慢阻肺數字孿生系統的設計與實現

李傳雄 楊雨欣 富嘉慧 鄭曉樺 李慧玄 肖偉文 余遠波

關鍵詞：數字孿生；肺功能；慢阻肺

0 引言

慢性阻塞性肺疾病（簡稱慢阻肺，Chronic Ob?structive Pulmonary Disease，COPD） 是全球常見的慢性病之一。根據世界衛生組織的數據，慢阻肺的致死率位居全球死亡原因的第4位，至2020年COPD將位居世界疾病經濟負擔的第5位。全球COPD倡議組織將肺功能標準化檢查列為診斷COPD的金標準[1]。肺功能指標的降低是COPD的一個重要特征[2]，而指標值的提高則表明健康狀況較好。當前的研究表明，COPD可以在早期階段被診斷，通過智能手機監測肺活量[3]、控制BMI以及保持良好的生活習慣，可以有效提高預防COPD的效率[4]。體力活動是慢性疾病一級預防的主要方法之一，體力活動的變化是慢性疾病流行的一個重要因素。研究顯示，改善體力活動水平可以延緩肺功能的下降[5]。通過追蹤身體數據，患者可以控制BMI并形成良好的生活習慣，同時，病情數據的追蹤有助于患者有效預防和阻止病情的惡化。

1 數字孿生技術簡介

2003年，密歇根大學的Michael Grieves教授首次提出了“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model） 的抽象概念。2011年，Grieves教授正式提出了數字孿生（Digital Twin） 的概念。隨著數字孿生技術的逐步完善和應用，其在多個領域的影響日益顯著。《健康中國2030規劃綱要》指出，數字孿生、人工智能等新技術正在加速與醫療行業的融合，推動了我國數字孿生技術在醫療領域的研究與應用。數字孿生技術通過數字化手段建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型，以仿真和刻畫物理實體在真實環境中的屬性、行為和規則。該技術整合了三維建模、仿真與優化、物聯網與傳感器、人工智能和虛擬現實等一系列先進的信息技術[6]。在數字孿生技術的發展中，構建數字孿生模型成為首要任務。這些模型通?；贕rieves教授最初定義的三維模型，即包括物理實體、虛擬實體及二者間的連接[7]。此外，隨著技術的進步，本研究還采納了陶飛等人提出的數字孿生五維模型MDT概念[8]，即：

式（1） 中，PE 為物理實體；VE 為虛擬實體；Ss 為服務；DD 為孿生數據；CN 為各組成部分間的連接。而數字孿生五維模型MDT概念也有大量的實例應用。其中，張在房[9]等人開發了肺結節診斷的數字孿生系統，展示了數字孿生在醫療領域應用的特點。

本研究主要針對慢性阻塞性肺疾?。–OPD） 患者，旨在構建人體肺部的數字孿生體，以便觀察患者病情的可能變化及在康復周期內運動對病情的影響。數字孿生模型包括物理實體肺部和虛擬肺部模型[10]。物理實體肺部不僅包含肺部本身，還包含基礎數據；通過采集這些基礎數據，可以構建人體肺部的仿真模型。虛擬肺部模型則包括幾何模型及慢阻肺病情仿真模型，通過慢阻肺病情數據指標檢測及特定算法聯動實體基礎數據，實現數字孿生的目標。

2 系統分析與設計

2.1 設計目的

慢阻肺數字孿生系統，作為一款集成人體肺部數字孿生和慢阻肺病情重要指標院外檢測功能的系統，其設計目標主要包括：1） 科學構建人體肺部的數字孿生模型，并有效檢測慢阻肺患者的院外重要指標，以提高數據的檢測準確性，便于用戶在日常生活中實時監控病情；2） 設計一個美觀且邏輯清晰的人機交互界面。

2.2 技術框架

uni-app 是一個使用Vue 語法的跨平臺前端框架。開發者可以編寫一套代碼，隨后編譯至 iOS、An?droid、H5、小程序等多個平臺。Three.js 是一個基于JavaScript 的開源 3D 圖形庫，它利用 WebGL 技術在網頁上渲染 3D 圖形。此庫提供了多種高級功能，如幾何體、紋理、光照和陰影等，使開發者能夠快速創建復雜且逼真的 3D 場景。

