Die NASA war die erste Organisation, die die Technologie des digitalen Zwillings zur Simulation und Vorhersage physischer Systeme einsetzte. Als ein Sauerstofftank auf dem Raumschiff Apollo 13 explodierte, verwendete die NASA physische Nachbildungen des Raumschiffs, um den Schaden zu simulieren.
Heute sind digitale Zwillinge ausgefeilter. Sie empfangen Daten aus verschiedenen Quellen, um reale Abläufe genau abzubilden, Verhaltensweisen zu analysieren und vorausschauende Erkenntnisse in Branchen wie der Fertigung, dem Bauwesen, der Kommunikation und der Energie zu liefern. Die Technologie des digitalen Zwillings im Gesundheitswesen hat bisher hinterhergehinkt, aber sie gewinnt an Zugkraft. Von der chirurgischen Planung bis hin zur Präzisionsmedizin wird die Technologie in medizinischen Schulen, klinischen Studien und der Ausbildung von Ärzten getestet. Es bedarf jedoch noch weiterer Diskussionen, um zu verstehen, wie sich die Technologie in medizinische Routineszenarien einfügen wird.
Wie funktionieren medizinische digitale Zwillinge?
Die Technologie des digitalen Zwillings im Gesundheitswesen erstellt ein virtuelles Abbild eines Patienten, eines Organs, eines Systems oder eines Prozesses aus mehreren Datenquellen wie Bildern, elektronischen Gesundheitsakten und tragbaren Geräten. Der virtuelle Zwilling nutzt die Daten, um Gesundheitsszenarien zu simulieren, Ergebnisse vorherzusagen und Behandlungen zu personalisieren.
Künstliche Intelligenz (KI) verwendet die Daten, um ein Modell eines Systems, eines Organs oder eines Patienten zu erstellen. Sobald die grundlegende Replik vorhanden ist, kann die KI-Anwendung den Zwilling auf der Grundlage von Patientendaten kontinuierlich aktualisieren. Einige Anwendungen können sogar Lebensstil- oder Umwelteinflüsse einbeziehen, die sich auf die Gesundheit eines Patienten auswirken.
Ärzte können den Zwilling verwenden, um Behandlungsoptionen zu beurteilen, Medikamente oder Dosierungen zu bewerten und komplexe Verfahren zu planen, bevor sie mit dem Patienten interagieren. Diese Simulationen können Ärzten helfen, sich für eine Vorgehensweise und einen Behandlungsplan zu entscheiden, der das medizinische Rätselraten minimiert.
Die meisten digitalen Zwillinge erhalten Daten von ihren physischen Gegenstücken, aber einige Zwillinge können Daten senden und empfangen. Ein bidirektionaler Datenfluss ermöglicht es der KI-basierten Anwendung, Erkenntnisse zu liefern, wie z.B. Vorschläge für einen sichereren chirurgischen Weg oder eine alternative Medikamentendosierung.
Sind die Ärzte mit der digitalen Zwillingstechnologie einverstanden?
Laut einer Sermo-Umfrage hatten 54% der befragten Ärzte keinerlei Erfahrung mit der Technologie des digitalen Zwillings. Etwa 18% kannten den Begriff, wussten aber nicht, wie er funktioniert, und weitere 20% hatten nur darüber gelesen. Für einige, wie z.B. einen Allgemeinmediziner, scheinen digitale Zwillinge „vielversprechend zu sein, vor allem bei komplexen Fällen“, doch der routinemäßige Einsatz scheint noch Jahre entfernt.
Unabhängig von der Vertrautheit könnten Ärzte Anwendungen für digitale Zwillinge bei der Simulation komplexer Fälle, der Vorhersage zukünftiger Ergebnisse und der Personalisierung der Pflege vorhersehen. Ein Notfallmediziner beschrieb die Technologie als digitale Avatare, die „entwickelt wurden, um individuelle Gesundheitsergebnisse zu analysieren, zu simulieren und vorherzusagen und so die Gesundheitsversorgung in Richtung einer proaktiven, personalisierten und prädiktiven Behandlung zu entwickeln.“
Obwohl die Fachleute im Gesundheitswesen die Technologie positiv bewerten, sind viele von ihnen noch unsicher, wie sie in der Praxis eingesetzt werden kann.
Klinische Anwendungen von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen
Auf die Frage, wo digitale Zwillinge am nützlichsten wären, waren sich 37% der Befragten nicht sicher. Die verbleibenden Ärzte hielten die folgenden Anwendungen für mögliche Einsatzgebiete von digitalen Zwillingen, vorausgesetzt, dass die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.
