CC BY
15INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ «ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА» В СИСТЕМЕ
ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СЕТЬ 4G Садчикова Светлана Александровна1, Пак Анастасия Андреевна2
1 Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий,
доцент кафедры «Телекоммуникационный инжиниринг»,
2 Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий
https://doi.org/10.5281/zenodo.7857902
Abstract. The healthcare sector has realized the need to create a patient-centered system. Based on the patient's lifestyle, regular eating habits or analysis data, this technology helps inform the patient about appointments, dietary adjustments, medical consultations and other situations. The "digital twin" uses a significant amount of data and models based on artificial intelligence and machine learning.
The article discusses various functions, "Digital Twin" services for healthcare and the role of the 4G network in this system.
Keywords: 4G network, "Digital twin", artificial intelligence, Internet of Things, computer model, medical research.
Введение
Технология 4G обеспечивает высокую скорость передачи данных, низкую задержку, надежность и пропускную способность сети, а также большее число подключений.
Современной телемедицине требуется сеть, которая сможет поддерживать высококачественное видео в реальном времени, и с помощью технологии 4G системы здравоохранения смогут значительно расширить охват населения услугами телемедицины. Между пациентом и специалистом медико-санитарной помощи, для начала следует обеспечить видеосвязь высокой четкости для проведения первоначальных обследований, плановых осмотров (которые не требуют физических процедур), сеансов терапии, реабилитации и постановки визуальных диагнозов (например, выявления дерматологических заболеваний).
С учетом последствий пандемии, технология 4G может позволить удаленно оказывать качественную медицинскую помощь, уменьшив подверженность пациентов заражению за счет минимизации личных посещений и медицинских учреждений. Пациентам, которые находятся географически удаленно от медицинских работников, 4G позволит посещать врача через системы онлайн-присутствия, что уменьшит нагрузку на пациента и снизит стоимость каждого приема.
Необходимость цифрового двойника в здравоохранении
«Цифровые двойники» - сложные компьютерные модели, которые могут быть изменены в режиме реального времени. «Цифровые двойники» - это точные копии предмета или человека, которых они имитируют. При разработке реалистичных цифровых двойников используются соответствующие данные, предоставляемые специалистами здравоохранения. Пациенты могут предотвратить медицинские кризисы, используя симуляцию, которая позволяет выявить признаки заболевания на ранней стадии, распознать потенциальный рецидив заболевания. Прогностические возможности цифрового двойника
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
могут также определять тенденции в образе жизни и предупреждать пользователей о необычном поведении, которое может нанести ущерб их здоровью [1-2].
Приложения и носимые устройства на основе ИИ могут использовать 4G и машинное обучение для анализа данных, связанных с медицинской диагностикой и оказанием неотложной помощи. Инфраструктура 4G значительно упростит и повысит надежность использования программного обеспечения ИИ для анализа данных о пациентах в режиме реального времени, отправляемых на облачные платформы. Интегрируя функции искусственного интеллекта и машинного обучения с облачными приложениями, «Цифровые двойники» могут использовать данные в режиме реального времени для создания точных прогнозов состояния здоровья людей [3-5].
Разработка цифрового представления, сбор и архивирование данных в режиме реального времени, а также предоставление подробной информации на основе полученных данных - все это станет возможным благодаря интеграции четырех технологий в приложении «Цифровой двойник»: IoT, расширенная реальность, облако и искусственный интеллект [6-7]. Кроме того, взаимодействуя с 3D-изображениями анатомии человека, пользователи могут увидеть, как гаджет будет работать при реальном использовании. [7-8].
Цифровые технологии быстро внедряются в отрасль здравоохранения, повышая общий уровень человеческого опыта и переосмысливая способы проведения операций. Глобальная индустрия здравоохранения становится все более устойчивой по мере преодоления препятствий, связанных с COVID-19. Больницы и пациенты сталкиваются со значительными проблемами из-за непредвиденных изменений рабочей нагрузки и отмены тестов. Незапланированный простой, связанный с системным сбоем, может быть дорогостоящим, увеличивать время ожидания пациента и дискомфорт, а также ухудшать результаты лечения.
