數字孿生技術概念自提出以來，經過近幾十年的迅速發展和廣泛應用，不僅在多個領域取得了巨大的成就，也為醫學領域帶來了更為廣闊的發展前景。數字孿生醫院作為當前醫療行業的一個重要趨勢，通過連接實體醫院與虛擬醫院場景發揮多重作用，惠利“患者—醫務工作人員—醫院管理者”三方，突顯出數字孿生技術在智慧醫院的應用前景不可估量。本綜述以數字孿生技術為切入點，簡單介紹了其在各領域的應用進展，重點概括了數字孿生技術的特點、在醫院實際應用案例及其所面臨的局限，同時也對其未來的發展前景進行了展望，旨在為數字孿生醫院領域的未來提供一定有益的啟示和指導，也期望能在一定程度上為改變醫療的未來發揮重要作用。
引用本文： 胡慧娟, 王明幫, 雷崎方, 楊凱, 孫海燕, 劉曉岑, 吳松. 數字孿生醫院：改變醫療的未來. 生物醫學工程學雜志, 2024, 41(2): 376-382. doi: 10.7507/1001-5515.202310041 復制
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0 引言
數字孿生技術是近年來應用廣泛的一項新技術，它以計算機輔助設計、大數據、人工智能等為基礎，模擬真實場景，建立數字模型，通過計算機對數字模型模擬情況來實時交互反饋。它區別于數字化、智能化以及虛擬現實（virtual reality，VR）等傳統概念，其特點是：真實物理對象與其映射的數字孿生體可以進行雙向映射、動態交互和實時連接。數字孿生技術的應用范圍非常廣泛，目前已用于工業、交通、城市規劃等領域。在工業領域，數字孿生技術可以用于工業制造、設備維修等具體方向，通過建立數字模型、模擬生產流程等操作，可進行預測性維護、優化制造流程、延長產品生命周期以及監控產品質量等，以進一步提高生產效率和產品質量管理水平[1-2]。在交通領域，數字孿生技術經過建立虛擬模型、實時監控、分析和預測交通流量狀態、優化交通系統等操作后，可為交通管理提供決策支撐、提高交通效率、緩解交通擁堵壓力等[3-4]。在城市規劃領域，數字孿生技術可通過建立虛擬城市模型等操作來監測城市狀況、識別潛在風險、預測城市發展，從而提高居民生活質量，促進城市建設更好地可持續發展[5]。醫學的進步與現代科技的發展息息相關，如今數字孿生技術已經應用于醫療領域，而其中一個重點的方向是將數字化技術與醫療機構相結合，以實現更高效、更準確、更個性化的醫療服務，即數字孿生醫院[6-7]。數字孿生醫院是數字醫療的一部分，已經成為當今醫療行業的一個熱門話題。數字孿生醫院是一種新型醫院運營模式，它以數字孿生技術為基礎，根據醫院真實的場景，模擬構建出一個完全虛擬的醫院，通過建立患者或醫療系統的虛擬映射和實時連接，來提供更智能、精確和個性化的醫療服務，同時也利于醫療工作者以及醫院管理者的工作開展[8]。
1 數字孿生醫院的特點
數字孿生醫院是利用數字仿真、物聯網等現代智能技術建立的虛擬醫院，如圖1所示。首先，它可以做到可視化操作：通過模擬手術操作，為年輕醫生積累手術經驗，同時可視化操作能輔助管理人員進行醫院規劃。其次，能實現高效率地分配資源：通過優化資源的分配，為患者提供優質的醫療資源。再次，可監控患者健康狀態：為患者提供可靠的監護保障。最后，提供方便的醫療服務：可方便患者就醫，提升患者就醫體驗感。
圖1
數字孿生醫院的特點
Figure1.