Vorhersage von Behandlungserfolgen bei komplexen Erkrankungen
In einer von der Stanford University School of Medicine geleiteten klinischen Studie mit 50 Männern mit Prostatakrebs im mittleren Risikobereich untersuchten Forscher die KI-basierte Modellierungsplattform von Avenda Health, Unfold AI, die ähnlich wie ein digitaler Zwilling funktioniert, indem sie Biomarker, Biopsieergebnisse, Bildgebung und klinische Daten integriert, um eine patientenspezifische 3D-Krebskarte zu erstellen. Die Studie zeigte, dass die mit diesem KI-Modell definierten Ränder den klinisch bedeutsamen Krebs in 80 % der Fälle vollständig abdeckten, verglichen mit 56 % bei Verwendung herkömmlicher Ränder, was darauf hindeutet, dass die personalisierte Kartierung das Risiko, Tumorgewebe bei der Behandlungsplanung zu übersehen, verringern kann.
Personalisierung der Medikamentendosierung und -auswahl
Die Präzisionsmedizin zielt darauf ab, diagnostische, prognostische und therapeutische Entscheidungen auf den einzelnen Patienten und nicht auf den Bevölkerungsdurchschnitt zuzuschneiden. Die digitale Zwillingstechnologie unterstützt diesen Ansatz, indem sie biologische Marker, genetische Daten, Lebensstilfaktoren und Umwelteinflüsse in ein dynamisches Computermodell des Patienten integriert. Diese Modelle stützen sich auf heterogene Datenquellen, darunter elektronische Gesundheitsakten, klinische Längsschnittdaten und reale Verhaltensdaten, um statistisch zuverlässige Simulationen zu erstellen. In der klinischen Praxis können digitale Zwillinge verwendet werden, um den Krankheitsverlauf vorherzusagen, die Medikamentendosierung und das Ansprechen auf die Behandlung zu simulieren und therapeutische Optionen vor dem Eingriff zu vergleichen. Dies ermöglicht eine fundiertere klinische Entscheidungsfindung und unterstützt optimierte, individualisierte Behandlungspfade, insbesondere für Patienten mit komplexen oder chronischen Erkrankungen.
Chirurgische Planung oder Simulation eines Eingriffs
Um Chirurgen mit grafischen Details für chirurgische Eingriffe zu versorgen, sind umfangreiche Rechenleistung und effiziente Grafikverarbeitung erforderlich. Nvidia, der führende Hersteller von Grafikchips, hat sich an einem digitalen Zwillingsprojekt für die chirurgische Vorbereitung beteiligt. Bei diesem Prozess werden fotorealistische anatomische Modelle aus CT-Daten durch Organsegmentierung, Netzverfeinerung und Texturierung erstellt. Diese digitalen menschlichen Zwillinge könnten Chirurgen helfen, sich besser auf Eingriffe vorzubereiten, die Operationszeiten zu verkürzen (und damit auch die Ermüdung des Chirurgen), sichere Operationswege zu identifizieren und die Patientensicherheit zu verbessern.
Modellierung des Krankheitsverlaufs bei chronischen Erkrankungen
Das Duke Center for Computational and Digital Health Innovation hat digitale Zwillinge entwickelt, die die Auswirkungen medizinischer Eingriffe auf chronische Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen simulieren. Die Anwendung nutzt die virtuellen Patientenrepliken, um die Zeit zu komprimieren und zu zeigen, wie sich Behandlungen auf zukünftige Ergebnisse auswirken können. Ärzte können sehen, wie eine Krankheit ohne Behandlung fortschreitet und die Ergebnisse verschiedener Behandlungsoptionen vergleichen. So können Ärzte die Behandlung von Patienten mit chronischen Krankheiten personalisieren.
Medizinische Ausbildung und Schulung
Da immer mehr Technologie im Gesundheitswesen Einzug hält, werden digitale Zwillinge zu hervorragenden Werkzeugen für Mediziner, um ihre Fähigkeiten zu verfeinern. Mit digitalen Zwillingen können Chirurgen üben, bevor sie neue Technologien einsetzen. Medizinstudenten können anhand von Zwillingen die Auswirkungen von Medikamenten und Dosierung auf die Ergebnisse bei Patienten erfahren und so die Fähigkeiten von Klinikern in der Präzisionsmedizin verbessern. Obwohl digitale Zwillinge das Potenzial haben, die chirurgischen und klinischen Ergebnisse zu verbessern, merkte ein Mitglied von Sermo an, dass Simulationen immer noch nicht dasselbe sind wie die Konfrontation mit einem Patienten und all den Komplikationen, die dieser mit sich bringt – eine Meinung, die andere teilten.
