元宇宙的起源与

在心血管健康领域的应用场景

元宇宙起源于一本1992年出版的美国科幻小说《雪崩》，小说描述了一个平行于现实世界的虚拟世界——“元界”，它拥有现实世界的一切形态，简单来说，就是现实世界中的所有人和事都被数字化投射在了这个云端世界里，你可以在这个世界里做任何你在真实世界中可以做的事情。到了21世纪，随着科学技术的井喷式发展，元宇宙已经不再是一种幻想和奢望，我们要思考的不再是能否创造元宇宙，而是如何运用元宇宙为患者造福。正如2018年东方会上AI机器人“小葛”所提到的新的科学纪元未来已来，元宇宙在心血管领域的应用也必将逐步实现。

从元宇宙的特征分析，其增强现实、生活记录、镜像世界和虚拟世界等4种形式以及从外部到内在、从虚拟到增强的2个维度同样适用于心脏元宇宙概念。其相对应的具体应用分别是3D心脏动画及AR眼镜、心血管健康可穿戴设备、实时医学教育空间以及虚拟医院和虚拟诊疗室。

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五大技术系统：助力元宇宙的医学应用

元宇宙的主要特征是万物互联、虚拟与现实结合和去中心化，它通过人工智能、扩展现实技术、5G网络、区块链技术、云计算（数字孪生）等五大技术系统共同支持和完成。

人工智能

当今人工智能已经通过电子健康记录、心电影像等大数据等方式助力医学发展，在生活方式干预、遗传学、多组学、可穿戴设备等诸多方面均有应用。人工智能的主要模型有机器学习和深度学习，而由于认知计算与人工智能存在众多共同点，从广义上也可以看作是人工智能的重要模型之一。认知计算的目的是为决策者提供他们需要的信息，以便做出更好的基于数据的决策。机器学习是人工智能的进展阶段，为了实现人工智能，必须让计算机不断地学习，录入大量的数据，让它从数据中积累经验，逐渐形成认知。而深度学习是机器学习的进一步延伸，随着机器学习不断发展和进步，人类开始研究更加智能和通用的模型，这样的进展也更符合当今医学对人工智能发展的需求。

总体而言，目前在心血管领域人工智能的应用主要涵盖：疾病筛查、风险预测、辅助诊断、辅助治疗和随访监测等方面。

疾病筛查帮助我们从常规检查中早期发现重要疾病，例如通过心电图和深度神经网络AI分析，可以对心脏瓣膜病、LVEF下降、收缩功能障碍、舒张功能障碍、肥厚型心肌病和贫血等隐匿性疾病做出判断。再如ECG-AI可以帮助筛查主动脉瓣狭窄，2021年发表在《Eur heart J》的一项纳入258607例患者的研究充分证实了ECG-AI的价值。

以往我们对疾病的认识往往停留在头痛医头脚痛医脚的局部诊疗模式，这对于心血管疾病乃至整个泛血管疾病的精准风险预测有着较大局限性，实践证明多组学和机器学习是AI在精准风险预测领域的发展趋势。我们必须以整体医学和全局思维方式去综合分析检查者存在的疾病风险。2022年《J Am Coll Cardiol》上发表的一项研究按照年龄将多维参数融合用于一级预防并做出了较为精确的风险分层，这为我们对人工智能在风险预测方面的应用提供了更多参考。

诊疗决策支持是人工智能应用的又一重要领域，它可以通过与充分患者交流、详尽电子健康记录、人工智能分析、输出诊疗决策建议，最终再由医生反馈给患者这一完整链条予以完成。2022年《J Am Coll Cardiol》发表的一项慢性心力衰竭优化药物治疗的提醒系统研究显示通过AI作出诊断决策支持可显著提高GDMT的使用。2020年《Eur heart J》上的一项研究则表明AI临床决策支持系统能够促进房颤抗凝药物的规范使用。

扩展现实技术

扩展现实技术包括虚拟现实、混合现实、增强现实，贯穿于教育、术前、术中、治疗/康复的诊疗全程。例如扩展现实技术中的脑机交互、全息照相、人体传感器等细分技术已经广泛应用于血管腔内治疗；虚拟现实技术也已经逐步应用于远程医疗当中，元宇宙将通过虚拟办公室补充远程医疗访问，患者和医生可以在3D诊所或任何其他地点会面。

5G/物联网

5G/物联网将可穿戴设备、移动健康、社交网络、远程检测、数据分析和远程医疗等模块构建成一个整体，是从人工智能的现实应用迈向到元宇宙虚拟交互的重要发展阶段。

机器人辅助介入操作系统是人工智能走向技术性操作的重要一步，2021年3月13日，西门子医疗Corindus途灵最新一代CorPath®GRX介入手术机器人在海南博鳌超级医院完成其国内首例机器人辅助下冠状动脉介入治疗手术，这无疑增加了我们对机器人辅助治疗应用的决心。

目前心血管领域5G数字健康的应用主要体现在院外慢病管理方面，患者通过多功能可穿戴监测设备将信息反馈至互联网医疗平台，由平台将信息录入电子病历系统最后提供给医生做慢病管理和干预。2018年发表在《Lancet》上的一项慢性心力衰竭的远程心脏康复研究通过可穿戴监测设备的蓝牙连接掌握患者的3导联心电图、外周血氧饱和度、血压、体重等重要指标，软件提醒监测及上传、远程通讯以及电子病历记录信息并由医生作出指导反馈。结果显示：远程管理组可使全因死亡率降低30%，心血管死亡率降低33%。

