元宇宙在醫學中的應用場景

王紅波,王紅如,郭躍信

(1.鄭州大學第一附屬醫院 放射治療部,河南 鄭州 450052;2.河南護理職業學院 心理教研室,河南 安陽 455000)

2021年10月28日,美國的互聯網社交平臺“臉書(Facebook)”創始人馬克·扎克伯格宣告將“Facebook”公司的名稱改為“Meta”,由此將元宇宙的研究推向了新高度[1]。meta(意思為元)與verse(源于宇宙,universe)構成了Metaverse,直譯即為元宇宙。Metaverse源于美國作家Neal Stephenson 1992年發行的小說《雪崩》[2],其描寫了一個可以和現實交互的虛擬世界。2021年以來,我國對元宇宙研究的熱度呈現爆發式增長,眾多研究機構競相對元宇宙開展研究。中國、美國、韓國等率先制定了元宇宙相關政策,很大程度上推動了元宇宙產業的發展[2]。2021年元宇宙成為國際熱點詞匯,因此2021年被稱為元宇宙元年[3]。

隨著元宇宙的出現及其在各領域中的廣泛應用,它自然而然地也成為醫學領域里熱烈討論和研究的話題。人們所聽說和了解的元宇宙,大部分集中在社交等領域,其實元宇宙在醫學領域中的應用早已比較普及。元宇宙在醫學領域中的應用主要借助了擴展現實技術的屬性,利用實虛相互作用,管控實際的醫療實踐過程,培訓有關醫學人員,評估相關醫學決策和行為[4]。本文主要概述元宇宙的內涵及其在醫學中的可能應用場景。

1 元宇宙的內涵

1.1 元宇宙的概念

胡樂樂[5]將元宇宙的定義描述為通過互聯網、高科技、移動通信等關聯起來的一個在線的虛擬世界,該虛擬世界脫胎于現實的真實世界、平行于現實的真實世界并且獨立于現實的真實世界。

1.2 元宇宙的特征

學術界概括的元宇宙屬性的6個特征分別為超越自我、實虛融合、用戶管理可視化、線下線上統一化、用戶思維表象化、虛擬分身重視體驗而不重視理性認知[6]。

1.3 元宇宙的理論基礎和基本組件

元宇宙的理論基礎包括3個世界理論(知識世界、精神世界、物理世界)、增強現實理論、開放復雜巨系統理論、虛擬現實理論和沉浸理論等相關理論[2]。元宇宙有5大基本組件,即人工智能、增強現實、虛擬現實、混合現實和擴展現實[7]。

1.4 元宇宙的支撐技術和未來道路

《元宇宙通證》[8]指出了元宇宙6大支撐技術為物聯網、電子游戲、交互、人工智能、區塊鏈和網絡運算技術。該書同時還指出了元宇宙的未來發展道路:實時、隨需應變、隨時在線、 自助服務以及社交化。

2 元宇宙在醫學中的應用

韓國于2021年12月成立了元宇宙醫生聯盟[9]。我國上海復旦大學的白春學教授于2022年2 月19日在上海牽頭創辦了元宇宙醫學協會,并達成和發表了《元宇宙醫學專家共識》,此舉必將進一步促進元宇宙在醫學領域中的廣泛應用[7]。在《元宇宙醫學專家共識》中,研究者們將“元宇宙醫學”定義為:借助增強現實技術執行的物聯網醫學,通過人機融合技術、實虛聯動技術及實虛融合技術,聯合物聯網可靠的傳輸技術、全面的感知技術和智能的處理技術的一種方法策略,隨時隨地指導醫生解決醫學中的實際問題,以便更加精準和高效地提高醫療服務水平[10]。可以預見的是,醫療元宇宙將會是元宇宙中發展最快、受益人群最多、最被人們接受的應用領域之一[11]。

