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2024 10月專題-數位孿生(Digital Twins) 醫療新趨勢 打造您的虛擬健康分身

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目錄

你是否覺得健康照護只是看病和拿藥？其實，未來的健康管理已經變得更智慧和客製化。醫療與健康管理領域正在步入「健康4.0」時代，其中「數位孿生」(Digital Twins)技術正在改變健康的管理方式。簡單來說，數位孿生就是建立一個虛擬的「你」，讓醫護人員能夠更準確地分析健康數據，提供客製化的建議和預測。這不僅有助於追蹤慢性病，還能提供量身定制的健康建議。想知道這項技術如何影響你的健康管理嗎？一起探討「健康4.0」和數位孿生的醫療新趨勢！

 

健康4.0的概念延伸自德國政府提出的「工業4.0」政策，它的核心概念是將數位化和AI技術應用在醫療與健康管理領域，以提高預測精準度及預防疾病。

認識數位孿生: 從工廠機器到您的健康

在這個數位化快速發展的時代，一項源自工業領域的創新技術正悄然改變著醫療保健的面貌。這項技術就是數位孿生（Digital Twins）。但究竟什麼是數位孿生？它如何從工廠車間來到醫院病房？又是什麼樣的技術支撐著它的發展？

 

數位孿生，顧名思義，就是現實世界中物體或系統的數位化雙胞胎。它是一個虛擬模型，能夠精確地模擬和反映其物理對應物的狀態、行為和效能。

 

想像一下，如果您能在虛擬空間中創建一個與您的身體完全一致的虛擬複製品，這個虛擬身體能夠即時反映您的健康狀況，甚至預測未來可能出現的健康問題，這就是數位孿生在醫療領域的應用。

 

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圖片使用AI繪製工具生成

 

數位孿生技術最初誕生於製造業。工程師們利用這項技術來模擬和優化複雜的機械系統，如飛機引擎或工業機器人。通過在虛擬環境中進行測試和分析，他們可以預測設備的效能、識別潛在問題，並在實際生產中避免昂貴的錯誤。這種能夠預測和優化的能力很快引起了醫療界的注意。醫學研究者意識到，如果能夠為人體器官或整個人體創建數位孿生，將會為個人化醫療和精準治療帶來革命性的變革。

數位孿生技術 讓健康管理更精準

數位孿生在健康管理領域正帶來一些令人興奮的變化。這些變化使醫療服務變得更智慧、更有效，對患者的照顧也更為精確。數位孿生改變健康管理的關鍵重點有以下五點：

 

  • 及時追蹤：數位孿生可以幫助我們及時追蹤病人的健康狀況和醫療過程。這意味著醫生可以根據最新的數據及時做出調整，帶來更佳的治療效果。
  • 精準醫療：每個人的健康狀況都不同，數位孿生能夠建立病人的「虛擬健康檔案」，根據個人的健康數據和歷史資訊，量身定制更有效的治療方案。
  • 模擬與預測：醫療專業人員可以使用數位孿生來模擬不同的醫療情境，預測治療結果，這樣可以更好地計劃治療方案和管理資源。
  • 改善醫院營運：對於醫療機構而言，數位孿生能幫助醫院優化病人的流動和資源分配，提升醫療服務的品質和整體效率，改善對病人的照顧。
  • 提升臨床試驗：通過模擬病人對治療的反應，數位孿生可以改善臨床試驗的設計，可能會加速新療法的研發。

 

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 圖片使用AI繪製工具生成

 

數位孿生的實際應用

心臟病患者的第二次生機: 數位心臟模型的應用

西門子醫療設備公司 (Siemens Healthineers)

Siemens Healthineers 是一家全球領先的醫療技術公司，專注於醫療影像、診斷和數位醫療解決方案的創新。該公司致力於推動醫療行業的數位化轉型，並以其先進的技術幫助醫療機構提高診斷精確度和患者治療效果。

 