The features of digital twin hospital
1.1 可視化操作
數字孿生醫院的可視化操作，是指通過數字孿生技術按照醫院真實場景搭建虛擬場景，將醫院設備、醫護人員配置、患者信息等具體情況在數字孿生醫院中體現出來，涵蓋醫療服務、醫學教學、臨床研究、醫院運營等多方面，可使醫護工作者、患者以及醫院管理人員通過可視化操作獲得便利。現代醫學技術要求醫生熟練掌握手術操作技能，而數字孿生醫院的可視化操作能將手術場景轉換為虛擬場景，可使醫生通過虛擬場景進行手術操作，從而大大提高手術技能和效率[9]。Bjelland等[10]提出了將數字孿生技術與關節鏡外科手術結合的設想，利用數字孿生技術模擬關節的生物力學行為，給醫生提供一個自由操作關節鏡外科手術并可以觀察手術影響的虛擬環境，為醫生積累手術經驗、提高手術技能提供了良好的平臺。Dang等[11]提出可以將數字孿生技術應用于醫學教育工作，為醫學生提供更貼合現實的虛擬場景，包括手術模擬、醫學影像等，幫助醫學生更好地研習和實踐、鍛煉技能，提升醫學教育的質量。另外，Zackoff等[12]將可視化技術應用于新入職醫護人員的崗前培訓，利用沉浸式虛擬現實體驗醫院各個科室場景，通過完成任務來指導醫護人員照顧虛擬患者，有效地將理論與實際相結合，使新入職的工作人員更好地適應新的工作環境，提升員工入職體驗。人們相信，隨著數字孿生技術的不斷發展和應用，其可視化操作將發揮越來越重要的作用。
1.2 高效匹配資源
數字孿生醫院可以分析醫療資源的配置和利用情況，提升醫療服務質量和效率，避免因配置不當而導致資源浪費、醫療服務效率低下等問題。James[13]報道數字孿生技術可以近乎實時地跟蹤醫療保健設備運營情況，選擇最佳的資源分配方式，提高醫療機構運維效率，更有效地匹配供需，使醫療資源可以高效使用。Liu等[14]提出建立基于數字孿生技術的醫療健康方向的云醫療平臺，各地醫療機構通過將醫療資源上傳至云醫療平臺，利用平臺為患者合理分配醫療服務，同時動態靈活地為醫療機構提供基礎設施建設、區域合作、資源共享、故障預測等服務。El Azzaoui等[15]提出了一種基于區塊鏈的智慧健康城市數字孿生框架，能自動分配患者到符合需求的最佳醫院或擁有足夠醫療資源的醫院，高效協調醫療資源，改善智能醫療保健系統。數字孿生醫院的建設是醫療行業智能化轉型的重要組成部分，在數字孿生醫院中高效匹配資源，可以有效地改善醫療質量和服務水平。因此，數字孿生醫院應關注上述領域，以提升匹配資源應用的能力；只有正確地將人力、設備和藥物等資源應用于每位患者，才能在全面提高醫療質量的同時，實現資源利用最大化。
1.3 實時監控健康狀況
數字孿生醫院通過使用物聯網、大數據等技術實時監控患者的健康狀況，為其提供個性化的醫療服務，避免了因未能及時處理病情變化而可能導致的醫療服務問題。Webster等[16]提出利用可穿戴監測技術來連續監測患者的生命體征，在每位患者入院時分配一個可穿戴設備，這個設備會實時測量患者的心率、呼吸、體溫和血壓等生命體征，更有效地及早識別患者惡化的病情，從而減少入住重癥加強護理病房（intensive care unit，ICU）的可能。可穿戴設備可以方便、快捷地監測患者健康狀況，所以應用可穿戴設備逐漸成為實施持續健康監測的重要組成部分。常用的可穿戴設備有手腕式、頭戴式、貼片式等，可實現連續監測人體生物特征指標，及時發現還處于潛伏期的疾病并實施早期干預[17-19]。由于可穿戴設備具有和患者密切接觸和及時反饋體征的特點，因此可穿戴設備十分適合糖尿病患者的管理與治療。傳統血糖儀獲取指尖血樣時的不便和痛苦會導致糖尿病患者自我監測依從性差，而可穿戴血糖監測設備可以改善這一點，同時準確性和安全也可保障[20]。Wang等[21]提出使用一種可穿戴汗液傳感技術，通過個性化和非侵入性的代謝和營養監測，有利于早期識別異常狀況，實現精準營養治療。Falkowski等[22]提出通過專用設備連接患者和康復技師，以保證康復技師可遠程、實時地監控和指導患者進行康復訓練，為患者提供精確的、個性化康復治療方案，在降低患者康復治療費用的同時，為康復技術人員提供精準評估和監控患者的工具。總之，實時監控健康狀況是醫療保健行業的重大創新，它可為醫療行業提供更先進、智能的醫療保健方法，更有效地進行醫療服務和治療，提高醫療服務的效率和質量，從而促進醫療行業的創新和發展[23]。
1.4 提供便捷的醫療服務