Для создания высокоточного и эффективного «Цифрового двойника» необходимо сотрудничество руководителей больниц, врачей, административного персонала, архитектора здания и технологического партнера. Цифровой двойник может уменьшить потребность в дорогостоящих модификациях после реорганизации отделения и может помочь спланировать корректировки или дополнения к отделениям по уходу [9].
Данные из электронных медицинских карт, реестров заболеваний из других систем и ресурсов могут быть объединены с данными пациентов из носимых устройств и других персональных медицинских устройств. Располагая этими огромными наборами данных, можно точно изобразить каждого человека и выполнить моделирование для прогнозирования действия различных лекарств, разработать высоко индивидуальные планы лечения и получить ранние предупреждения о восприимчивости пациента к болезням или другим расстройствам [5].
Различные функции и услуги «Цифрового двойника» для здравоохранения
Благодаря развитию моделирования человеческого тела и совершенствованию медицинского обслуживания, с помощью цифрового мониторинга, «Цифровые двойники» в секторе здравоохранения меняют методы клинических операций и администрирование больниц. Например, врач, оценивающий спортсмена, должен будет провести компьютерное моделирование, чтобы понять, как система будет функционировать в различных реальных условиях. Преимущество такого подхода по сравнению с предотвращением повторных
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
травм перед тестированием на подачу заключается в том, что он значительно быстрее и дешевле [9]. Кроме того, врач сможет провести анализ рисков в различных ситуациях «что, если».
На рис.1 приведены примеры нескольких интеллектуальных инструментов и технологий, связанных с реализацией «Цифрового двойника» для сектора здравоохранения. Обеспечение его услуг связано с различными платформами.
Физическое обслуживание
Человек-компьютер, взаимодействие, интерфейсы
Рис.1. Технологии и инструменты цифрового двойника для сферы здравоохранения
«Цифровые двойники» виртуализируют больницы в медицинских учреждениях, чтобы обеспечить безопасную среду для оценки влияния изменений на работу больницы, не подвергая опасности фактическую работу. «Цифровой двойник» больницы предоставит доступ к информации, основанной на данных, относительно операционных стратегий, потенциала, укомплектования персоналом и моделей оказания медицинской помощи. «Цифровой двойник» может постоянно контролировать пропускную способность. В результате может быть оптимизирован график работы персонала, выделены ценные ресурсы, такие как койки и операционные, а также ресурсы могут быть быстро развернуты там, где это необходимо. Эта технология поможет отслеживать, исследовать и имитировать использование физического объекта [5, 9].
Поскольку цифровой двойник может идеально имитировать результаты и прогнозировать их, люди смогут переключиться с лечения болезней на поддержание здорового образа жизни. Важная информация о пациенте, такая как ранние признаки состояния здоровья, будет включена в «Цифровой двойник». Чтобы оценить риски и проконсультировать пациентов относительно рискованного поведения, которого им следует избегать, ведя здоровый образ жизни, в него будут включены данные и о ранних показателях здоровья.
Услуги
алгоритмы,
программное
обеспечение,
платформы,
архитектура
Данные
сбор, хранение,
обработка,
синтез
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
Быстрая передача данных крайне важна для работы любого приложения «Цифровой двойник». Современные коммуникационные технологии, такие как 4G, могут в этом случае столкнуться с серьезными коммуникационными проблемами, если все больше устройств будут обмениваться данными в ограниченном радиочастотном спектре. Технология 5G с широким диапазоном частот способна обслуживать гораздо больше устройств, но нуждается в гораздо более высокочастотном спектре (30...300 ГГц), чем обычные мобильные сети. Но такие миллиметровые волны не могут легко проникать сквозь препятствия, что потребует больше миниатюрных базовых станций, покрывающих всю необходимую область.
Другая опция - использование беспилотных летательных аппаратов для помощи базовым станциям не только в случае многолюдных общественных мероприятий и стихийных бедствий, но и в промышленных применениях [10].
Полноценное внедрение технологии «Цифровой двойника» требует подготовленной инфраструктуры. На сегодняшний день перспективной технологией является Private LTE/5G. В обзоре Comnews о рынке Private LTE/5G-Ready прямо говорится, что более 80% руководителей промышленных компаний рассматривают вопрос развертывания сетей 4G/5G для поддержки производственных задач [11].