2.3 需求分析

通過采集可穿戴設備獲取的血氧飽和度、肺活量等數據，使用人體肺部數字孿生模型系統，為慢性阻塞性肺疾病康復期的用戶提供三維展示、數據與模型聯動等方式觀察自身病情可能存在的變化，并根據異常的病情數據向用戶發出警示。

2.4 功能設計

主要功能設計如圖1所示，包括：1） 基礎數據，錄入用戶的身體數據（年齡、身高、體重等）；2） 病情數據，通過可穿戴設備獲取康復期的運動數據和微信運動步數；3） 肺生理三維結構展示，通過三維孿生體模型展示與聯動；4） 模型的透視與分解，提供用戶與模型的交互功能；5） 數據可視化，對采集的數據進行可視化處理；6） 病情指標檢測，根據檢測到的慢阻肺影響指標SpO2 （血氧飽和度）及異常的病情數據變化來發出警示。

3 系統實現

3.1 肺部數字孿生外觀模型的構建

由于每個人的器官都存在一定的差異，人體器官通常與各種身體數據相關。在這其中，肺部模型的外觀和大小由TLC（肺總量）決定?？偡稳萘靠赏ㄟ^公式TLC（肺總量）=肺活量（VC） +殘氣容積（RV） 來初步確定。此外，持續追蹤肺活量的變化對于實現動態數字孿生至關重要。

TLC （肺總量）也會隨用戶身體數據的變化而調整，因此，結合用戶的具體身體數據來進一步確定肺部三維模型的外觀是必要的。研究表明，人體肺部的功能與肺的彈性性能、年齡、胸壁、體重、身高、性別等因素有關[11]。因此，通過收集用戶此類基礎身體數據，可以進一步確認肺部三維模型外觀。

每個用戶的生活行為差異也會影響TLC與相關數據之間的關系。因此，需要收集用戶的生活行為數據（如抽煙行為等）。不同年齡區間的用戶，體力活動水平對其影響也有所不同。對于60歲以上的用戶，不同的體力活動水平會對其心肺功能產生不同影響，研究顯示體力活動水平較高的老年人通常具有較低的安靜心率和血壓，以及較高的肺活量，這表明在日常生活中增加體力活動有助于維持心肺健康[12]。對于60歲以下的用戶，需要考慮他們的吸煙狀況、BMI健康指數等因素，研究發現隨著日吸煙量的增加，腰圍增大，肺功能指標下降，且吸煙量越大，肺功能指標的下降幅度越顯著[13]。

因此，為了使數字孿生外觀模型更加精確，還需要收集生活行為、胸圍、體力活動水平、BMI健康指數等數據，以構建更為真實的數字孿生外觀模型。虛擬模型外觀構建的算法流程圖如圖2所示。

首先，進行數據初始化，獲取用戶的個人信息，包括各項基礎數據的初始值（如年齡、性別、體重、身高等）。

接著，采集用戶的特有基礎數據，包括肺活量、胸圍、日常體力活動習慣、吸煙狀況及其他生活行為。對數據進行處理后，將人的肺部模型根據年齡分為不同階段，主要分為12～60 歲區間和60～69 歲區間。由于69歲之后可能出現的不確定性疾病及衰老相關的多種不確定因素，因此不將69歲之后的數據納入計算。根據馬冠等人的研究[12]，將不同區間的肺部模型依據個人特有基礎數據進行分類；首先判斷年齡區間，其次判斷性別，再利用BMI健康指數計算公式：BMI健康指數=體重kg/身高m^2，根據中國的BMI標準，劃分用戶的肥胖程度（偏瘦：BMI≤18.4；體質正常：18.5≤BMI≤23.9；體質過重：24.0≤BMI≤27.9；體質肥胖：28.0≤BMI≤32.0；重度肥胖：BMI＞32.0） 。

通過計算BMI健康指數，并結合胸圍數據，判斷胸廓橫徑的變化趨勢。進一步通過判斷是否存在駝背畸形，初步區分用戶的肺部模型。隨后，根據得到的結果進一步確認用戶的特有模型；研究表明，吸煙者的肺功能通常低于非吸煙者。中等及高水平的體力活動能夠緩解肺功能的下降，因此隨著體力活動水平的提高，吸煙與非吸煙者之間的肺功能指標差異會增大[13]。系統因此需要對體力活動習慣、生活習慣及吸煙狀況進行評估。