數字孿生醫院可以提供診斷、治療、預防、健康管理、教育等全方位的醫療服務，實現遠程監控患者的治療進展并評估他們的健康狀況，讓患者享受到高質量的遠程醫療監護和醫療交互服務，在一定程度上可將現有的醫療資源最大化利用[24]。傳統的醫療流程由于醫療資源分布不均導致患者到醫院排隊掛號、等待診斷、拿藥付款等環節所需的時間較長、就診時間短以及就醫流程繁雜且低效。而數字孿生醫院將這些流程都整合在一個平臺上，患者可以隨時隨地通過電子設備連接數字孿生醫院，進行掛號、預約、咨詢、診斷、治療、付款等服務，大大節省了人力和物力[25]。數字孿生醫院作為數字化醫療服務的一種重要形式，提供了便利、高效的醫療服務，并且在發揮已有優勢的同時，還不斷完善和創新，因此，數字孿生醫院擁有十分廣闊的應用前景，并將會為人們的健康事業做出更大的貢獻。
2 數字孿生醫院應用案例
當前，國內外在數字孿生醫院領域的探索較為活躍，各家醫院、科技公司都在努力探索與實踐。國內，深圳大學附屬華南醫院是按照三級甲等醫院規模打造、重點投入建設的市屬公立醫院，是深圳市目前最大的集醫教研于一體的單體醫院建筑，為對醫院空間進行優化，構建了數字孿生醫院，如圖2所示，它可以統計醫院業務、樓宇能耗、車輛出入以及電梯運行狀態，獲得門診空間結構、診區分布情況，同步樓層信息、科室分布信息以及消防通道路線等。Peng等[26]報道了同濟大學附屬東方醫院為解決運營維護效率低下的問題，建立數字孿生醫院建筑孿生體，實時監測醫院空間、能源、設施、安保等情況，從而對醫院整個生命周期進行管理，雖然需要實時收集且記錄的數據量很大，但格式相對簡單，因此，在網絡穩定時可以持續順利地運行，不過需要每三個月備份一次數據庫，此外還存在數據保密的安全問題，這在一定程度上限制了數字孿生技術在醫院的發展。Li等[27]報道了廣東省第二人民醫院與華為合作建設全場景智能化醫院。該院住院患者可以從床邊觸摸屏或在醫院開發的智能手機應用程序“叮唄醫生”上訪問檢查、治療的項目以及費用等相關數據，從而方便了患者的就醫流程，提高了醫療服務質量，使患者、醫務人員和管理人員受益。國外，Aluvalu等[28]通過數字孿生技術來為患者提供新型的急診醫院服務，使用人臉識別或是生物識別來捕獲患者身份，驗證身份之后，可以訪問患者甚至是未曾在提供此次急診服務的醫院就診過的患者的年齡、血型、病史等基本電子健康信息，有助于醫生治療處于危急狀態的患者，但這需要患者定期更新、維護個人的醫療健康信息。數字孿生醫院在運營維護方面應用較多，也是目前最有可能實現的，通過應用數字仿真、物聯網等技術，實現全院建筑物、機房以及設備等的三維仿真模型，通過實時采集設備的關鍵指標數據，以全局視角把控醫院設備分布、運行、能耗等信息，利于直觀了解全院設備的運行情況。
圖2
深圳大學附屬華南醫院數字孿生后勤調度中心
Figure2.
Digital twin logistics movement control center of South China Hospital of Shenzhen University
3 數字孿生醫院的局限性
應用數字孿生醫院雖已取得初步成效，但也面臨著一定的挑戰。首先，數字孿生醫院的開發和維護需要投入一定的成本，一般而言，最先進的掃描設備通常也比較昂貴。不過應用數字孿生技術也在一定程度上降低了醫院成本，比如，其應用可以及時維護設備，減少管理成本；也可縮短特定藥物上市時間并減少成本來降低藥品生產價格；還可縮短患者治療周期、降低醫生誤診率；以及可進行遠程診斷減少患者就診成本。因此，最終可能要視具體情況來判斷數字孿生技術的應用是否導致醫院成本增加[29]。再次，數字孿生技術應用在醫學領域還需關注的是醫學倫理、患者隱私保護以及安全風險降低等問題引起的重大挑戰。最后，利用數字孿生技術構建的模型依賴于持續獲取大量高質量、多尺度、多模態的數據以及高性能的計算技術，因此數據收集和技術壁壘問題也在一定程度上影響著數字孿生技術的發展[30]。總體而言，盡管存在挑戰，但相信在解決這些障礙之后，數字孿生醫院將會在更有價值的道路前進。
4 數字孿生醫院的未來展望
數字孿生技術已在醫療領域展開應用，數字孿生醫院也已經進入了實際應用階段。如圖3所示，未來，隨著數字孿生技術的不斷發展和進步，可以預期將有更多的應用逐步展開，例如：首先，可實現個性化醫療：為患者提供個性化醫療服務，幫助醫生制定精確的治療計劃；其次，可實現聯合診療：讓患者享受到專家醫生的聯合診療服務，幫助醫生避免因信息未及時更新而導致的診療誤差；再次，可實現醫療智慧化：為患者提供更精準的醫療服務，實現智慧醫院管理；最后，數字孿生醫院也將會不斷完善和延伸，逐漸成為醫療服務行業的重要組成部分。
圖3
數字孿生醫院的未來展望
Figure3.
