元宇宙在医学中的应用场景

2023-11-05王红波王红如郭跃信

河南医学研究 2023年18期

王红波,王红如,郭跃信

(1.郑州大学第一附属医院放射治疗部,河南郑州 450052;2.河南护理职业学院心理教研室,河南安阳 455000)

2021年10月28日,美国的互联网社交平台“脸书(Facebook)”创始人马克·扎克伯格宣告将“Facebook”公司的名称改为“Meta”,由此将元宇宙的研究推向了新高度[1]。meta(意思为元)与verse(源于宇宙,universe)构成了Metaverse,直译即为元宇宙。Metaverse源于美国作家Neal Stephenson 1992年发行的小说《雪崩》[2],其描写了一个可以和现实交互的虚拟世界。2021年以来,我国对元宇宙研究的热度呈现爆发式增长,众多研究机构竞相对元宇宙开展研究。中国、美国、韩国等率先制定了元宇宙相关政策,很大程度上推动了元宇宙产业的发展[2]。2021年元宇宙成为国际热点词汇,因此2021年被称为元宇宙元年[3]。

随着元宇宙的出现及其在各领域中的广泛应用,它自然而然地也成为医学领域里热烈讨论和研究的话题。人们所听说和了解的元宇宙,大部分集中在社交等领域,其实元宇宙在医学领域中的应用早已比较普及。元宇宙在医学领域中的应用主要借助了扩展现实技术的属性,利用实虚相互作用,管控实际的医疗实践过程,培训有关医学人员,评估相关医学决策和行为[4]。本文主要概述元宇宙的内涵及其在医学中的可能应用场景。

1 元宇宙的内涵

1.1 元宇宙的概念

胡乐乐[5]将元宇宙的定义描述为通过互联网、高科技、移动通信等关联起来的一个在线的虚拟世界,该虚拟世界脱胎于现实的真实世界、平行于现实的真实世界并且独立于现实的真实世界。

1.2 元宇宙的特征

学术界概括的元宇宙属性的6个特征分别为超越自我、实虚融合、用户管理可视化、线下线上统一化、用户思维表象化、虚拟分身重视体验而不重视理性认知[6]。

1.3 元宇宙的理论基础和基本组件

元宇宙的理论基础包括3个世界理论(知识世界、精神世界、物理世界)、增强现实理论、开放复杂巨系统理论、虚拟现实理论和沉浸理论等相关理论[2]。元宇宙有5大基本组件,即人工智能、增强现实、虚拟现实、混合现实和扩展现实[7]。

1.4 元宇宙的支撑技术和未来道路

《元宇宙通证》[8]指出了元宇宙6大支撑技术为物联网、电子游戏、交互、人工智能、区块链和网络运算技术。该书同时还指出了元宇宙的未来发展道路:实时、随需应变、随时在线、自助服务以及社交化。

2 元宇宙在医学中的应用

韩国于2021年12月成立了元宇宙医生联盟[9]。我国上海复旦大学的白春学教授于2022年2 月19日在上海牵头创办了元宇宙医学协会,并达成和发表了《元宇宙医学专家共识》,此举必将进一步促进元宇宙在医学领域中的广泛应用[7]。在《元宇宙医学专家共识》中,研究者们将“元宇宙医学”定义为:借助增强现实技术执行的物联网医学,通过人机融合技术、实虚联动技术及实虚融合技术,联合物联网可靠的传输技术、全面的感知技术和智能的处理技术的一种方法策略,随时随地指导医生解决医学中的实际问题,以便更加精准和高效地提高医疗服务水平[10]。可以预见的是,医疗元宇宙将会是元宇宙中发展最快、受益人群最多、最被人们接受的应用领域之一[11]。

2.1 疾病预防和健康管理

通过构建生命发展各阶段的数字化虚拟人体,联合疾病史、遗传史、基因组学数据和检查结果等信息,建立数字孪生虚拟人,提前推测可能发生的疾病,以实现精准的疾病预防管理,达到个体预防的目的[12]。元宇宙可结合体育运动,可以防治抑郁,并可筛查疾病以早期发现疾病[13]。医疗机构及学校借由大数据平台记录学生体质数据和健康状况,不断建立完善适合不同人群的运动处方库,建立“医学体育相融合”的疾病预防与健康管理模式[14]。健康管理方面,通过构建数字化虚拟人体,以及包含遗传因素、医疗干预记录、人体各生命阶段健康参数变化的数字孪生,进行全生命周期的精准实时健康管理[12]。

元宇宙在综合医学中也有颇多应用。综合医学结合了多种疗法和生活方式的改变,强调除了治疗身体之外,还要调整心理状态。各种研究继续证实了综合医学在提升生活质量和降低发病率方面的价值。元宇宙及其扩展技术可以给综合医学提供新的方法,包括引导冥想、营养建议、瑜伽课程和其他身心疗法[15]。

