元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用研究*

蘇文星

(先進(jìn)操作系統(tǒng)創(chuàng)新中心(天津)有限公司 天津 300450)

鄭琰莉

(天津泰達(dá)普華醫(yī)院 天津 300203)

宋元濤

(中國科學(xué)院大學(xué)應(yīng)急管理科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100049)

1 引言

科技發(fā)展推動信息技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)數(shù)字技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，催生諸多新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式。元宇宙是融合多種高新技術(shù)的新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài)，具有多技術(shù)性、社會性、超時(shí)空性等特點(diǎn)。元宇宙的本質(zhì)是將現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行數(shù)字化、虛擬化，通過數(shù)字化仿真建模分析技術(shù)、高速通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)等將現(xiàn)實(shí)活動與數(shù)字化虛擬場景進(jìn)行高度融合。國家“十四五”規(guī)劃中提出要進(jìn)一步加強(qiáng)元宇宙底層核心技術(shù)基礎(chǔ)能力[1]，截至2022年6月，已有7省、17市地方政府相繼發(fā)布元宇宙建設(shè)規(guī)劃。

元宇宙的興起順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢，元宇宙與各學(xué)科領(lǐng)域深度融合將是科技發(fā)展的必然趨勢。國家“十四五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展需進(jìn)一步加強(qiáng)，元宇宙醫(yī)療是借助元宇宙技術(shù)在傳統(tǒng)醫(yī)療基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能夠在健康服務(wù)、科研教學(xué)、輔助決策、協(xié)同發(fā)展等方面為其提供支撐，助推傳統(tǒng)醫(yī)療逐步向智慧醫(yī)療演進(jìn)，具有重要研究意義。本文梳理當(dāng)前元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)，討論其面臨的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)建議，旨在為元宇宙醫(yī)療的后續(xù)研究提供新思路。

2 元宇宙概述

2.1 定義及應(yīng)用架構(gòu)

2.1.1 定義 目前元宇宙并無統(tǒng)一定義，Ning H等[2]認(rèn)為元宇宙是一種集成多種科技手段的沉浸式互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社交模式。Lee L H等[3]將元宇宙定義為利用互聯(lián)網(wǎng)、萬維網(wǎng)和擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(extended reality，XR)等技術(shù)共同打造的一個(gè)和物理世界平行的虛擬空間。元宇宙并非是單純的產(chǎn)品或技術(shù)，而是將上述技術(shù)整合而產(chǎn)生的新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài)[4]。

2.1.2 應(yīng)用架構(gòu) 從技術(shù)角度看，元宇宙整合了擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、人工智能、通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字貨幣等新興技術(shù)，使虛擬與現(xiàn)實(shí)高度互通，具有技術(shù)疊加性、虛實(shí)相容性、實(shí)時(shí)交互性和高度沉浸性等特征[5]，在元宇宙應(yīng)用架構(gòu)中，由上述新興技術(shù)所組成的基礎(chǔ)支撐層為元宇宙的實(shí)現(xiàn)提供支撐。元宇宙利用建模、渲染、交互等工具為不同應(yīng)用領(lǐng)域構(gòu)建海量虛擬場景，感知層通過視覺、聽覺、觸覺等智能設(shè)備搭建起虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界間的橋梁，并經(jīng)由數(shù)據(jù)層的傳輸與分析實(shí)現(xiàn)整個(gè)應(yīng)用體系的智能感知、協(xié)同交互。同時(shí)，相應(yīng)的政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也為元宇宙的健康發(fā)展指明道路，見圖1。

圖1 元宇宙應(yīng)用架構(gòu)

2.2 應(yīng)用研究情況

目前元宇宙已在諸多領(lǐng)域展開應(yīng)用研究，其中在游戲、社交領(lǐng)域的表現(xiàn)形式最為直觀。2021年10月臉書(Facebook)推出可在虛擬空間進(jìn)行沉浸式會議的元宇宙軟件[6]；同年，百度在元宇宙“希壤”中舉辦人工智能(artificial intelligence，AI)開發(fā)者大會[7]，這也是國內(nèi)首次在元宇宙舉辦的大會。在教育領(lǐng)域，2022年教育部教育信息化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會等組織聯(lián)合主辦“數(shù)字化轉(zhuǎn)型與教育元宇宙”高峰論壇，推動了元宇宙在教育領(lǐng)域的發(fā)展[8-9]。在工業(yè)領(lǐng)域，有公司研發(fā)基于全能宇宙的新一代虛擬工廠產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]。在醫(yī)療領(lǐng)域，2022年2月全球首個(gè)元宇宙醫(yī)學(xué)協(xié)會暨聯(lián)盟 (International Association and Alliance of Metaverse in Medicine，IAMM)在上海成立[12]，元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的探索進(jìn)入快車道。