The future of digital twin hospital
4.1 個性化醫療
數字孿生醫院可以實時監測患者的健康數據，為其提供更個性化、精細化、可持續化的醫療服務[31]。數字孿生醫院可以幫助醫療行業實現從“治療疾病”轉向“預防疾病”，讓每個人都能獲得高效且貼心的醫療服務。未來，數字孿生醫院也將在個性化醫療領域不斷發展。
（1）首先，基于數字孿生技術制定個性化診療方案將成為常態。數字孿生醫院的核心是人體數字模型，通過分析這些模型判斷患者病情，幫助醫生制定精準的治療方案。數字孿生技術還可以實時監測患者體征，根據患者情況適時調整治療方案，從而確保治療的不斷優化。Liu等[14]將在線心電圖設備接入到云數字孿生服務平臺，為有心律失常癥狀的患者及其醫護人員提供用藥提醒服務，并且藥物劑量是基于他們個人的身體健康狀況和遺傳因素制定的，運用此平臺在一定程度上實現了個體化用藥。Cho等[32]介紹了利用口腔掃描等數字孿生技術，將患者的口內全部牙齒以及一些黏膜組織等口腔內部情況個性化、精準性地轉化為虛擬模型，再通過三維打印（three dimension printing，3DP）技術打印出患者的口內模型，便于后續個性化義齒的制作，同時也可以個性化地判定牙齒與面部的位置關系。
（2）其次，數字孿生醫院將帶動醫療服務向以預防為主的方向發展，可以在早期對患者進行診斷和預防疾病的發生，比如預測問題是否會發生、何時發生，制定個性化的預防方案，為及早治療疾病提供必要的時間，讓患者在避免疾病發生的同時，享受更優質的醫療服務，這些步驟是加速向預防性、個性化醫療邁進的關鍵[33]。
（3）最后，數字孿生醫院將推動醫療產業的數字化升級。未來，可以在每個人出生時創建個性化的數字孿生技術基因圖譜，患病時應用數字孿生技術來計算用藥，以確保選擇最有效的藥物以及精確的藥物量，或是提前計算患病的可能性，在重大疾病發病之前有效預防。
隨著醫療產業不斷數字化，應用數字孿生技術嘗試新儀器、新技術或治療方法，可以將人們患病的風險降至最低，醫生制定的診療方案更加精準，醫療應用和技術也將得到更好的發展[34]。總之，數字孿生醫院將會在個性化醫療領域持續不斷地發展演化，使得醫療服務的質量、效率和個性化程度不斷提升，從而帶給人們更加優質的健康服務。
4.2 聯合診療
數字孿生醫院可以以大、中型醫院為核心，再連接基層醫院、社區健康服務中心、診所等，將多家醫療機構的診療服務數據集成在一起，整合不同臨床醫生的意見，通過共享醫療資源、聯合診斷和治療等方式，提高醫療服務的覆蓋范圍、醫學教育的水平和深度以及緩解患者看病難的現狀，打造醫院智慧運營的新模式。
數字孿生醫院可以實現醫療數據的共享，使患者享受專家聯合診療，有效緩解患者看病難、看難病的問題，從而改進醫療流程、提升患者體驗以及節省運營成本，為醫療行業帶來巨大的變革。
數字孿生醫院可以幫助醫生共享患者病歷、影像資料、檢驗結果等，避免因信息不對稱而造成診療誤差。以深圳大學附屬華南醫院為例，該院為將診療規范最大化，打通患者數據，搭建了數字孿生人體模型，此模型可以整合患者全身各部位的檢查檢驗數據，為患者建立了個性化、動態的人體檔案。
數字孿生醫院還可以與社區衛生服務中心等機構協作，結合患者的健康數字孿生數據，實時預測和優化患者流向各個醫院的情況，進一步實現對患者的健康管理以及醫院之間的資源管理、運營數據共享[35]。
總之，數字孿生醫院將聯合診療應用于多學科，為患者“量身定制”治療方案，在聯合診療領域發揮著越來越重要的作用。
4.3 醫療智慧化
通過人工智能、大數據、數字建模等技術，數字孿生醫院可以搭建智能化數字醫院場景，為患者提供更加精準的醫療服務，提高醫療運營管理效率、決策的準確性和科學性，打造醫院智慧運營新模式。數字孿生醫院的智慧化能實現多項智慧管理，除了可以使患者享受全過程智能化的優質醫療資源外，還可清晰地展示醫院各樓層具體的能耗數據，使醫院管理人員按照醫院能耗管理制度來自動或人工調節公共設施的用水、用電等情況，從而達到節能減排的目的，提升了醫院運營管理效率。此外，還有研究提及數字孿生技術的醫療實踐應用，例如Hernigou等[36]就目前全踝關節置換手術中距骨植入物的軸向對齊排列的普遍問題，提出可以使用數字孿生技術、人工智能和機器學習技術來得到患者精準化、個性化的踝關節軸，從而幫助醫生操作全踝關節置換手術，在治療疾病中起到了不可估量的作用。在心血管疾病領域，利用數字孿生技術模擬手術的設備反應或劑量效應來指示手術中的醫療設備使用或藥物治療劑量，從而為患者選擇一套適合的治療方案，在一定程度上可實現精準治療心臟病的愿景。
總之，數字孿生醫院的發展為醫療智慧化帶來了新的機遇和挑戰。未來，數字孿生醫院需要在加強技術創新、完善服務體系等方面，不斷提升醫療服務水平和智慧化水平，積極開展科技與臨床的融合創新，為患者帶來全新的高水平智能體驗，提供更好的健康管理和醫療服務，推動醫療服務模式向個性化、全周期持續化轉型，打造更加智能化的醫療系統和平臺，加快實現個性化數據驅動的智慧健康醫療。
5 結論
