CC BY
108
К 185-летию великого русского российского ученого и гражданина России -Дмитрия Ивановича Менделеева и 150-летию его наследия -«Периодического закона для химических элементов». К 170-летию Ивана Петровича Павлова - выдающегося русского российского исследователя в области физиологии, первого нобелевского лауреата России.
инфекций / И.М. Улюкин [и др.] // Вестн. Росс. воен.-мед. акад. - 2013. - №3(43) -С. 182-189.
7. Фигурина, М.М. Ленинградская инфекционная больница им. С. П. Боткина / М.М. Фигурина. - Л.: Медгиз, 1961. — 100 с.
8. Совет Европы. Конвенция о защите личности в связи с автоматической обработкой персональных данных. - 2-е изд., доп. - СПб.: Гражданский контроль, 2002. - 36 с.
9. Ющук, Н.Д. Бактериальные болезни / Н.Д. Ющук. - М.: Гэотар-Медиа, 2016. - 976 с.
УДК 621.77.04:004.942:617
А. Мадалиев, В.М. Иванов
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ: ИЗ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В МЕДИЦИНУ
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
madaa258@mail.ru, ivm@spbstu.ru Резюме. В статье исследуется распространение аддитивных технологий и цифровых двойников из промышленности в медицину в настоящее время и выявляются наиболее вероятные направления применения этих технологий в будущем. Подробно описываются примеры их использования. На основании результатов проведенного исследования делается вывод об изменении характера медицины под влиянием данных технологий.
Ключевые слова: аддитивные технологии, цифровые двойники, медицина, органы и ткани, протезы, цифровой двойник пациента, превентивная медицина.
Summary.
Madaliev A., Ivanov V.M. Additive Manufacturing and Digital Twins: from Industry to Medicine.
The paper explores the distribution of additive manufacturing and digital twins from industry to medicine at the present time and identifies the most likely directions for the use of these technologies in the future. Examples of their application are described in detail. On the basis of the conducted research, it is concluded how the nature of medicine changes under the influence of these technologies.
Keywords: additive manufacturing, digital twins, medicine, organs and tissues, prosthesis, virtual patient, preventive healthcare.
Введение. Повсеместная автоматизация и компьютеризация процессов и производств позволяет прогнозировать наступление четвертой промышленной революции. Одними из ключевых технологий четвертой промышленной революции являются аддитивные технологии и цифровые двойники [1]. Распространение новых технологий из промышленного производства во всевозможные сферы жизнедеятельности человека неизбежно приведет и к изменениям в медицине [2]. Данная статья призвана раскрыть наиболее вероятные направления применения этих технологий в медицине будущего. Материалы и методы. Аналитические исследования, опирающиеся на официальные издания и научные статьи на русском и английском языках из журналов, индексируемых в базах РИНЦ, Web of Science и Scopus; опубликованные с 2009 по 2019 гг. Подавляющее большинство материалов -публикации за последние 5 лет.
Аддитивные технологии. Аддитивные технологии (SD-печать) - совокупность приемов и методов создания объемных (трехмерных) объектов путем постепенного добавления материала к обрабатываемой заготовке. Практическое применение аддитивных технологий в промышленности известно с конца XIX века, однако бурное развитие нового оборудования и появление новых технологий с конца XX века открыло возможности их широкого использования и в медицине [3]. Например, в 2016 г. учеными из медицинской школы университета Wake Forest был представлен биопринтер, печатающий из живых клеток человеческие ткани, способные сохранять свою форму и приживаться в организме [4].
Можно выделить следующие развивающиеся и перспективные направления применения аддитивных технологий в медицине: обучение, практика и подготовка к операции (печать макетов и реальных органов и тканей для манипуляций in vitro с ними, в частности для тестирования различных препаратов на полосках ткани, идентичной живой ткани пациента) [5; 8]; тканевая инженерия (создание имплантируемых тканей и органов) [5; 6; 7; 8]; производство индивидуальных имплантатов небиологического происхождения (замена костей и сухожилий, зубные имплантаты) [5; 6; 7; 8]; производство индивидуальных приборов и устройств для реабилитации (кардиостимуляторы,
230
К 185-летию великого русского российского ученого и гражданина России -Дмитрия Ивановича Менделеева и 150-летию его наследия -«Периодического закона для химических элементов».