Bedenken von Ärzten gegenüber digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen
Ärzte haben ähnliche Bedenken wie andere, die den Einsatz von digitalen Zwillingen in ihrem Fachgebiet prüfen. Sie machen sich Gedanken über die Genauigkeit der Daten, den Datenschutz, die rechtlichen Auswirkungen und die Modellvalidierung. Im Gegensatz zu anderen Branchen haben die Bedenken im Gesundheitswesen zusätzliches Gewicht, da es hier um lebensverändernde Entscheidungen geht. Wie eine Umfrage von Sermo ergab, waren die wichtigsten Bedenken die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Simulationen (30 %) und die Notwendigkeit einer Validierung in der realen Welt (24 %).
Verlässlichkeit und Genauigkeit der Simulationen
Da genaue Simulationen von genauen Daten abhängen, ist die Auswahl der Datenquellen ein entscheidender Faktor bei der Erstellung digitaler menschlicher Zwillinge. Jede Instanz sollte die Datenquellen angeben, um vollständige Transparenz zu gewährleisten. Die Simulationen müssen frei von KI-Verzerrungen sein, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse repräsentativ für die genetischen, sozialen und umweltbedingten Einflüsse des Patienten sind. Ohne diese Zusicherungen könnten Ärzte den Nutzen der Technologie in Frage stellen.
Datenschutz und Einwilligung der Patienten
Wer ist der Eigentümer des digitalen Zwillings? Wenn die Patienten der Verwendung ihrer Daten zur Erstellung digitaler Zwillinge zustimmen, verlieren sie dann die Kontrolle über ihre Informationen? Könnten ihre Daten ohne ihr Wissen von mehreren Ärzten mehrfach verwendet werden? Ist es möglich, dass digitale menschliche Zwillinge zu den Henrietta Lacks der digitalen Welt werden? Wie ein Allgemeinmediziner bemerkte: „Es gibt noch so viel, was wir über die Grenzen und die ethische Seite dieser Technologie nicht vollständig verstehen.“
Integration in Arbeitsabläufe und EHRs
Digitale Zwillinge extrahieren Daten aus verschiedenen Quellen, aber sie übermitteln nur selten Daten außerhalb ihrer Anwendung. Die Einrichtung von Schnittstellen zu EHR-Systemen für den Zugriff auf umfassende Patienteninformationen wird viel Entwicklungszeit erfordern. Ohne Integration müssen die Ärzte die Behandlungsdaten möglicherweise an mehreren Stellen eingeben, was ihre Arbeitsbelastung noch erhöht.
Rechtliche oder Haftungsfragen
Neben der Frage der Eigentumsverhältnisse muss das Gesundheitswesen auch Haftungsfragen klären. Was passiert, wenn ein digitaler Doppelfehler zu einem schlechten Ergebnis führt? Welche Verantwortung trägt der Patient, wenn er genaue und vollständige Informationen liefert? Könnten Zwillinge verwendet werden, um zu veranschaulichen, warum eine bestimmte Vorgehensweise für die Versicherungsunternehmen angemessen ist? Welchen Zugang, wenn überhaupt, sollten Versicherer zum digitalen Zwilling eines Patienten haben?
Die digitale Zwillingstechnologie erfordert eine große Plattform mit massiver Datenspeicherung und Rechenleistung. Der Schutz dieser Daten vor unberechtigtem Zugriff wird zu einer gemeinsamen Verantwortung, da Ärzte Zwillinge aus persönlichen Patientendaten erstellen und Plattformen auf mehrere Quellen für Vergleichsdaten zugreifen.
Fehlende Validierung in der realen Welt
Woher sollen Ärzte wissen, dass die Technologie funktioniert? Welche Standards und Testprotokolle sollten vorhanden sein, um eine Anwendung des digitalen Zwillings zu validieren? Dies sind Fragen, die noch weitgehend unbeantwortet sind. Wie ein begeisterter Lungenarzt auf Sermo anmerkte, „könnten digitale Zwillinge die Art und Weise, wie wir die Patientenversorgung angehen, wirklich verändern, aber ich bin gespannt, wie genau und zuverlässig diese Modelle in der realen klinischen Welt sein werden“.
Da es derzeit nur wenige klinische Anwendungen gibt, bleibt die Validierung in der Praxis eine offene Frage.
Wie sieht die Zukunft der digitalen Zwillingstechnologie aus?
Fast die Hälfte (45%) der Befragten in einer Sermo-Umfrage wollten die Technologie in der Praxis sehen, bevor sie sich für ihren Einsatz entscheiden. Andere wollten unterstützende Daten sehen, während 23% die Tools unter strenger menschlicher Aufsicht einsetzen würden. Weitere 21% waren skeptisch, was den klinischen Nutzen angeht.