隨著時代的發展、科技的進步以及人們生活水平的逐步提高，人們對于醫療服務質量提出了更高的要求，這也推動了醫院逐步向智能化方向轉型，于是以數字孿生技術賦能的智慧醫院應運而生。數字孿生醫院是一項新興的醫院運營模式，它以數字孿生技術為基礎，利用各種智能化技術構建出一個與實體醫院場景完全等同的虛擬醫院，它的可視化操作、高效分配資源、實時監控患者健康狀況以及提供便捷的醫療服務的特點，將惠及醫療工作者、患者以及醫院管理人員三方。相較于傳統醫院，數字孿生醫院可以借助數字孿生技術推動醫院向數字化方向轉型，構建智慧醫院數字孿生體，它以患者的臨床需求為導向，通過智能化技術解決患者看病難、看難病、醫護人員診療效率低、設備監管不到位等問題，以醫療技術創新來造福百姓，從而降低醫院運營成本，提升醫院效益和綜合能力，支持醫院實現可持續的高質量發展和數字化的創新能力。未來，數字孿生醫院也將會不斷完善和延伸，助力未來醫院精細化運營，成為醫療服務的重要組成部分，改變傳統醫療保健方式，繼續提高醫院的醫療保健質量，為醫療行業的發展增姿添彩。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：胡慧娟負責文章撰寫；王明幫負責文章整體構思；雷崎方、楊凱、孫海燕和劉曉岑負責對文章內容提出建設性意見以及文章修改；吳松負責論文審校。
0 引言
數字孿生技術是近年來應用廣泛的一項新技術，它以計算機輔助設計、大數據、人工智能等為基礎，模擬真實場景，建立數字模型，通過計算機對數字模型模擬情況來實時交互反饋。它區別于數字化、智能化以及虛擬現實（virtual reality，VR）等傳統概念，其特點是：真實物理對象與其映射的數字孿生體可以進行雙向映射、動態交互和實時連接。數字孿生技術的應用范圍非常廣泛，目前已用于工業、交通、城市規劃等領域。在工業領域，數字孿生技術可以用于工業制造、設備維修等具體方向，通過建立數字模型、模擬生產流程等操作，可進行預測性維護、優化制造流程、延長產品生命周期以及監控產品質量等，以進一步提高生產效率和產品質量管理水平[1-2]。在交通領域，數字孿生技術經過建立虛擬模型、實時監控、分析和預測交通流量狀態、優化交通系統等操作后，可為交通管理提供決策支撐、提高交通效率、緩解交通擁堵壓力等[3-4]。在城市規劃領域，數字孿生技術可通過建立虛擬城市模型等操作來監測城市狀況、識別潛在風險、預測城市發展，從而提高居民生活質量，促進城市建設更好地可持續發展[5]。醫學的進步與現代科技的發展息息相關，如今數字孿生技術已經應用于醫療領域，而其中一個重點的方向是將數字化技術與醫療機構相結合，以實現更高效、更準確、更個性化的醫療服務，即數字孿生醫院[6-7]。數字孿生醫院是數字醫療的一部分，已經成為當今醫療行業的一個熱門話題。數字孿生醫院是一種新型醫院運營模式，它以數字孿生技術為基礎，根據醫院真實的場景，模擬構建出一個完全虛擬的醫院，通過建立患者或醫療系統的虛擬映射和實時連接，來提供更智能、精確和個性化的醫療服務，同時也利于醫療工作者以及醫院管理者的工作開展[8]。
1 數字孿生醫院的特點
數字孿生醫院是利用數字仿真、物聯網等現代智能技術建立的虛擬醫院，如圖1所示。首先，它可以做到可視化操作：通過模擬手術操作，為年輕醫生積累手術經驗，同時可視化操作能輔助管理人員進行醫院規劃。其次，能實現高效率地分配資源：通過優化資源的分配，為患者提供優質的醫療資源。再次，可監控患者健康狀態：為患者提供可靠的監護保障。最后，提供方便的醫療服務：可方便患者就醫，提升患者就醫體驗感。
圖1
數字孿生醫院的特點
Figure1.
The features of digital twin hospital
1.1 可視化操作
數字孿生醫院的可視化操作，是指通過數字孿生技術按照醫院真實場景搭建虛擬場景，將醫院設備、醫護人員配置、患者信息等具體情況在數字孿生醫院中體現出來，涵蓋醫療服務、醫學教學、臨床研究、醫院運營等多方面，可使醫護工作者、患者以及醫院管理人員通過可視化操作獲得便利。現代醫學技術要求醫生熟練掌握手術操作技能，而數字孿生醫院的可視化操作能將手術場景轉換為虛擬場景，可使醫生通過虛擬場景進行手術操作，從而大大提高手術技能和效率[9]。Bjelland等[10]提出了將數字孿生技術與關節鏡外科手術結合的設想，利用數字孿生技術模擬關節的生物力學行為，給醫生提供一個自由操作關節鏡外科手術并可以觀察手術影響的虛擬環境，為醫生積累手術經驗、提高手術技能提供了良好的平臺。Dang等[11]提出可以將數字孿生技術應用于醫學教育工作，為醫學生提供更貼合現實的虛擬場景，包括手術模擬、醫學影像等，幫助醫學生更好地研習和實踐、鍛煉技能，提升醫學教育的質量。另外，Zackoff等[12]將可視化技術應用于新入職醫護人員的崗前培訓，利用沉浸式虛擬現實體驗醫院各個科室場景，通過完成任務來指導醫護人員照顧虛擬患者，有效地將理論與實際相結合，使新入職的工作人員更好地適應新的工作環境，提升員工入職體驗。人們相信，隨著數字孿生技術的不斷發展和應用，其可視化操作將發揮越來越重要的作用。
1.2 高效匹配資源