2.1 疾病預防和健康管理

通過構建生命發展各階段的數字化虛擬人體,聯合疾病史、遺傳史、基因組學數據和檢查結果等信息,建立數字孿生虛擬人,提前推測可能發生的疾病,以實現精準的疾病預防管理,達到個體預防的目的[12]。元宇宙可結合體育運動,可以防治抑郁,并可篩查疾病以早期發現疾病[13]。醫療機構及學校借由大數據平臺記錄學生體質數據和健康狀況,不斷建立完善適合不同人群的運動處方庫,建立“醫學體育相融合”的疾病預防與健康管理模式[14]。健康管理方面,通過構建數字化虛擬人體,以及包含遺傳因素、醫療干預記錄、人體各生命階段健康參數變化的數字孿生,進行全生命周期的精準實時健康管理[12]。

元宇宙在綜合醫學中也有頗多應用。綜合醫學結合了多種療法和生活方式的改變,強調除了治療身體之外,還要調整心理狀態。各種研究繼續證實了綜合醫學在提升生活質量和降低發病率方面的價值。元宇宙及其擴展技術可以給綜合醫學提供新的方法,包括引導冥想、營養建議、瑜伽課程和其他身心療法[15]。

在老年醫學方面,元宇宙在防止社會孤立和管理慢性病方面發揮著不可替代的作用。視頻會議技術實現了老年人與全球親人的社交互動。老年人與虛擬空間里家人的化身或數字雙胞胎進行互動,可以防止老年人被社會孤立,促進老年人健康。另外存在多種形式的計算機認知訓練程序被證明有助于改善老年人的言語、非言語和工作記憶,因此可以減緩或防止老年人認知能力的下降[16]。

2.2 疾病的診斷和治療

元宇宙在醫學領域外科手術方面未來一定會有廣闊的應用空間。通過虛擬的模擬手術,制定最優的手術方案,模擬演習手術過程,大大減少了手術帶來的風險,也能夠大幅節省培訓中的器材和標本等成本。同時,還可以在進行手術之前對手術策略進行評價和測試,對正在進行中的手術提供有針對性的指導[17]。

Gao等[18]認為, 數字剪影血管造影技術聯合可視化的增強現實手術,有助于開展血管微創治療。元宇宙的5個基本組件在呼吸介入治療中也已經有了廣泛的應用[7]。通過元宇宙,臨床醫生遠程就能夠指導手術、進行查房和會診等,基層醫院醫生也能夠隨時得到臨床醫生專家的指導和建議。

元宇宙在醫學領域中 一個有趣的應用領域是術前案例討論,即多學科會診,會診所需的專家(例如腫瘤醫生、放射科醫生,病理醫生、外科醫生等)可以克服物理距離,在虛擬房間中使用數字化身,共享患者信息(例如在云平臺上的臨床數據、3D模型),對病例進行討論[19]。

在全息智能控制突發事件方面,元宇宙可以用于一些突發疾病的急救,如猝死、腦卒中、心肌梗死,跌倒、休克、哮喘、窒息、癲癇、急腹癥以及其他老年人突發疾病,包括2個主要的階段:住院前階段和治療階段,整個過程都可以通過數字孿生技術進行完美的模仿,患者各生命階段的健康信息均可以智能地回放出來,有助于醫生識別異常并迅速做出反應[20]。

在心理健康障礙治療方面,過去10 年里,虛擬現實、增強現實和混合現實已被應用于各種心理健康障礙的治療。很多研究報告證實了這些技術在心理健康障礙疾病診斷和治療方面的有效性。在嚴重缺乏心理健康專業人員及缺乏獲得心理保健機會的當前,元宇宙被譽為一種極佳的解決方案。已經證實了元宇宙的模擬對很多心理健康障礙治療的有效性,心理健康障礙包括注意力缺陷多動障礙、進食障礙、焦慮、恐懼和創傷后應激障礙、自閉癥、老年癡呆癥、壓力和疼痛管理、妄想癥、精神病和精神分裂癥等。相當多的心理健康障礙的患者已經從元宇宙中受益。關于精神衛生保健,具有匿名虛擬領域的元宇宙可能是與專業人士分享故事和其他問題的舒適場所[21]。通過創建作業療法、語言療法、運動療法設備的增強現實環境或虛擬現實環境,向患者提供康復治療及指導建議,降低患者依賴物理設備的程度[12]。醫療元宇宙提供智慧醫療終端設備,對慢性病患者進行實時監護, 將患者的生理信息數據實時傳輸到信息管理平臺,進行實時研究和分析,以便對個性化醫療方案進行實時修正[11]。