К 170-летию Ивана Петровича Павлова - выдающегося русского российского исследователя в области физиологии, первого нобелевского лауреата России. слуховые аппараты, в офтальмологии - для производства очков) [5; 8];
производство индивидуальных протезов и ортезов [5; 6; 8; 9; 10]; производство
биосовместимых гранул, биокапсул и микрочастиц для доставки лекарств к
нужному органу [6]; производство медицинского инструмента [5; 7]; в
криминалистике (для реконструкции событий) [8].
В случае изготовления протезов аддитивные технологии активно применяются уже сейчас, снижая массу протеза и его себестоимость. Это наиболее востребовано в случае детей-ампутантов: протезы конечностей необходимо заменять как минимум каждые 2 года по мере роста ребенка. Кроме того, важным достоинством применения аддитивных технологий является возможность создать индивидуальный дизайн протеза с учетом предпочтений ребенка [9; 10]. Цифровые двойники. Цифровой двойник представляет собой высокоточную цифровую виртуальную модель физического объекта для имитации его поведения в режиме реального времени. Концепция цифровых двойников была впервые представлена в 2003 г. в Мичиганском университете. Технология применяется крупными промышленными компаниями, такими как NASA, General Electric, Siemens, ANSYS, Dassault и др., при этом области применения данной технологии активно расширяются [11].
Одной из первых компаний, применившей цифровые двойники в медицинской отрасли стала Philips. Цифровые двойники были созданы для аппаратов МРТ, КТ и рентгеновских систем на основе информации со встроенных датчиков и программного обеспечения. Контроль технических характеристик аппаратов позволил искусственному интеллекту предсказывать их дальнейшую работу, диагностировать проблемы и тестировать решения; после чего заблаговременно уведомлять о возможных сбоях и планировать обслуживание на время, когда оборудование не используется, например, ночью [12]. Кроме оборудования, также Philips был представлен цифровой двойник реального сердца - первый шаг к полному цифровому двойнику пациента [13].
В настоящее время уже наблюдается переход к ранней диагностике заболеваний и превентивной медицине, однако применяемые методы всё еще слишком узконаправленны. Цифровой двойник пациента же в полной мере удовлетворяет запросы данного направления. Так, результаты анализа состояния набора цифровых двойников, а затем и полного цифрового двойника отдельного пациента могут использоваться для оценки предрасположенности его к тому или иному заболеванию; для рекомендации мероприятий для снижения риска
возникновения заболевания; для планирования ранней диагностики и для оценки значимости ранних признаков болезни. Анализ цифровых двойников больших групп пациентов позволит наиболее точно определить генетические, экологические и поведенческие риски развития заболеваний, индивидуализировать интерпретацию этих параметров здоровья и разрабатывать индивидуальные «дорожные карты здоровья»; перейти к по-настоящему превентивной и профилактической системе здравоохранения [14]. При этом цифровой двойник пациента, т 8Шсв представляющий личность человека на основе динамического отражения его молекулярного, физиологического состояния, его стиля жизни с течением времени, может стать инструментом дискриминации - при условии недоступности технологии для всех. Этические и социальные последствия внедрения цифровых двойников пациентов еще предстоит тщательно исследовать [15].
Результаты. Таким образом, на основании проведенных аналитических исследований были раскрыты понятия «аддитивные технологии» и «цифровой двойник», рассмотрено появление данных технологий и переход их из промышленности в медицину. Обозначены текущие и перспективные направления применения этих технологий в медицине.
Обсуждение и выводы. Данная работа в значительной мере определяет наиболее вероятные направления применения одних из новых промышленных технологий - аддитивных технологий и цифровых двойников - в медицине будущего. Можно отметить их взаимосвязь: создание сложного работоспособного имплантируемого органа возможно только благодаря качественному цифровому двойнику. Внедрение данных технологий может решить множество проблем современной медицины, как, например, позволит сократить дефицит трансплантируемых органов; при этом осуществляя переход к медицине превентивной, профилактической и индивидуализированной. Поскольку описанные технологии только начинают внедряться в медицину, объем информации о их применении в этой области относительно мал, поэтому приведенная в работе информация несомненно будет уточнена и расширена в дальнейшем. Однако, несмотря на это, данное исследование может заинтересовать специалистов в области промышленности, медицины, социологии и этики, и вдохновить их на новые междисциплинарные проекты по данной тематике во благо всего человечества.