3 元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 總體應(yīng)用情況

元宇宙醫(yī)療是元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的落地與拓展，基于元宇宙構(gòu)建的虛擬空間打破現(xiàn)實(shí)世界對時(shí)空、資源的限制，進(jìn)一步促進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新與發(fā)展。早在2012年Yu X等就提出元宇宙可為醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)有效協(xié)作和知識共享提供支撐，能提供個(gè)人與他人進(jìn)行社會互動的社會情感環(huán)境?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)醫(yī)療正處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，這為元宇宙醫(yī)療的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。同時(shí)，元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展很大程度上依賴于底層技術(shù)支撐與政策支持。近年來腦機(jī)接口、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能等技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域形成廣泛的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)，因此元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

3.2 元宇宙在醫(yī)療健康服務(wù)中的應(yīng)用

3.2.1 虛實(shí)相容 隨著社會發(fā)展水平的提升，人們對醫(yī)療健康服務(wù)的期望不斷提高，而元宇宙醫(yī)療的引入為解決該問題提供了新思路。虛實(shí)相容性是元宇宙的核心特征，黃云輝等[13]設(shè)計(jì)一款自助三維導(dǎo)診系統(tǒng)，就診者可通過虛擬場景快速了解就醫(yī)環(huán)境并準(zhǔn)確獲取導(dǎo)診路線，提升就診效率。邱平[14]提出依托虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)設(shè)備的沉浸感、交互性，可為抑郁癥治療帶來新思路。閆邦奇等[15]應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)眼鏡在衛(wèi)生檢疫查驗(yàn)中進(jìn)行創(chuàng)新性探索。

3.2.2 孿生數(shù)字人 虛擬人是元宇宙的基礎(chǔ)生命形態(tài)，在元宇宙醫(yī)療中可以基于患者健康檔案建立“孿生數(shù)字人”，給予就診者更加科學(xué)便捷的健康服務(wù)。2019年金小桃等[16]提出個(gè)人全息健康信息剖面模型，并討論如何擴(kuò)展該模型來有效提高日常生活與醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。另外，元宇宙感知設(shè)備的發(fā)展可以幫助殘障人士從聽覺、觸覺、嗅覺、神經(jīng)方面提升感知。浙江大學(xué)在2020年完成國內(nèi)首例植入式腦機(jī)接口(brain computer interface，BCI)臨床轉(zhuǎn)化研究[17]，該項(xiàng)技術(shù)幫助患者通過思想來控制機(jī)械肢體進(jìn)行運(yùn)動，可以有效改善部分運(yùn)動功能和生活能力喪失患者控制外部環(huán)境的能力[18]。

3.3 元宇宙在醫(yī)療科研教學(xué)中的應(yīng)用

3.3.1 擴(kuò)展沉浸式臨床教學(xué) 傳統(tǒng)的醫(yī)療科研教學(xué)存在場景不夠逼真、實(shí)驗(yàn)器具與案例不足、研發(fā)試錯成本較高等問題。元宇宙醫(yī)療通過虛擬仿真技術(shù)將復(fù)雜抽象的概念以更加形象真實(shí)的方式呈現(xiàn)，其真實(shí)感、交互感、沉浸感有效解決教學(xué)實(shí)踐中的“三高四難”(即高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、高污染，難看見、難再現(xiàn)、難操作、難進(jìn)入)問題。早在2009 年澳大利亞格里菲斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院就開展擴(kuò)展沉浸式臨床教學(xué)(clinical learning through extended immersion in medical simulation，CLEIMS)項(xiàng)目[19]，通過在學(xué)校建立模擬真實(shí)醫(yī)療環(huán)境的臨床技能中心，使學(xué)生在高度仿真的工作環(huán)境中進(jìn)行沉浸式實(shí)踐，為培養(yǎng)高質(zhì)量醫(yī)學(xué)生發(fā)揮重要作用。2022年楊飛等[20]利用虛擬仿真系統(tǒng)對臨床護(hù)理要求十分嚴(yán)格的胸腔閉式引流構(gòu)建實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，以提升醫(yī)護(hù)人員護(hù)理質(zhì)量。

3.3.2 全流程模擬與展示教學(xué) 傳統(tǒng)醫(yī)藥學(xué)科研與教學(xué)具有成本高、周期長、成功率低等難點(diǎn)問題，而元宇宙醫(yī)療可以通過仿真與分析技術(shù)為科研與教學(xué)過程提供全流程的模擬與展示，如完成候選藥物分子的設(shè)計(jì)與合成，動態(tài)調(diào)整配比參數(shù)驗(yàn)證研發(fā)效果，利用區(qū)塊鏈技術(shù)加強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全與共享[21]，極大降低教學(xué)科研的成本與風(fēng)險(xiǎn)，推動藥學(xué)教育的發(fā)展[22]。