元宇宙在癌癥治療中主要應用于外科治療和癌癥康復領域[22]。創建具有三維空間和化身的虛擬環境在眼科患者前沿平臺(如遠程醫療平臺)、眼科患者的診斷和治療方面尤其有用[23]。元宇宙在整形外科手術中的實際效果有待觀察和評估,元宇宙支持的整形外科新醫療模式值得期待[24]。借助元宇宙,還可以設計藥物以及對藥物的療效進行評價判定等[7]。

在放射醫學領域,元宇宙也將發揮重要的作用和價值[11]。借助元宇宙,放射治療科和核醫學科的醫生可以突破地域限制,無論身在何處,都可以以虛擬的形象現身于工作崗位;而且,能夠借助元宇宙隨時隨地陪伴在患者的身邊,同時避免長時間身處放射性崗位帶來的健康損害。核醫學科使用放射性核素對患者進行診斷及治療。核醫學人員工作中接觸放射性藥物,放射性藥物可經由消化道途徑、呼吸道途徑或皮膚途徑進入人體內,對人體造成內照射危害[25]。借助元宇宙,核醫學工作人員可以以虛擬的形象進入患者病房,借助人工智能的幫助對患者進行遠程給藥,從而減少了放射性核素及藥物對工作人員造成的損傷[11]。借助元宇宙,工作人員對圖像的查看和操作變得更為便捷。可以查看帶有更多信息的運動圖片,以幫助對疾病進行診斷。在使用3D醫學圖像工作時,它還鼓勵醫生之間的大力合作[26]。元宇宙可以減輕或增強患者的某些就醫體驗。需要接受放射治療的患者通過對醫院進行虛擬元宇宙訪問,他們將在元宇宙中會見治療醫生團隊,并接受放射治療,從而避免接觸了放射治療所需的大型嘈雜的陌生設備以及環境[27]。

同步遠程醫療已被證明對急診部門在分流急診或遠程提供眼科急救咨詢方面是有用的,特別是在新型冠狀病毒肺炎大流行期間或在眼科服務有限的農村地區。大多數非緊急病例可以僅通過遠程會診就可得到很好的處理。兩項關于遠程手術的眼科研究顯示了修復兔眼角膜裂傷[28]及使用遠距離機器人手術對摘除的人眼進行經鞏膜睫狀體光凝術[29]的可行性。另外,其他外科專業,如泌尿外科[30]和骨科[31]在遠距離手術這個領域已取得了早期成功。

2.3 醫學教育及醫生培訓

元宇宙將會在醫學教育改革中發揮重要的作用,有助于改善獲得醫學教育的機會,通過這些新興技術可以幫助未來的有抱負的醫生及早接觸到各種專業,并遇到新的來自世界各地的導師[15]。元宇宙可以與現實世界重塑虛實共融的智慧學習環境[2]。根據臨床教學的特點和當下元宇宙的發展形勢,各醫學院校和醫院的線上教學與培訓逐漸開始嘗試應用虛擬現實技術,為實施醫學教育提供了便利的條件[32]。當前,已經開始運用智能機器人教師來輔助進行教學活動。

元宇宙能夠借助患者的健康檔案、醫學經驗和醫學知識等信息構建數字化虛擬教師。醫學生借助元宇宙提供的重復操作機會及學習場景,在虛擬教師的指導下,對數字器官進行三維觀察和解剖,還可以對疾病的發生和發展過程進行動態演示,幫助醫學生快速掌握疾病病因及發病機制,醫學生可以對虛擬患者進行問診,學習觀察患者的反應,學習設備的操作方法,練習手術操作,制定治療方案,預測治療效果[33]。