3.2 慢性阻塞性肺病的院外監測：血氧飽和度和肺活量

慢性阻塞性肺?。–OPD） 是一種具有可檢測指標的慢性肺部疾病。其中，反映肺氣體交換能力的血氣分析是主要的檢測指標，對于伴有呼吸衰竭的COPD 患者尤為重要。正常人的經皮血氧飽和度（SpO2） 應在94%或以上，而COPD患者可能因肺功能不足、氣道阻塞或呼吸困難等原因導致血氧水平降低[14]。通過可穿戴設備監測血氧飽和度，COPD患者可以隨時了解自己的血氧水平，及時發現血氧水平下降的情況。對于COPD患者而言，高強度的運動可能會使血氧飽和度降低。因此，可以通過監測運動全程的心率和患者的自我疲勞感知來評估并規避風險。COPD患者的運動強度應控制在適宜的心率范圍內?？纱┐髟O備通過SpO2監測有助于管理COPD病情，若血氧水平持續低于正常值，患者應尋求醫療建議和治療。

肺活量是衡量COPD患者肺功能的一個重要指標，反映了人體肺部的功能活動，且因個體差異而有所不同。從某種角度來看，肺活量也可以表示個體進行深呼吸的能力，通常與年齡、性別、體型、健康狀況及呼吸肌的強弱有關。成年人的肺活量因性別而異，通常男性的肺活量高于女性，這是由于女性的胸廓和肺部容積通常相對較小。COPD患者由于肺部功能受損，其肺活量通常略低于正常人。

對于COPD患者而言，風險預測和適量的康復訓練能起到正向促進作用[15]。慢阻肺病情檢測算法流程如圖3所示，經過算法處理后，將病變情況體現在虛擬模型上。

首先，需要初始化數據，這一過程基于模型構建時所獲取的用戶基礎數據。接著，采集用戶的肺活量、SpO2數值及康復訓練程度。采集停止后，需要將這些數據與虛擬模型構建算法結合，重點檢測COPD 患者的院外病情實時獲取用戶肺活量數據。由于COPD患者的肺部功能受損，其肺活量通常略低于正常人，因此，需要監測肺活量是否異常。隨后進行SpO2的評估，將SpO2低于正常區間（SpO2＜94%） 的用戶模型區分出來，并根據用戶的康復訓練程度及實時SpO2數據，對病變模型進行實時檢測與更新。

3.3 功能介紹

用戶打開慢阻肺數字孿生系統微信小程序，界面主要包括首頁、數字孿生和我的，具有以下主要功能：1） 用戶首次使用時須進行登錄或注冊。2） 在首頁，用戶可以通過可穿戴設備進行數據采集并查看數據的可視化展示，如圖4所示；點擊“我的”，如圖5所示，用戶可上傳更詳細的孿生數據，如圖6所示。3） 在數字孿生界面，如圖7所示，用戶首次上傳孿生數據并完成可穿戴設備的連接后，點擊進入數字孿生系統，如圖8 所示，用戶可以通過交互操作查看三維數字孿生模型，實現縮放、旋轉、定位等功能，如圖9所示，點擊模型的分區部分可查看該區域的科普知識。

用戶訪問慢阻肺數字孿生系統網頁端時，主要界面包括登錄、可穿戴設備數據及物理實體數據的可視化，以及數字孿生模型的展示。具體功能如下：用戶首次在微信小程序上進行授權登錄后，須同步注冊網頁端，并上傳及同步物理實體數據和可穿戴設備數據。隨后，網頁端將同步這些實體數據，進行數據處理，并展示數據的可視化結果，如圖10所示。

4 結束語

本文深入探討了慢阻肺數字孿生系統的設計與實現，旨在為用戶提供全面個性化的肺部數字孿生模型服務。該系統通過三維展示及數據與模型的緊密結合，使慢性阻塞性肺疾病患者能夠直觀地觀察自身病情的可能變化。同時，系統還能夠分析康復周期內運動量化數據的變化對病情的影響，從而為患者提供更科學的康復建議。

數字孿生系統的核心在于實體數據與虛擬模型數據之間的精確關聯。然而，由于本研究中采用了區間式劃分方法，不可避免地存在特殊案例與虛擬模型無法完全對應的情況。為了進一步完善系統，研究者計劃優化特殊案例與實體數據之間的關聯算法，并將繼續深入研究更科學、更符合實際情況的虛擬模型構建方法。