3.4 元宇宙在醫(yī)療輔助決策中的應(yīng)用

3.4.1 輔助醫(yī)療決策 輔助醫(yī)療決策是指通過提供診療數(shù)據(jù)或者方案，輔助醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行臨床決策。傳統(tǒng)方法是醫(yī)生根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)對備選方案進(jìn)行研判，而元宇宙醫(yī)療主要利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)對大量真實(shí)病歷、影像、臨床數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析、建模、仿真、優(yōu)化，進(jìn)而得出較為科學(xué)和全面的輔助決策方案。Revathi J等[23]通過人工智能算法對多導(dǎo)聯(lián)心電圖進(jìn)行分析，用于診斷心電信號異常的醫(yī)療決策，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法對檢測束支傳導(dǎo)阻滯和心肌梗死效果較好。

3.4.2 疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測 元宇宙醫(yī)療利用人工智能算法還可以對患者的疾病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測。何硙[24]基于電子病歷，利用XGBoost算法構(gòu)建電子衰弱指數(shù)能很好地預(yù)測老年住院患者住院期間及出院后1年內(nèi)不良事件的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，對疾病預(yù)防研究有一定借鑒意義。Taye G T等[25]從120秒長的心率變異性(heart rate variability，HRV)和心電圖信號中提取特征以預(yù)測室顫發(fā)生前30秒的情況，這項(xiàng)研究結(jié)果驗(yàn)證了利用QRS波形特征預(yù)測心室顫動發(fā)作的可行性。

3.4.3 人體結(jié)構(gòu)虛擬重構(gòu) 在現(xiàn)階段手術(shù)過程中，最大的難點(diǎn)在于手術(shù)時(shí)要在錯綜復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)中找到病灶點(diǎn)，而利用元宇宙醫(yī)療可以對人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬重構(gòu)，醫(yī)生可以在復(fù)雜手術(shù)前對手術(shù)方案進(jìn)行全方位模擬，從而提高手術(shù)成功率。2021年第29屆亞洲心血管與胸外科學(xué)會年會上，首爾大學(xué)醫(yī)院利用XR平臺進(jìn)行手術(shù)模擬，推動了元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展。

3.5 元宇宙在醫(yī)療協(xié)同發(fā)展中的應(yīng)用

3.5.1 “遠(yuǎn)程醫(yī)療+虛擬醫(yī)院” 目前國際、國內(nèi)各區(qū)域醫(yī)療發(fā)展存在資源不平衡問題。國家“十四五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào)要完善可持續(xù)、多層次醫(yī)療保障體系，推廣遠(yuǎn)程醫(yī)療，加強(qiáng)數(shù)字化建設(shè)，促進(jìn)醫(yī)療協(xié)同發(fā)展。元宇宙醫(yī)療可以將患者各種生理特征遠(yuǎn)程映射到醫(yī)療專家面前的全息數(shù)字人身上，專家根據(jù)患者健康狀態(tài)及時(shí)做出診斷并給出相應(yīng)治療方案?！斑h(yuǎn)程醫(yī)療+虛擬醫(yī)院”組合不僅可以打破時(shí)空和資源限制，還可以實(shí)現(xiàn)與不同地區(qū)醫(yī)生交流協(xié)作，促進(jìn)各地區(qū)醫(yī)療行業(yè)協(xié)同發(fā)展，為患者提供更加優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。

3.5.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程手術(shù) 2019年美國建立虛擬家庭醫(yī)院以便管理醫(yī)院無法容納的患者，通過虛擬仿真技術(shù)對患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，確?；颊呒皶r(shí)被評估和治療[26]。2019年北京積水潭醫(yī)院等多家醫(yī)院利用5G技術(shù)遠(yuǎn)程操控骨科機(jī)器人手術(shù)獲得成功[27]。2021年陳春玲[28]構(gòu)建5G結(jié)合AR的急危重癥協(xié)同救治系統(tǒng)。同年，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院葉哲偉教授團(tuán)隊(duì)[29]通過混合現(xiàn)實(shí)云平臺技術(shù)，成功為遠(yuǎn)在3 600千米和4 500千米外部隊(duì)醫(yī)院的前線戰(zhàn)士和邊疆居民開展3臺遠(yuǎn)程會診手術(shù)。

4 元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

在元宇宙等新興概念與技術(shù)的持續(xù)賦能下，醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⑻峁└痈咝П憬莸姆?wù)以及更加公平開放的醫(yī)療資源，進(jìn)一步促進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展。但由于元宇宙醫(yī)療目前仍處于起步階段，發(fā)展尚不成熟，因此面臨著諸多風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。