其中，Siemens Healthineers 的「心臟數位孿生」（Digital Twin of the Heart）技術，是數位孿生技術在醫療保健中的一個突破性應用。這項技術可以建立一個精確的虛擬心臟模型，根據真實患者的數據進行模擬，從而讓醫療專家能夠預測和測試各種心臟治療方案，並在不傷害患者的情況下評估治療的效果。

 

例如，心臟數位孿生能模擬心臟的大小、收縮狀態和射血分數（ejection fraction 一種表明心臟功能障礙的症狀）等參數，讓醫生可以更好地了解患者心臟病的發展過程，並提早進行風險評估。

 

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心臟數位孿生引入真實世界資料概念圖

圖片來源：截圖於Siemens Healthineers官網

 

目前，Siemens Healthineers 的「心臟數位孿生」技術仍處於研發與測試階段，尚未大規模投入臨床使用。該技術已經在一些醫療機構進行了初步測試，例如德國海德堡大學醫院，這些測試正在驗證心臟數位孿生診斷冠狀動脈疾病方面的精確性與可行性。

 

未來的核心目標是能夠將即時的患者資料整合進虛擬模型中，讓醫療專家可以進行即時的病情分析與預測，並模擬不同治療方法的效果。這項應用不僅將提高了醫療的精準度，也能縮短診斷和治療過程中的時間，提升患者的治療體驗，展示著數位孿生在醫療保健領域應用的巨大潛力。


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心臟數位孿生操作示意圖

圖片來源：截圖自Siemens Healthineers官方YouTube影片

 

 

「虛擬雙胞胎」：為第 2 型糖尿病患者帶來個人化精準護理

卡羅林斯卡大學醫院

 

卡羅林斯卡大學醫院是全球知名的醫療研究機構，致力於將尖端科技應用於臨床實踐，以提升患者護理品質。該院正在參與一項重大的歐盟AI和精準醫療計劃，運用數位孿生技術為第 2 型糖尿病患者提供更個人化的照護。

 

這項名為dAIbetes的計劃將利用約80萬名歐洲患者的數據來訓練AI模型。這些數據來自第 2 型糖尿病患者，這種疾病影響著全球十分之一的成年人。研究人員將利用這些數據訓練AI模型，進而創建患者的「虛擬雙胞胎」。

 

卡羅林斯卡大學醫院的高級顧問兼該計畫瑞典臨床研究團隊負責人Paolo Parini表示：「透過虛擬雙胞胎，我們可以為每位患者量身定制 2 型糖尿病治療方案。」

 

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用於治療第2型糖尿病的個人化數位孿生模型

圖片來源：Virtual Twins to Improve Care for Type 2 Diabetes Patients,karolinskahospital 

 

在斯德哥爾摩，計劃有多達600名2型糖尿病患者將在虛擬雙胞胎的幫助下接受護理。這項技術不僅能提高治療的精準度，還可能降低醫療成本，減輕醫療系統的負擔。

 

Paolo Parini教授補充道：「我們期待看到虛擬雙胞胎如何改善2型糖尿病患者的護理和生活品質。這項技術有潛力徹底改變我們管理慢性疾病的方式。」

 

 

公共衛生新工具：「數位孿生社區（Digital Twin Neighborhoods）」

克利夫蘭診所的創新實踐

 

克利夫蘭診所正在利用數位孿生技術革新慢性疾病管理和減少醫療保健差距。在美國國立衛生研究院(NIH)314萬美元撥款的支持下，研究人員正在開發「數位孿生社區（Digital Twin Neighborhoods）」，這是一個創新的虛擬模型，整合了來自電子健康記錄、社會經濟因素和環境特徵等多方面的數據。

 

克利夫蘭診所人口健康研究中心主任Jarrod Dalton博士解釋道：「我們的目標是設計一種方法，幫助衛生系統、政府和組織合作並制定策略，以解決明顯的健康差距。人們居住或工作的地方可以影響他們的健康結果，包括預期壽命和患癌症或糖尿病等疾病的風險。」

 