數字孿生醫院可以分析醫療資源的配置和利用情況，提升醫療服務質量和效率，避免因配置不當而導致資源浪費、醫療服務效率低下等問題。James[13]報道數字孿生技術可以近乎實時地跟蹤醫療保健設備運營情況，選擇最佳的資源分配方式，提高醫療機構運維效率，更有效地匹配供需，使醫療資源可以高效使用。Liu等[14]提出建立基于數字孿生技術的醫療健康方向的云醫療平臺，各地醫療機構通過將醫療資源上傳至云醫療平臺，利用平臺為患者合理分配醫療服務，同時動態靈活地為醫療機構提供基礎設施建設、區域合作、資源共享、故障預測等服務。El Azzaoui等[15]提出了一種基于區塊鏈的智慧健康城市數字孿生框架，能自動分配患者到符合需求的最佳醫院或擁有足夠醫療資源的醫院，高效協調醫療資源，改善智能醫療保健系統。數字孿生醫院的建設是醫療行業智能化轉型的重要組成部分，在數字孿生醫院中高效匹配資源，可以有效地改善醫療質量和服務水平。因此，數字孿生醫院應關注上述領域，以提升匹配資源應用的能力；只有正確地將人力、設備和藥物等資源應用于每位患者，才能在全面提高醫療質量的同時，實現資源利用最大化。
1.3 實時監控健康狀況
數字孿生醫院通過使用物聯網、大數據等技術實時監控患者的健康狀況，為其提供個性化的醫療服務，避免了因未能及時處理病情變化而可能導致的醫療服務問題。Webster等[16]提出利用可穿戴監測技術來連續監測患者的生命體征，在每位患者入院時分配一個可穿戴設備，這個設備會實時測量患者的心率、呼吸、體溫和血壓等生命體征，更有效地及早識別患者惡化的病情，從而減少入住重癥加強護理病房（intensive care unit，ICU）的可能。可穿戴設備可以方便、快捷地監測患者健康狀況，所以應用可穿戴設備逐漸成為實施持續健康監測的重要組成部分。常用的可穿戴設備有手腕式、頭戴式、貼片式等，可實現連續監測人體生物特征指標，及時發現還處于潛伏期的疾病并實施早期干預[17-19]。由于可穿戴設備具有和患者密切接觸和及時反饋體征的特點，因此可穿戴設備十分適合糖尿病患者的管理與治療。傳統血糖儀獲取指尖血樣時的不便和痛苦會導致糖尿病患者自我監測依從性差，而可穿戴血糖監測設備可以改善這一點，同時準確性和安全也可保障[20]。Wang等[21]提出使用一種可穿戴汗液傳感技術，通過個性化和非侵入性的代謝和營養監測，有利于早期識別異常狀況，實現精準營養治療。Falkowski等[22]提出通過專用設備連接患者和康復技師，以保證康復技師可遠程、實時地監控和指導患者進行康復訓練，為患者提供精確的、個性化康復治療方案，在降低患者康復治療費用的同時，為康復技術人員提供精準評估和監控患者的工具。總之，實時監控健康狀況是醫療保健行業的重大創新，它可為醫療行業提供更先進、智能的醫療保健方法，更有效地進行醫療服務和治療，提高醫療服務的效率和質量，從而促進醫療行業的創新和發展[23]。
1.4 提供便捷的醫療服務
數字孿生醫院可以提供診斷、治療、預防、健康管理、教育等全方位的醫療服務，實現遠程監控患者的治療進展并評估他們的健康狀況，讓患者享受到高質量的遠程醫療監護和醫療交互服務，在一定程度上可將現有的醫療資源最大化利用[24]。傳統的醫療流程由于醫療資源分布不均導致患者到醫院排隊掛號、等待診斷、拿藥付款等環節所需的時間較長、就診時間短以及就醫流程繁雜且低效。而數字孿生醫院將這些流程都整合在一個平臺上，患者可以隨時隨地通過電子設備連接數字孿生醫院，進行掛號、預約、咨詢、診斷、治療、付款等服務，大大節省了人力和物力[25]。數字孿生醫院作為數字化醫療服務的一種重要形式，提供了便利、高效的醫療服務，并且在發揮已有優勢的同時，還不斷完善和創新，因此，數字孿生醫院擁有十分廣闊的應用前景，并將會為人們的健康事業做出更大的貢獻。
2 數字孿生醫院應用案例
當前，國內外在數字孿生醫院領域的探索較為活躍，各家醫院、科技公司都在努力探索與實踐。國內，深圳大學附屬華南醫院是按照三級甲等醫院規模打造、重點投入建設的市屬公立醫院，是深圳市目前最大的集醫教研于一體的單體醫院建筑，為對醫院空間進行優化，構建了數字孿生醫院，如圖2所示，它可以統計醫院業務、樓宇能耗、車輛出入以及電梯運行狀態，獲得門診空間結構、診區分布情況，同步樓層信息、科室分布信息以及消防通道路線等。Peng等[26]報道了同濟大學附屬東方醫院為解決運營維護效率低下的問題，建立數字孿生醫院建筑孿生體，實時監測醫院空間、能源、設施、安保等情況，從而對醫院整個生命周期進行管理，雖然需要實時收集且記錄的數據量很大，但格式相對簡單，因此，在網絡穩定時可以持續順利地運行，不過需要每三個月備份一次數據庫，此外還存在數據保密的安全問題，這在一定程度上限制了數字孿生技術在醫院的發展。Li等[27]報道了廣東省第二人民醫院與華為合作建設全場景智能化醫院。該院住院患者可以從床邊觸摸屏或在醫院開發的智能手機應用程序“叮唄醫生”上訪問檢查、治療的項目以及費用等相關數據，從而方便了患者的就醫流程，提高了醫療服務質量，使患者、醫務人員和管理人員受益。國外，Aluvalu等[28]通過數字孿生技術來為患者提供新型的急診醫院服務，使用人臉識別或是生物識別來捕獲患者身份，驗證身份之后，可以訪問患者甚至是未曾在提供此次急診服務的醫院就診過的患者的年齡、血型、病史等基本電子健康信息，有助于醫生治療處于危急狀態的患者，但這需要患者定期更新、維護個人的醫療健康信息。數字孿生醫院在運營維護方面應用較多，也是目前最有可能實現的，通過應用數字仿真、物聯網等技術，實現全院建筑物、機房以及設備等的三維仿真模型，通過實時采集設備的關鍵指標數據，以全局視角把控醫院設備分布、運行、能耗等信息，利于直觀了解全院設備的運行情況。
圖2
深圳大學附屬華南醫院數字孿生后勤調度中心
Figure2.