4.1 技術(shù)發(fā)展層面

元宇宙是虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的結(jié)合，是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社交系統(tǒng)、孿生系統(tǒng)、去中心化認(rèn)證系統(tǒng)、現(xiàn)實(shí)場景等多重要素的集合體，對算法、算力、渲染、基礎(chǔ)設(shè)施等有極高的要求。同時(shí)元宇宙醫(yī)療必須在安全可靠的基礎(chǔ)上發(fā)展，目前在醫(yī)療臨床應(yīng)用上仍有很多需要攻破的技術(shù)難題[30]。另外，擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)允許人們直接與周圍環(huán)境或設(shè)備沉浸式交互，但擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備存在成本高、不夠便捷等問題，在一定程度上制約其使用。

4.2 安全、倫理與法律層面

元宇宙追求虛實(shí)空間的深度結(jié)合，這意味著元宇宙中的行為難以受到現(xiàn)實(shí)世界法則約束，存在謠言、經(jīng)濟(jì)詐騙、暴力、恐怖主義、極端主義泛濫等不確定性[31]。同時(shí)，元宇宙包含復(fù)雜的社會關(guān)系，與現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)身份緊密相連，因此必須充分考慮數(shù)據(jù)隱私保護(hù)問題[32]。數(shù)字資產(chǎn)和身份認(rèn)證的唯一性以及高度交互性決定元宇宙中應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的法律體系。確定一套保證元宇宙穩(wěn)定運(yùn)行的約束機(jī)制，建立元宇宙中的道德規(guī)范和法律準(zhǔn)則，是實(shí)現(xiàn)元宇宙和現(xiàn)實(shí)世界良性互動、正向反饋的必然要求。另外，元宇宙醫(yī)療為醫(yī)生和患者帶來的相關(guān)影響也是值得思考的問題。

5 元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展建議

5.1 持續(xù)元宇宙醫(yī)療核心技術(shù)攻關(guān)，夯實(shí)元宇宙醫(yī)療發(fā)展基礎(chǔ)

元宇宙醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的發(fā)展很大程度上依賴于其底層的技術(shù)支撐與政策支持，因此相關(guān)組織可在芯片、傳感器、光學(xué)組件、光學(xué)顯示、腦機(jī)接口等領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，加速基礎(chǔ)軟件、虛擬引擎、操作系統(tǒng)研發(fā)，強(qiáng)化5G/6G通信網(wǎng)絡(luò)、人工智能算法、人機(jī)交互、虛擬建模技術(shù)研究，切實(shí)夯實(shí)元宇宙醫(yī)療發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)自主可控。由于元宇宙醫(yī)療相關(guān)技術(shù)研究投入成本巨大，政府可出臺相關(guān)政策支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鼓勵產(chǎn)學(xué)研融合，為醫(yī)療發(fā)展提供強(qiáng)勁動力。

5.2 推動元宇宙醫(yī)療生態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，助力元宇宙醫(yī)療健康發(fā)展

目前元宇宙醫(yī)療的應(yīng)用場景比較有限，主要涉及教學(xué)、輔助決策、遠(yuǎn)程手術(shù)等方面。未來隨著科技、管理的發(fā)展和完善，將會有更多應(yīng)用場景出現(xiàn)。相關(guān)組織可圍繞元宇宙醫(yī)療持續(xù)構(gòu)建豐富的生態(tài)系統(tǒng)。元宇宙醫(yī)療在倫理、法律、經(jīng)濟(jì)、信息安全等層面的建設(shè)還不夠完善，要加快制定統(tǒng)一的技術(shù)、數(shù)據(jù)、通信等標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范行業(yè)健康發(fā)展。政府可加強(qiáng)對元宇宙醫(yī)療的監(jiān)管和引導(dǎo)，推廣元宇宙相關(guān)理念，加快相關(guān)法律法規(guī)的制定。醫(yī)院、高校作為醫(yī)療體系的核心，在人才培養(yǎng)方面要重視學(xué)科交叉，打破固有學(xué)科邊界，為元宇宙醫(yī)療領(lǐng)域儲備更多專業(yè)人才。

6 結(jié)語

本文首先對元宇宙定義及架構(gòu)進(jìn)行初步概括；其次梳理元宇宙在醫(yī)療健康服務(wù)、醫(yī)療科研教學(xué)、醫(yī)療輔助決策、醫(yī)療協(xié)同發(fā)展中的前沿研究成果，分析元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)；最后提出元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的建議。雖然目前仍存在一定的局限性與挑戰(zhàn)，但相信隨著相關(guān)技術(shù)不斷地發(fā)展以及體系的持續(xù)完善，元宇宙在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究一定會有更廣闊的前景。