這項技術不僅用於研究人口健康趨勢，還能為個別患者創建虛擬雙胞胎。MetroHealth的人口健康研究所(PHRI)的Perzynski博士補充說：「通過在研究領域評估數位孿生等技術，可以使組織更容易採用數據支持的方法進行公共衛生干預。」

 

數位孿生模型允許醫療提供者模擬不同的治療方案，為個別患者確定最有效的策略。這對於管理糖尿病和高血壓等慢性疾病特別有益，在這些疾病中，個性化的護理計劃可以顯著影響長期健康結果。

 

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 圖片使用AI繪製工具生成

 

通過分析虛擬模型對各種干預措施的反應，醫生可以預測潛在的併發症並主動調整治療方案。這種前瞻性模型有助於及早干預，這對於預防與慢性疾病相關的嚴重發作和併發症至關重要。

 

克利夫蘭診所首席研究和學術官Serpil Erzurum醫學博士總結道：「使用數位孿生社區等創新方法是人口研究的未來，它將揭示我們如何更好地解決健康差距，為我們的社區帶來積極的變化。」

 

資料來源：

 

 智慧型代理系統(AI Agent)如何增強數位孿生的功能？

在之前的專題中，AI Agent對醫療領域使用大語言模型的落地帶來革命性的影響，當我們在數位孿生技術加入Agent和元宇宙(Metaverse)的技術時，數位孿生的功能更是大幅提升，例如：

 

  • 智慧決策： Agent可以根據數位孿生收集到的資料，自動進行數據分析，並做出快速且準確的決策，特別適合需要即時應變的醫療場景。
  • 自主適應： Agent具有自動調整的能力，當病患的情況發生變化時，它能即時作出反應，幫助醫療人員適時調整治療方案。
  • 協作互動： 在醫患之間，Agent可以提供數據分析後的建議，協助醫生作出最佳決策，讓醫療服務更加精準。
  • 沉浸式互動： 元宇宙技術讓醫護人員能更生動、直觀地「進入」病患的數位孿生世界，進行深入的檢查，提升患者的滿意度和醫療溝通效果。
  • 模擬訓練： 元宇宙結合了擴增實境（AR）、虛擬實境（VR）和人工智慧（AI）等技術，能夠模擬各種醫療場景，讓醫護人員在無風險的環境中進行訓練和治療方案測試。
  • 促進協作： 元宇宙使醫療專業人員之間能夠共享信息和資源，即使他們身處不同地點，也能及時協作，提升醫療服務效率。

 

 

與這些技術整合，數位孿生能更精準地管理健康狀況，不僅能幫助及早預測疾病，還能動態調整治療計畫，帶來更有效的健康管理與照護。

 

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數位孿生引領健康4.0時代的未來

數位孿生技術正在徹底改變未來的醫療面貌，為我們的健康管理帶來前所未有的個人化和精準性。這項技術不僅能夠根據每個人的獨特特徵量身打造治療計劃，還能持續監測患者的健康狀況，顯著改善治療效果。然而，實現這一願景仍面臨諸多挑戰。

 

一篇2022年出版於劍橋大學出版社的文章指出，數位孿生醫學上的使用，公平性和可及性的問題尤為突出。數位孿生技術的高成本可能加劇現有的醫療資源分配不均,擴大健康差距。

 

隱私和數據安全成為關鍵議題，數位孿生整合了大量個人健康數據,如何保護這些敏感信息免受濫用和攻擊,需要嚴格的安全措施和法規框架。除此之外,責任歸屬變得更加模糊。在數位孿生輔助下做出的醫療決策,其責任如何在醫生、患者和技術提供者之間分配,仍是一個開放的問題。

 

儘管挑戰重重，數位孿生技術的未來發展潛力依然巨大。它不僅能協助醫生做出更精準的診斷，還能加速新藥研發和臨床試驗進程，同時提升醫院的整體運營效率。展望未來，數位孿生技術將持續演進，為我們帶來更多令人驚嘆的創新。也許在不久的將來，我們每個人都將擁有一個完整的虛擬健康分身，它將成為我們終身的健康顧問和守護者。

 

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更多資訊及參考資料：

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