Digital twin logistics movement control center of South China Hospital of Shenzhen University
3 數字孿生醫院的局限性
應用數字孿生醫院雖已取得初步成效，但也面臨著一定的挑戰。首先，數字孿生醫院的開發和維護需要投入一定的成本，一般而言，最先進的掃描設備通常也比較昂貴。不過應用數字孿生技術也在一定程度上降低了醫院成本，比如，其應用可以及時維護設備，減少管理成本；也可縮短特定藥物上市時間并減少成本來降低藥品生產價格；還可縮短患者治療周期、降低醫生誤診率；以及可進行遠程診斷減少患者就診成本。因此，最終可能要視具體情況來判斷數字孿生技術的應用是否導致醫院成本增加[29]。再次，數字孿生技術應用在醫學領域還需關注的是醫學倫理、患者隱私保護以及安全風險降低等問題引起的重大挑戰。最后，利用數字孿生技術構建的模型依賴于持續獲取大量高質量、多尺度、多模態的數據以及高性能的計算技術，因此數據收集和技術壁壘問題也在一定程度上影響著數字孿生技術的發展[30]。總體而言，盡管存在挑戰，但相信在解決這些障礙之后，數字孿生醫院將會在更有價值的道路前進。
4 數字孿生醫院的未來展望
數字孿生技術已在醫療領域展開應用，數字孿生醫院也已經進入了實際應用階段。如圖3所示，未來，隨著數字孿生技術的不斷發展和進步，可以預期將有更多的應用逐步展開，例如：首先，可實現個性化醫療：為患者提供個性化醫療服務，幫助醫生制定精確的治療計劃；其次，可實現聯合診療：讓患者享受到專家醫生的聯合診療服務，幫助醫生避免因信息未及時更新而導致的診療誤差；再次，可實現醫療智慧化：為患者提供更精準的醫療服務，實現智慧醫院管理；最后，數字孿生醫院也將會不斷完善和延伸，逐漸成為醫療服務行業的重要組成部分。
圖3
數字孿生醫院的未來展望
Figure3.
The future of digital twin hospital
4.1 個性化醫療
數字孿生醫院可以實時監測患者的健康數據，為其提供更個性化、精細化、可持續化的醫療服務[31]。數字孿生醫院可以幫助醫療行業實現從“治療疾病”轉向“預防疾病”，讓每個人都能獲得高效且貼心的醫療服務。未來，數字孿生醫院也將在個性化醫療領域不斷發展。
（1）首先，基于數字孿生技術制定個性化診療方案將成為常態。數字孿生醫院的核心是人體數字模型，通過分析這些模型判斷患者病情，幫助醫生制定精準的治療方案。數字孿生技術還可以實時監測患者體征，根據患者情況適時調整治療方案，從而確保治療的不斷優化。Liu等[14]將在線心電圖設備接入到云數字孿生服務平臺，為有心律失常癥狀的患者及其醫護人員提供用藥提醒服務，并且藥物劑量是基于他們個人的身體健康狀況和遺傳因素制定的，運用此平臺在一定程度上實現了個體化用藥。Cho等[32]介紹了利用口腔掃描等數字孿生技術，將患者的口內全部牙齒以及一些黏膜組織等口腔內部情況個性化、精準性地轉化為虛擬模型，再通過三維打印（three dimension printing，3DP）技術打印出患者的口內模型，便于后續個性化義齒的制作，同時也可以個性化地判定牙齒與面部的位置關系。
（2）其次，數字孿生醫院將帶動醫療服務向以預防為主的方向發展，可以在早期對患者進行診斷和預防疾病的發生，比如預測問題是否會發生、何時發生，制定個性化的預防方案，為及早治療疾病提供必要的時間，讓患者在避免疾病發生的同時，享受更優質的醫療服務，這些步驟是加速向預防性、個性化醫療邁進的關鍵[33]。
（3）最后，數字孿生醫院將推動醫療產業的數字化升級。未來，可以在每個人出生時創建個性化的數字孿生技術基因圖譜，患病時應用數字孿生技術來計算用藥，以確保選擇最有效的藥物以及精確的藥物量，或是提前計算患病的可能性，在重大疾病發病之前有效預防。
隨著醫療產業不斷數字化，應用數字孿生技術嘗試新儀器、新技術或治療方法，可以將人們患病的風險降至最低，醫生制定的診療方案更加精準，醫療應用和技術也將得到更好的發展[34]。總之，數字孿生醫院將會在個性化醫療領域持續不斷地發展演化，使得醫療服務的質量、效率和個性化程度不斷提升，從而帶給人們更加優質的健康服務。
