения активности, сна, артериального давления, частоты сердечных сокращений и уровня кислорода в крови. Новые носимые устройства включают интеллектуальный текстиль, значки на лацканах и браслеты, которые могут измерять воздействие УФ-излучения и температуру кожи, а также обнаруживать следовые уровни метаболитов из пота. Аналогичным образом, беспроводные эпидермальные пластыри могут обеспечивать непрерывное измерение температуры, обнаружение воспалительных белков (например, C-реактивный белок), метаболитов (например, лактата, глюкозы, алкоголя), питательных веществ (например, витаминов и незаменимых аминокислот) и гидратации. Такой сбор данных в режиме реального времени позволяет применять прогностические алгоритмы на основе искусственного интеллекта для мониторинга здоровья кожи, оценки эффективности лечения или побочных реакций, а также прогнозирования дерматологических заболеваний.
Поскольку люди становятся более сознательными в отношении своего здоровья и ищут персонализированные подходы к уходу за кожей, то идея иметь всеобъемлющего кожного цифрового двойника, который точно отражает здоровье именно их кожного покрова, может стать очень мотивирующей. Предоставление возможности для проактивных вмешательств и персонализированных профилактических мер поощряет участие пациентов в принятии обоснованных решений о процедурах, воздействии солнца и общем здоровье. В последние годы геймификация вмешательств в здравоохранение оказалась успешной в привлечении и мотивации пациентов к активному участию в улучшении или поддержании целевых моделей поведения. Такие вмешательства, часто основанные на элементах игрового дизайна (получение баллов с системой получения наград или совместное решение различных интересных задач), могут формировать у большего количества пациентов чувство ответственности за здоровье собственной кожи и общее благополучие.
Приложения для смартфонов, предназначенные для мониторинга рака кожи, могут повысить вовлеченность пациентов. Но пока, на сегодняшний день, большинство из них не обеспечивают надёжной точности. Ограничения таких приложений подтверждают постоянную потребность в человеческом экспертном обзоре для мониторинга и раннего выявления рака кожи. В экспериментальных условиях алгоритмы сверточной нейронной сети для распознавания образов на изображениях показали высокую точность обнаружения меланомы, наравне с дерматологами. Хотя эта технология ещё не переведена в клинические условия, первые результаты демонстрируют многообещающий потенциал. Интеграция дерматоскопических насадок для смартфонов может повысить качество изображения, сделав более эффективной удалённую консультацию или постановку предварительного диагноза.
С помощью таких технологий синергия клинического обзора, регулярных наблюдений самих пациентов, медицинских записей и клинической фотографии всего тела обеспечивает исчерпывающий подход к общему мониторингу кожи. Приложение для смартфона может побуждать пользователей делать снимки определённых участков кожи и запрашивать своего врача (либо консультационные центры), когда необходима (рекомендуется) экспертная оценка. Пациенты, успокоенные тщательным наблюдением, могут быть более склонны следовать подходу пристального наблюдения к подозрительным поражениям (либо изменениям) эпидермиса. Это, в свою очередь, может уменьшить существующие противоречия, связанные с гипердиагностикой и биопсией диспластических невусов или меланомы in situ (прямо в месте локации пациента).
Кроме того, положительное влияние на первичную профилактику может быть достигнуто, если цифровой близнец предупреждает о повреждении кожи солнцем, регистрируя степень солнечных ожогов или изменения пигментации из-за воздействия УФ-излучения. Заглядывая вперёд, можно предположить, что мониторинг здоровья кожи, управляемый пациентом, может быть таким же простым, как стояние перед зеркалом. Достижения технологий умного дома, встроенные в ванные комнаты, кухню и спальни, могут пассивно отслеживать информацию о здоровье в ходе повседневной деятельности. Умное зеркало со встроенными алгоритмами мониторинга кожи могло бы решить текущие проблемы, связанные с получением качественных изображений посредством портативных камер высокого разрешения и возможностью детализации контрольных участков кожного покрова. Но тут опять возникает проблема рисков утечки данных.
Многие кожные заболевания, такие как псориаз, контактный или атопический дерматит, угревая сыпь, требуют визуального осмотра и субъективной оценки, которая подвержена изменениям от одного наблюдения к другому (в динамике). Цифровой анализ изображений может обеспечить более точное и эффективное выявление незначительных положительных или отрицательных изменений в таких сценариях. Эта технология была бы особенно актуальна при испытании новых местных или системных методов лечения или оценке воздействия фототерапии. Кроме того, эпидермальные пластыри, способные обнаруживать метаболиты лекарственных средств, признаки воспаления и другие биомаркеры в поте и интерстициальной жидкости, также могут информировать о реакции на лечение. Этот динамический мониторинг облегчает оценку эффективности лечения и раннее выявление побочных реакций, что позволяет своевременно вмешаться и скорректировать лечебный план.
В будущем технологии микропроб кожи, такие как панч-биопсия, могут стать минимально инвазивным методом для создания персонализированного молекулярного профиля характеристик человека. Новые методы компьютерного моделирования кожи позволяют проводить испытания in silico для оценки проницаемости и диффузионных свойств местных лекарственных средств. По мере развития технологий индивидуальное моделирование сможет позволить делать индивидуальные прогнозы для отдельных людей, учитывая уникальные характеристики кожи, такие как толщина, липидный состав и уровень увлажнённости.
Для обеспечения ответственного и эффективного внедрения этой технологии необходимо устранить ряд проблем и ограничений. Во-первых, это проблема конфиденциальности и безопасности информации, поскольку эта технология предполагает сбор и хранение личных и медицинских данных. Для их передачи и хранения потребуются протоколы анонимизации, деидентификации и шифрования. Защита этой информации от потенциальных утечек будет иметь решающее значение для поддержания доверия пациентов. Кроме того, важно обеспечить точность и достоверность вводимых данных, поскольку неточности или искажения могут привести к ошибочным прогнозам или рекомендациям по лечению. Кроме того, пациенты могут испытывать дискомфорт из-за объёма собранных данных и того, как их цифровой двойник может быть использован в исследовательских или коммерческих целях.
Необходимо разработать строгие протоколы того, какие обязанности могут возлагаться на дата-центры и на медицинских работников, как на хранителей цифровых двойников. Возможные сценарии судебного расследования или страховых случаев ставят под сомнение законные права человека на своего цифрового двойника. Следует также отметить воздействие на окружающую среду из-за энергозатрат, необходимых для хранения большого объёма такой информации. Аналогичным образом, этические дилеммы, касающиеся равенства в доступе к необходимым технологиям, могут привести к неравенству в медицинском обслуживании для разных групп населения. Скорее всего, на первых порах, только обеспеченные люди смогут позволить себе арендовать выделенный сервер в ЦОД, да ещё оплатить создание цифрового двойника. Поэтому решение сложных правовых вопросов и правил защиты пока сопряжено со значительными трудностями. Баланс между преимуществами и этими проблемами требует прозрачной коммуникации, процессов информированного согласия и соблюдения правил защиты, хранения, шифрования, разграничения доступа, чтобы гарантировать соблюдение прав и благополучия пациентов на протяжении всего периода внедрения этой инновационной технологии.