К 185-летию великого русского российского ученого и гражданина России -Дмитрия Ивановича Менделеева и 150-летию его наследия -«Периодического закона для химических элементов». К 170-летию Ивана Петровича Павлова - выдающегося русского российского исследователя в области физиологии, первого нобелевского лауреата России.
Литература
1. Лаптева, Е.Н. Проблемы перехода отечественного машиностроения к технологиям Индустрии 4.0 / Е.Н. Лаптева, О.В. Назарочкина // Машиностроение и компьютерные технологии. - 2019. - №5. - С. 11-20.
2. Thimbleby, Н. Technology and the Future of Healthcare / Н. Thimbleby // Journal of Public Health Research. - 2013. - 1 Dec. - Vol. 2. - No 3. - e28.
3. A Brief History of Additive Manufacturing and the 2009 Roadmap for Additive Manufacturing: Looking Back and Looking Ahead / D. L. Bourella [et al.] // RapidTech 2009: US-Turkey Workshop on Rapid Technologies. - 2009. - 24 Sept. - pp. 5-11.
4. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity [Electronic resource] / Hyun-Wook Kang [et al.] // Nature. Nature Biotechnology. - 2016. - 15 Feb. - Vol. 34. - pp. 312-319. - Режим доступа: https://www.nature.com/articles/nbt.3413, ограниченный. - (Дата обращения: 20.10.2019).
5. Javaid, M. Additive manufacturing applications in medical cases: A literature based review / M. Javaid, A. Haleem // Alexandria Journal of Medicine. - 2018. - Dec. - Vol. 54. - Issue 4. - pp. 411-422.
6. Mills, D.K. Future Medicine: The Impact of 3D Printing / D.K. Mills // Journal of Nanomaterials & Molecular Nanotechnology. - 2015. - Jun. - Vol. 4. - No 3.
7. Rodriguez-Salvador, M. Additive Manufacturing in Healthcare / M. Rodriguez-Salvador, L.A. Garcia // Foresight and STI Governance. - 2018. - Mar. - Vol. 12. -No 1. - pp. 47-55.
8. Schubert, C. Innovations in 3D printing: A 3D overview from optics to organs / C. Schubert, M.C. van Langeveld, L.A. Donoso // The British Journal of Ophthalmology. - 2014. - 11 Jan. - Vol. 98. - No 2. - pp. 159-161.
9. Manero, A. Implementation of 3D Printing Technology in the Field of Prosthetics: Past, Present, and Future / A. Manero [et al.] // International Journal of Environmental Research and Public Health. - 2019. - May. - Vol. 16. - Issue 9. -e1641.
10. Мадалиев, А. Применение аддитивных технологий в передовом протезировании. / А. Мадалиев, В.М. Иванов. // Системный анализ в проектировании и управлении: Сборник научных трудов XXIII Междунар. науч.-практич. конф. Ч.1. - СПб.: Изд-во Политех-Пресс, 2019. - С. 430-433.
11. Qinglin, Q. Digital Twin Service towards Smart Manufacturing / Q. Qinglin [et al.] // Procedia CIRP. - 2018. - Vol. 72. - pp. 237-242.
12. van Houten, H. The rise of the digital twin: how healthcare can benefit [Electronic resource] / H. van Houten // Philips. News center. - 2018. - 30 Aug. -Режим доступа: https://www.philips.com/a-w/about/news/archive/blogs/innovation-matters/20180830-the-rise-of-the-digital-twin-how-healthcare-can-beneffi.html, свободный. - (Дата обращения: 20.10.2019).
13. van Houten, H. How a virtual heart could save your real one [Electronic resource]/ H. van Houten // Philips. News center. - 2018. - 12 Nov. - Режим доступа: https://www.philips.com/a-w/about/news/archive/blogs/innovation-matters/20181112-how-a-virtual-heart-could-save-your-real-one.html, свободный. -(Дата обращения: 20.10.2019).
14. Torkamani, A. High-Definition Medicine / A. Torkamani [et al.] // Cell. - 2017. - 24 Aug. - Vol. 170. - Issue 5. - pp. 828-843.
15. Bruynseels, K. Digital Twins in Health Care: Ethical Implications of an Emerging Engineering Paradigm [Electronic resource] / K. Bruynseels, F.S. de Sio, J. van den Hoven // Frontiers in Genetics. - 2018. - 13 Feb. - Режим доступа: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fgene.2018.00031/full, свободный. -(Дата обращения: 20.10.2019).