Тестирование, проводимое в лаборатории 5G «Билайн» и показало, что скорость загрузки данных приложения «Цифровой двойник» в сети 5G почти в 20 раз выше, чем в сети 4G, а выгрузка данных сопоставима с выгрузкой информации со смартфона с поддержкой 5G. [2,5]
Заключение
У цифровых двойников блестящее будущее в здравоохранении, но их реальное влияние станет известно, как только они смогут эффективно и широко преобразовывать данные в надежные клинические рекомендации. Сеть 4G может преобразовать и улучшить критически важные компоненты здравоохранения, что особенно актуально сегодня, поскольку распространение коронавируса оказало беспрецедентную нагрузку на системы здравоохранения. 4G сможет обеспечить необходимые уровни подключения для создания новой экосистемы здравоохранения, которая сумеет максимально эффективно удовлетворить потребности пациента и поставщика услуг. Мобильность при стационарном лечении становится возможной благодаря интеграции медицинских планшетов и портативных компьютеров с технологией «Цифровой двойник». Данные из многочисленных подсистем и текущие взаимодействия между людьми, процессами и связанными с ними элементами можно объединить для создания цифрового двойника «умной больницы», что позволит представить контекстуальную модель предыдущего, текущего и прогнозируемого будущего состояния больницы, которая может быть скорректирована, изучена и улучшена по мере развития искусственного интеллекта или машинного обучения.
Широкое использование смартфонов облегчает внедрение технологии «Цифровой двойник». Пациенты и их семьи смогут иметь больший доступ к медицинской информации.
Примечания
INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE "DIGITAL TECHNOLOGIES: PROBLEMS AND SOLUTIONS OF PRACTICAL IMPLEMENTATION IN THE SPHERES" APRIL 27-28, 2023
1. Дж. Чжан, Л. Ли, Г. Линь, Д. Фанг, Ю. Тай, Дж. Хуан «Киберустойчивость в здравоохранении цифровой двойник при раке легких» - IEEE Access, 8 (2020), стр. 201900-201913;
2. К. Патроне, Г. Галли, Р. Реветрия «Современный цифровой двойник и имитационное моделирование, поддерживаемое интеллектуальным анализом данных в секторе здравоохранения» - Продвижение технологической индустриализации с помощью интеллектуальных программных методологий, инструментов и техник (2019), стр. 605615;
3. А. Халим, М. Джаваид, Р.П. Сингх, Р. Суман «Технологии Medical 4.0 для здравоохранения: особенности, возможности и приложения» - Интернет вещей и киберфизические системы (2022);
4. Ю. Фэн, Х. Чен, Дж. Чжао «Создайте индивидуального цифрового двойника для неинвазивного точного лечения легких» - Значение биоинженерии и биологических наук, 1 (2) (2018);
5. А. Фуллер, З. Фан, К. Дэй, К. Барлоу «Цифровой двойник: стимулирующие технологии, вызовы и открытые исследования» - IEEE Access, 8 (2020), стр. 108952-108971;
6. С.Д. Окегбиле, Дж. Цай, К. Йи, Д. Ниято «Цифровой двойник человека для персонализированного здравоохранения: видение, архитектура и направления на будущее» - Сеть IEEE (2022)
7. Д. Ян, Х.Р. Карими, О. Кайнак, С. Инь «Развитие цифровых двойных технологий в промышленности, умных городах и здравоохранении: обзор» - Сложные инженерные системы, 1 (1) (2021), стр. 3
8. С. Хан, Т. Арслан, Т. Ратнараджа «Перспектива цифрового двойника четвертой промышленной революции и революции в области здравоохранения» - IEEE Access, 10 (2022), стр. 25732-25754
9. Р. Сахаи, С.Х. Алсамхи, К.Н. Браун «Персональный цифровой двойник: пристальный взгляд в настоящее и шаг навстречу будущему индустрии персонализированного здравоохранения» - Датчики, 22 (15) (2022), стр. 5918;
10. Bonin T. et al. Observations of the early evening boundary-layer transition using a small unmanned aerial system // Boundary Layer Meteorology, 2013, vol. 146, no. 1, pp. 119-132.
11. https://newprospect.ru/news/articles/tsifrovye-dvoyniki-v-virtualnykh-ochkakh-chto-zhdet-sektor-b2b-v-blizhayshie-gody/