在老年医学方面,元宇宙在防止社会孤立和管理慢性病方面发挥着不可替代的作用。视频会议技术实现了老年人与全球亲人的社交互动。老年人与虚拟空间里家人的化身或数字双胞胎进行互动,可以防止老年人被社会孤立,促进老年人健康。另外存在多种形式的计算机认知训练程序被证明有助于改善老年人的言语、非言语和工作记忆,因此可以减缓或防止老年人认知能力的下降[16]。

2.2 疾病的诊断和治疗

元宇宙在医学领域外科手术方面未来一定会有广阔的应用空间。通过虚拟的模拟手术,制定最优的手术方案,模拟演习手术过程,大大减少了手术带来的风险,也能够大幅节省培训中的器材和标本等成本。同时,还可以在进行手术之前对手术策略进行评价和测试,对正在进行中的手术提供有针对性的指导[17]。

Gao等[18]认为, 数字剪影血管造影技术联合可视化的增强现实手术,有助于开展血管微创治疗。元宇宙的5个基本组件在呼吸介入治疗中也已经有了广泛的应用[7]。通过元宇宙,临床医生远程就能够指导手术、进行查房和会诊等,基层医院医生也能够随时得到临床医生专家的指导和建议。

元宇宙在医学领域中一个有趣的应用领域是术前案例讨论,即多学科会诊,会诊所需的专家(例如肿瘤医生、放射科医生,病理医生、外科医生等)可以克服物理距离,在虚拟房间中使用数字化身,共享患者信息(例如在云平台上的临床数据、3D模型),对病例进行讨论[19]。

在全息智能控制突发事件方面,元宇宙可以用于一些突发疾病的急救,如猝死、脑卒中、心肌梗死,跌倒、休克、哮喘、窒息、癫痫、急腹症以及其他老年人突发疾病,包括2个主要的阶段:住院前阶段和治疗阶段,整个过程都可以通过数字孪生技术进行完美的模仿,患者各生命阶段的健康信息均可以智能地回放出来,有助于医生识别异常并迅速做出反应[20]。

在心理健康障碍治疗方面,过去10 年里,虚拟现实、增强现实和混合现实已被应用于各种心理健康障碍的治疗。很多研究报告证实了这些技术在心理健康障碍疾病诊断和治疗方面的有效性。在严重缺乏心理健康专业人员及缺乏获得心理保健机会的当前,元宇宙被誉为一种极佳的解决方案。已经证实了元宇宙的模拟对很多心理健康障碍治疗的有效性,心理健康障碍包括注意力缺陷多动障碍、进食障碍、焦虑、恐惧和创伤后应激障碍、自闭症、老年痴呆症、压力和疼痛管理、妄想症、精神病和精神分裂症等。相当多的心理健康障碍的患者已经从元宇宙中受益。关于精神卫生保健,具有匿名虚拟领域的元宇宙可能是与专业人士分享故事和其他问题的舒适场所[21]。通过创建作业疗法、语言疗法、运动疗法设备的增强现实环境或虚拟现实环境,向患者提供康复治疗及指导建议,降低患者依赖物理设备的程度[12]。医疗元宇宙提供智慧医疗终端设备,对慢性病患者进行实时监护, 将患者的生理信息数据实时传输到信息管理平台,进行实时研究和分析,以便对个性化医疗方案进行实时修正[11]。

元宇宙在癌症治疗中主要应用于外科治疗和癌症康复领域[22]。创建具有三维空间和化身的虚拟环境在眼科患者前沿平台(如远程医疗平台)、眼科患者的诊断和治疗方面尤其有用[23]。元宇宙在整形外科手术中的实际效果有待观察和评估,元宇宙支持的整形外科新医疗模式值得期待[24]。借助元宇宙,还可以设计药物以及对药物的疗效进行评价判定等[7]。

在放射医学领域,元宇宙也将发挥重要的作用和价值[11]。借助元宇宙,放射治疗科和核医学科的医生可以突破地域限制,无论身在何处,都可以以虚拟的形象现身于工作岗位;而且,能够借助元宇宙随时随地陪伴在患者的身边,同时避免长时间身处放射性岗位带来的健康损害。核医学科使用放射性核素对患者进行诊断及治疗。核医学人员工作中接触放射性药物,放射性药物可经由消化道途径、呼吸道途径或皮肤途径进入人体内,对人体造成内照射危害[25]。借助元宇宙,核医学工作人员可以以虚拟的形象进入患者病房,借助人工智能的帮助对患者进行远程给药,从而减少了放射性核素及药物对工作人员造成的损伤[11]。借助元宇宙,工作人员对图像的查看和操作变得更为便捷。可以查看带有更多信息的运动图片,以帮助对疾病进行诊断。在使用3D医学图像工作时,它还鼓励医生之间的大力合作[26]。元宇宙可以减轻或增强患者的某些就医体验。需要接受放射治疗的患者通过对医院进行虚拟元宇宙访问,他们将在元宇宙中会见治疗医生团队,并接受放射治疗,从而避免接触了放射治疗所需的大型嘈杂的陌生设备以及环境[27]。