4.2 聯合診療
數字孿生醫院可以以大、中型醫院為核心，再連接基層醫院、社區健康服務中心、診所等，將多家醫療機構的診療服務數據集成在一起，整合不同臨床醫生的意見，通過共享醫療資源、聯合診斷和治療等方式，提高醫療服務的覆蓋范圍、醫學教育的水平和深度以及緩解患者看病難的現狀，打造醫院智慧運營的新模式。
數字孿生醫院可以實現醫療數據的共享，使患者享受專家聯合診療，有效緩解患者看病難、看難病的問題，從而改進醫療流程、提升患者體驗以及節省運營成本，為醫療行業帶來巨大的變革。
數字孿生醫院可以幫助醫生共享患者病歷、影像資料、檢驗結果等，避免因信息不對稱而造成診療誤差。以深圳大學附屬華南醫院為例，該院為將診療規范最大化，打通患者數據，搭建了數字孿生人體模型，此模型可以整合患者全身各部位的檢查檢驗數據，為患者建立了個性化、動態的人體檔案。
數字孿生醫院還可以與社區衛生服務中心等機構協作，結合患者的健康數字孿生數據，實時預測和優化患者流向各個醫院的情況，進一步實現對患者的健康管理以及醫院之間的資源管理、運營數據共享[35]。
總之，數字孿生醫院將聯合診療應用于多學科，為患者“量身定制”治療方案，在聯合診療領域發揮著越來越重要的作用。
4.3 醫療智慧化
通過人工智能、大數據、數字建模等技術，數字孿生醫院可以搭建智能化數字醫院場景，為患者提供更加精準的醫療服務，提高醫療運營管理效率、決策的準確性和科學性，打造醫院智慧運營新模式。數字孿生醫院的智慧化能實現多項智慧管理，除了可以使患者享受全過程智能化的優質醫療資源外，還可清晰地展示醫院各樓層具體的能耗數據，使醫院管理人員按照醫院能耗管理制度來自動或人工調節公共設施的用水、用電等情況，從而達到節能減排的目的，提升了醫院運營管理效率。此外，還有研究提及數字孿生技術的醫療實踐應用，例如Hernigou等[36]就目前全踝關節置換手術中距骨植入物的軸向對齊排列的普遍問題，提出可以使用數字孿生技術、人工智能和機器學習技術來得到患者精準化、個性化的踝關節軸，從而幫助醫生操作全踝關節置換手術，在治療疾病中起到了不可估量的作用。在心血管疾病領域，利用數字孿生技術模擬手術的設備反應或劑量效應來指示手術中的醫療設備使用或藥物治療劑量，從而為患者選擇一套適合的治療方案，在一定程度上可實現精準治療心臟病的愿景。
總之，數字孿生醫院的發展為醫療智慧化帶來了新的機遇和挑戰。未來，數字孿生醫院需要在加強技術創新、完善服務體系等方面，不斷提升醫療服務水平和智慧化水平，積極開展科技與臨床的融合創新，為患者帶來全新的高水平智能體驗，提供更好的健康管理和醫療服務，推動醫療服務模式向個性化、全周期持續化轉型，打造更加智能化的醫療系統和平臺，加快實現個性化數據驅動的智慧健康醫療。
5 結論
隨著時代的發展、科技的進步以及人們生活水平的逐步提高，人們對于醫療服務質量提出了更高的要求，這也推動了醫院逐步向智能化方向轉型，于是以數字孿生技術賦能的智慧醫院應運而生。數字孿生醫院是一項新興的醫院運營模式，它以數字孿生技術為基礎，利用各種智能化技術構建出一個與實體醫院場景完全等同的虛擬醫院，它的可視化操作、高效分配資源、實時監控患者健康狀況以及提供便捷的醫療服務的特點，將惠及醫療工作者、患者以及醫院管理人員三方。相較于傳統醫院，數字孿生醫院可以借助數字孿生技術推動醫院向數字化方向轉型，構建智慧醫院數字孿生體，它以患者的臨床需求為導向，通過智能化技術解決患者看病難、看難病、醫護人員診療效率低、設備監管不到位等問題，以醫療技術創新來造福百姓，從而降低醫院運營成本，提升醫院效益和綜合能力，支持醫院實現可持續的高質量發展和數字化的創新能力。未來，數字孿生醫院也將會不斷完善和延伸，助力未來醫院精細化運營，成為醫療服務的重要組成部分，改變傳統醫療保健方式，繼續提高醫院的醫療保健質量，為醫療行業的發展增姿添彩。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：胡慧娟負責文章撰寫；王明幫負責文章整體構思；雷崎方、楊凱、孫海燕和劉曉岑負責對文章內容提出建設性意見以及文章修改；吳松負責論文審校。