区块链

区块链是医疗元宇宙领域的重要组成部分，因为它允许通过智能合约控制去中心化，并记录数字世界中的环境甚至物品的“所有权”。高价值的健康数据的管理和安全是区块链在医疗保健领域最突出的应用。目前，在数据所有者看来，数据经常以低效和不透明的方式在许多公司之间传输。由于健康数据保存于中央计算机，患者信息很容易被盗。因此使得需要合理使用数据的人（比如医生）也很难获取数据。通过区块链技术，患者全生命周期的数据均可以安全地整合到患者自己独有的电子病历系统中，这一技术也可以保障患者可选择何时向何人授权访问其医疗记录。

数字孪生

数字孪生是使用真实世界数据创建的任何对象、过程或系统的虚拟模型或模拟，以此了解更多关于其真实世界对应对象的信息，在元宇宙中，患者的数字孪生可能是患者自己。构建个体化的数字孪生就是将真实个体的生物学、机体、器官、组织、多细胞和亚细胞等维度的数据创建为模型，再由模型构造数字孪生，通过数字孪生具体数据预测真实个体发病风险、作出疾病诊断、分析预后情况和进行治疗优化。

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应用实例分析：数字孪生，守护患者泛血管健康

John，62岁，喜欢和朋友聚会，吃烧烤牛排，喝啤酒，有心血管疾病家族史，无明确心血管疾病史，近期诊断为高血压、高胆固醇血症。鉴于此，医生建议John时刻关注健康状况John决定注册一个专门的健康应用程序，来表征他的数字孪生患者。

元宇宙构建患者的数字孪生，基于AI监测泛血管健康

数字孪生患者汇集John的所有数字健康数据（泛组学数据），并与人工智能交互，以监测John的泛血管健康状况，人工智能不断地将John的数据与其他人的健康数据进行比较。通过这种方式，数字孪生患者模型可以模拟、预测John未来健康状况，以及下一步可能的诊断和治疗。数字孪生患者模拟未来的情景，在John的病情恶化之前采取预防措施。人工智能为John和他的医生提供针对性的预防或后续检查建议。医生在远程医疗场景与John会面后批准适当的检查。

患者心悸，数字孪生通过多维参数，认定与饮用咖啡有关

John通过数字孪生患者、数字孪生环境、居家检测、可穿戴设备等，在数字空间建立网络，John的智能手机和可穿戴设备为他的数字孪生患者提供医疗和生活方式数据，以监测John的病情，包括血压、氧饱和度、心率、心电图，以及泛血管多维度信息，甚至连John的智能咖啡机也连接到网络上，收集他的咖啡饮用数据，刚才，John的心率短暂上升。但通过对他的咖啡机和智能手表数据的综合评估，人工智能将这归因于John几分钟前喝的一杯非常浓的浓缩咖啡。

数字孪生建议患者购物途中进行心脏超声检查

朋友今晚要来参加烧烤，John 要去购物中心买些肉，此时他的智能手机上弹出一条消息：“你可以去购物中心时进行心脏超声检查”，他的数字孪生患者建议道：“你应该进行预防性检查，你的心脏病专家已经同意了本项检查”。John认为这是个好主意，他甚至不需要绕路，因为诊断中心正好位于他要去的购物中心，在进行心脏超声检查后，John的数字孪生患者未发现异常。

数周后，患者突发不适，数字孪生判定为心律失常

一个炎热的夏天，John在花园工作，已经开始在耀眼的阳光下出汗了，他的数字孪生患者注意到了这一点，并通过智能手机警告John即将出现电解质失衡：“请立即喝水”。然而，John全神贯注于除草，以至于错过了这一信息。突然，John出现头晕、大汗、胸部不适。数字孪生患者提示：“你的心跳不规律，这次与浓缩咖啡无关”，人工智能立即将John的当前数据与持续监测的数据进行比较，并得出结论：当前出现心律失常。

数字孪生与患者交互，安抚患者

John担心自身健康状况，John的数字孪生患者立即通过他的智能手机联系他，与John一起，数字孪生患者进一步回顾了发生心律失常的可能原因。John的血压怎么样？他的心电图有什么变化吗？异常节律是否属于早搏？是否是房颤？人工智能为John提供了下一步怎么做的建议，John可以向人工智能提出问题，通过这种方式，人工智能获得了事件发生全貌，并根据情况安抚John的不安情绪。

数字孪生将数据发送给医生，制定下一步诊疗策略

John的数字孪生患者向John的“真正”心脏病专家发送警报和当前数据，并提供基于数据的可能诊断概率和下一步检查建议。心脏病专家审查了这些信息，并得出结论，John目前的情况危急生命的可能很低，医生同意人工智能的观点，为John预约了心血管CT检查。

人工智能早期识别心脏事件，警报并提醒开展急救

10年过去了，John未发生心血管事件，他庆祝了自己的75岁生日。几天后，John在花园工作，人工智能通过传感器记录到John心电信号的改变，而此时John尚无症状，人工智能通过John的所有数据资料，预测John很快会发生心脏事件，立即向John发出警告，同时呼叫救护车。人工智能识别最近的可进行心血管介入的医院，并向医院提供所有数据，让医院做好准备，同时通知John 的家属，并告知病情。

元宇宙的未来畅想

医疗元宇宙的未来，将是虚拟医院依赖可穿戴设备远程获取数据以及一滴血多组学测试人工智能辅助，实现精准治疗。虽然医疗元宇宙的长路漫漫，但是未来必来，未来已来！