Die Realisierbarkeit der digitalen Zwillingstechnologie variiert je nach Fachgebiet. So stieß IBM Watson bei der Bereitstellung eines digitalen Zwillings zur Revolutionierung der Krebsbehandlung auf zahlreiche Herausforderungen. IBMs Watson for Oncology sollte die Kluft zwischen Spitzenforschung und klinischer Praxis überbrücken, indem es personalisierte Behandlungsoptionen identifiziert. Das Projekt war jedoch nicht in der Lage, die Komplexität der Krebsbehandlung zu berücksichtigen und scheiterte daher.
In einer anderen aktuellen Studie wurden digitale Zwillinge verwendet, um die Ergebnisse von 1.800 Patienten mit Typ-2-Diabetes vorherzusagen. Jeder Patient hatte einen digitalen Zwilling, der seine Nahrungsaufnahme, seinen Blutzuckerspiegel, seinen Stoffwechselstatus und seine Lebensgewohnheiten widerspiegelte. Die Plattform schlug jedem Patienten auf der Grundlage der aktuellen Messwerte eine bestimmte Ernährungsweise vor. Nach einem Jahr hatten sich die Hämoglobin-A1c-Werte der Patienten deutlich verbessert und sie benötigten weniger Antidiabetika. Viele hatten eine bessere Gewichtsreduktion und eine geringere Insulinresistenz.
Diese beiden Studien veranschaulichen den Wert der Technologie für die Verbesserung der Patientenversorgung und zeigen gleichzeitig die Herausforderungen auf, die ihre Wirksamkeit einschränken können. Derzeit wird die Technologie in klinischen Studien und in der medizinischen Forschung eingesetzt, um Zwillinge zu liefern, die den Mangel an Validierung und Datengenauigkeit in der realen Welt beheben. In dem Maße, in dem die Menge der gültigen Testdaten wächst, werden Ärzte der Technologie im klinischen Umfeld eher vertrauen.
Wie könnte die digitale Zwillingstechnologie den Alltag von Ärzten verändern?
Wenn sie sich in der klinischen Praxis bewähren, können digitale menschliche Zwillinge es Ärzten ermöglichen, die Versorgung von reaktiv auf prädiktiv zu verlagern, komplexe Verfahren zu simulieren und chronische Krankheiten zu verwalten. Letztendlich werden sie das Rätselraten reduzieren, die Ergebnisse verbessern und lebenslanges Lernen fördern.
Die Ärzte werden mehr Vertrauen in die Behandlungspläne haben, da sie die möglichen Ergebnisse kennen. Sie können gezielter Medikamente verabreichen, um die mit Versuchen und Irrtümern verbundenen Praxisbesuche zu reduzieren. Sie können innovative Behandlungen ausprobieren, um sich beruflich weiterzuentwickeln. Digitale Zwillinge haben das Potenzial, die Ergebnisse für die Patienten zu verbessern und das Wohlbefinden der Ärzte durch zeitsparende Technologie zu erhalten.
Ein Weg nach vorn
Die Technologie des digitalen Zwillings ist ein vielversprechender Weg zur Veränderung des Gesundheitswesens. Ihre breite klinische Anwendung hängt jedoch davon ab, dass zunächst ethische und Governance-Herausforderungen bewältigt werden. Bevor digitale Zwillinge sicher in die Routineversorgung integriert werden können, müssen eine solide Validierung, die Abschwächung von Verzerrungen und ein starker Schutz der Privatsphäre und der Datensicherheit der Patienten gewährleistet sein. Ein sinnvoller Dialog über Datenqualität, Zustimmung, Transparenz und Verantwortlichkeit ist unerlässlich, um sicherzustellen, dass diese Tools die klinische Entscheidungsfindung unterstützen – und nicht untergraben.
Ärzte spielen in diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Ihr klinisches Fachwissen wird benötigt, um die Entwickler bei der Definition geeigneter Anwendungsfälle, der Identifizierung von Verzerrungen und der Festlegung strenger Validierungsstandards zu unterstützen. Ohne eine frühzeitige und nachhaltige Beteiligung der Ärzte besteht die Gefahr, dass die Anwendungen des digitalen Zwillings ihr Potenzial nicht ausschöpfen oder das Vertrauen zwischen Patienten und Ärzten untergraben. Sermo bietet Ärzten eine vertrauliche Plattform, um Technologien im Gesundheitswesen zu diskutieren. Als Gemeinschaft können Sermo-Mitglieder die wichtigsten Fragen rund um die Technologie erforschen und reale Implementierungen unter Gleichgesinnten weltweit bewerten. Durch diese bedeutungsvollen Diskussionen kann ein Weg in die Zukunft geschmiedet werden. Seien Sie Teil der Zukunft, indem Sie der Sermo-Community beitreten.