在現實世界中,抽象視覺和虛擬物體的重疊可以用來顯現出真實身體的虛擬內部器官和結構。一些研究人員使用擴展現實技術創建了解剖結構的全息博物館,如眼球、腦靜脈系統、腦動脈系統、顱神經和大腦的各個部分,使其成為眼科教學的有用工具[34]。這些技術允許人們在世界各地和偏遠地區相互聯系,從而使人們的教育標準化。這可以減少未來醫學生教育的差異,可以采用虛擬現實技術為醫療護理專業人員提供解剖學指導和手術模擬方面的廣泛培訓,可以模擬和控制在現實生活中難以復制的不同情況[35]。

2.4 醫學研究

元宇宙這樣的在線系統可以提供收集大量個人健康信息的可能性,允許創建大數據和機器學習系統,可以幫助醫療保健系統和促進醫學研究[36]。記錄的數據可以用于創建國家或國際監測和監督系統,研究人員可以用于他們的研究,以獲得數據和比較他們的結果。這些數據可以直接從患者那里或可穿戴的設備收集到,并且可以與醫生、醫療專業人員或研究人員共享[37]。

3 醫學領域元宇宙研究中應注意的問題

元宇宙是一個不斷演變和發展的在線世界,在醫學領域中,健康保健提供者和研究人員在指導其形成和進行公正的研究方面的作用是重要的[38]。出于這個原因,必須從最開始就建立一個堅實的基礎,并盡快和盡可能地采取正確的方式。元宇宙作為新社會形勢下一種新的科學現象,是必須面對同時也是無法忽視的一種客觀存在[39]。最終元宇宙將以什么樣的方式和形態實現,還有待在隨后的實踐中進一步的摸索和研究[40]。人們目前對元宇宙的看法及觀點有3種:第一種是保守派,認為元宇宙是虛幻的,認為元宇宙是“偽命題”“偽概念”,存在風險隱患等;第二種是樂觀派,主張積極擁抱元宇宙,對元宇宙的未來發展表現出極大的期待;第三種是中立派,介于樂觀派和保守派之間,采取觀望的態度,并不排斥對元宇宙進行探索,主張用理性的眼光看待元宇宙的發展[41]。

目前尚不確定但很有可能的是,在元宇宙中社會結構將被重建,特別是人與人之間由于他們的數字訪問、技能和知識的差距而出現的數字鴻溝。因此某些人群,包括低收入或受教育程度較低的人群,由于缺乏訪問、計算機知識或參與研究的安全感,可能會被排除在元宇宙之外。因此,元宇宙的研究中,需要特別強調避免數字鴻溝[42],元宇宙在醫學領域中的研究和應用也是如此。

需要特別引起注意的是,元宇宙在開創人類數字文明的新時期的同時,在數據安全和個人隱私方面也存在不少問題和隱患,可能會出現新的惡性事件以及復雜的犯罪,尤其是與竊取個人數據有關的犯罪[43],所以需要不斷加強醫學領域中數字版權保護、數字資產權屬與交易等方面的治理和整頓工作[2]。與元宇宙相配套的法律法規、隱私保護、醫學倫理、數據安全、數據產權、網絡安全等問題,需要不斷地建立健全和完善,并逐步妥善解決,以便為在醫學領域中實際應用元宇宙提供法律保障和政策保障[12]。針對元宇宙的發展,醫學界與企業界應當始終保持理性的態度,不能對新興產業領域直接采取排斥的態度,從而保證科學技術發展對社會發展的推動作用[44]。

4 小結

元宇宙已經成為醫學領域里熱烈討論和研究的話題。本研究對國內外與元宇宙相關的技術報告與學術文獻進行了梳理,闡述了元宇宙的內涵及其在醫學中的可能應用場景,探討了元宇宙在醫學領域中的擴展和延伸,分析了元宇宙在醫學研究中應注意的問題,為探究元宇宙醫學的可能性、全面理性認識元宇宙提供新的研究視角。