同步远程医疗已被证明对急诊部门在分流急诊或远程提供眼科急救咨询方面是有用的,特别是在新型冠状病毒肺炎大流行期间或在眼科服务有限的农村地区。大多数非紧急病例可以仅通过远程会诊就可得到很好的处理。两项关于远程手术的眼科研究显示了修复兔眼角膜裂伤[28]及使用远距离机器人手术对摘除的人眼进行经巩膜睫状体光凝术[29]的可行性。另外,其他外科专业,如泌尿外科[30]和骨科[31]在远距离手术这个领域已取得了早期成功。

2.3 医学教育及医生培训

元宇宙将会在医学教育改革中发挥重要的作用,有助于改善获得医学教育的机会,通过这些新兴技术可以帮助未来的有抱负的医生及早接触到各种专业,并遇到新的来自世界各地的导师[15]。元宇宙可以与现实世界重塑虚实共融的智慧学习环境[2]。根据临床教学的特点和当下元宇宙的发展形势,各医学院校和医院的线上教学与培训逐渐开始尝试应用虚拟现实技术,为实施医学教育提供了便利的条件[32]。当前,已经开始运用智能机器人教师来辅助进行教学活动。

元宇宙能够借助患者的健康档案、医学经验和医学知识等信息构建数字化虚拟教师。医学生借助元宇宙提供的重复操作机会及学习场景,在虚拟教师的指导下,对数字器官进行三维观察和解剖,还可以对疾病的发生和发展过程进行动态演示,帮助医学生快速掌握疾病病因及发病机制,医学生可以对虚拟患者进行问诊,学习观察患者的反应,学习设备的操作方法,练习手术操作,制定治疗方案,预测治疗效果[33]。

在现实世界中,抽象视觉和虚拟物体的重叠可以用来显现出真实身体的虚拟内部器官和结构。一些研究人员使用扩展现实技术创建了解剖结构的全息博物馆,如眼球、脑静脉系统、脑动脉系统、颅神经和大脑的各个部分,使其成为眼科教学的有用工具[34]。这些技术允许人们在世界各地和偏远地区相互联系,从而使人们的教育标准化。这可以减少未来医学生教育的差异,可以采用虚拟现实技术为医疗护理专业人员提供解剖学指导和手术模拟方面的广泛培训,可以模拟和控制在现实生活中难以复制的不同情况[35]。

2.4 医学研究

元宇宙这样的在线系统可以提供收集大量个人健康信息的可能性,允许创建大数据和机器学习系统,可以帮助医疗保健系统和促进医学研究[36]。记录的数据可以用于创建国家或国际监测和监督系统,研究人员可以用于他们的研究,以获得数据和比较他们的结果。这些数据可以直接从患者那里或可穿戴的设备收集到,并且可以与医生、医疗专业人员或研究人员共享[37]。

3 医学领域元宇宙研究中应注意的问题

元宇宙是一个不断演变和发展的在线世界,在医学领域中,健康保健提供者和研究人员在指导其形成和进行公正的研究方面的作用是重要的[38]。出于这个原因,必须从最开始就建立一个坚实的基础,并尽快和尽可能地采取正确的方式。元宇宙作为新社会形势下一种新的科学现象,是必须面对同时也是无法忽视的一种客观存在[39]。最终元宇宙将以什么样的方式和形态实现,还有待在随后的实践中进一步的摸索和研究[40]。人们目前对元宇宙的看法及观点有3种:第一种是保守派,认为元宇宙是虚幻的,认为元宇宙是“伪命题”“伪概念”,存在风险隐患等;第二种是乐观派,主张积极拥抱元宇宙,对元宇宙的未来发展表现出极大的期待;第三种是中立派,介于乐观派和保守派之间,采取观望的态度,并不排斥对元宇宙进行探索,主张用理性的眼光看待元宇宙的发展[41]。

目前尚不确定但很有可能的是,在元宇宙中社会结构将被重建,特别是人与人之间由于他们的数字访问、技能和知识的差距而出现的数字鸿沟。因此某些人群,包括低收入或受教育程度较低的人群,由于缺乏访问、计算机知识或参与研究的安全感,可能会被排除在元宇宙之外。因此,元宇宙的研究中,需要特别强调避免数字鸿沟[42],元宇宙在医学领域中的研究和应用也是如此。

需要特别引起注意的是,元宇宙在开创人类数字文明的新时期的同时,在数据安全和个人隐私方面也存在不少问题和隐患,可能会出现新的恶性事件以及复杂的犯罪,尤其是与窃取个人数据有关的犯罪[43],所以需要不断加强医学领域中数字版权保护、数字资产权属与交易等方面的治理和整顿工作[2]。与元宇宙相配套的法律法规、隐私保护、医学伦理、数据安全、数据产权、网络安全等问题,需要不断地建立健全和完善,并逐步妥善解决,以便为在医学领域中实际应用元宇宙提供法律保障和政策保障[12]。针对元宇宙的发展,医学界与企业界应当始终保持理性的态度,不能对新兴产业领域直接采取排斥的态度,从而保证科学技术发展对社会发展的推动作用[44]。