本发明涉及医疗信息化领域，具体涉及一种基于数字孪生的智慧医院系统及其构建方法。
背景技术：
“智慧医院”概念被提出以来，各个医院都进行了不同探索，把互联网技术、智能技术，包括现在人工智能的一些技术都用在医疗服务的领域。现在行业内圈定的智慧医院的范围主要包括三大领域：第一是面向医务人员的“智慧医疗”，以电子病历为核心的信息化的建设，电子病历和影像、检验等其他的系统互联互通；第二个领域是面向患者的“智慧服务”，很多医院的一体机、自助机，包括用的手机结算，预约挂号、预约诊疗、信息提醒，包括衍生出来的一些服务，比如停车信息的推送、提示等，让患者感受更加方便和快捷；第三个领域是面向医院的“智慧管理”；医院精细化管理很重要的一条是精细化的成本核算，用于这些医院内部后勤的管理，管理者用手机，或在办公室的电脑上就可以看到全院运转的状态，这一大领域就是用于医院的精细化的信息化管理。
“数字孪生”是对英文“digitaltwin”的一种翻译。顾名思义，数字孪生是指针对物理空间中的实体，通过数字化的手段在虚拟空间中创建一个物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚拟模型和物理实体之间的信息融合、数据交互，实现对物理实体的了解、分析和优化，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体提供更多的优化决策和风险预估。数字孪生概念源自美国空军研究实验室于提出的计划，旨在解决未来复杂服役环境下的飞行器维护问题及寿命预测问题。随着人们意识到数字孪生技术对于实现物理信息系统的便捷，有人提出数字孪生技术不应只是面向飞行器等较为复杂的产品，人们开始思考数字孪生的其他应用方向，因此数字孪生技术被应用到了更为通用的产品上。当下很多医院的智慧化建设方案中，已经考虑了很多关于医院管理和运行的智能化措施，但却缺少一种提供优化决策和风险预估的方法，而数字孪生技术的出现有望实现对智慧医院建设进行很好的补充。但是当前尚未有相关研究的论文或专利公开。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于数字孪生的智慧医院系统及其构建方法，将数字孪生技术用在智慧医院的建设上，使得智慧医院的建设更加智能完善。
技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种数字孪生的智慧医院系统，包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统、医院孪生数据系统：
所述物理医院通过信息化的系统或信息管理平台实现与人的交互以及设备的监测；
所述虚拟医院是将物理医院的各要素数字化后模型的集合，是对物理医院的全真建模，用于对物理医院的运行过程进行实时模拟；
所述医院服务系统是数据驱动的各类服务系统功能的集合，用于在医院孪生数据驱动下对医院智能化管控提供系统支持和服务，包括对虚拟医院模拟的手术或者治疗方案进行分析评估和优化，以及对医院整体的调度和安排进行优化；
所述医院孪生数据系统包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统产生的相关的数据以及三者融合产生的数据，用于为医院服务系统提供数据集成与共享平台。
根据本发明的第二方面，提供一种基于数字孪生的智慧医院的构建方法，包括：
步骤1：利用物联网技术构建信息化的医院，通过传感器和物联网终端实现信息的采集，将传统的医院设备进行智能化升级，实现信息的及时采集与展示；
步骤2：利用虚拟建模和双向映射技术实现由物理实体精准建模到虚拟空间并且能实现虚拟和现实的双向精准映射，将虚拟的模型可以在网页端或者app端动态展现出来。
步骤3：利用大数据分析和机器学习技术对于疾病的分析诊断提供诊断意见，对未来的模拟预测提供参考意见；
步骤4：利用人工智能技术实现机械的智能化，实现把医生或者护士部分功能的转移；
步骤5：利用数据结构化存储技术实现整个系统海量数据的存储和使用。
有益效果：本发明首次提出基于数字孪生的技术来进行智慧医院的建设，和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.虚实融合：物理医院与虚拟医院是双向真实映射的。虚拟医院是对物理医院高度真实的刻画和模拟。通过虚拟现实、增强现实、建模与仿真等技术，真实地还原物理医院。通过不断积累物理医院的实时数据，虚拟医院真实地记录了物理医院的运行过程。反之，物理医院严格按照虚拟医院定义的较优方案以及仿真的优化结果进行执行，使医院运行不断得到优化。物理医院与虚拟医院并行存在，一一对应，共同进化。并且，物理医院与虚拟医院是实时交互的。在运行过程中，物理医院的所有数据会被实时感知并传送给虚拟医院。虚拟医院根据实时数据对物理医院的运行状态进行仿真优化分析，并对物理医院进行实时调控。通过物理医院与虚拟医院的实时交互，二者能够及时地掌握彼此的动态变化并实时地做出响应。在物理医院与虚拟医院的实时交互中，医院的运行不断得到优化。
2.全要素、全流程、全业务集成与融合：医院全要素的集成与融合：通过物联网、互联网等信息手段，物理医院的人、机、环境等各种要素被全面接入信息世界，实现了彼此间的互联互通和数据共享。由于多种要素的集成和融合，实现了对各要素合理的配置和优化组合，保证了医院运行的顺利进行。医院全流程的集成与融合：在医院运行过程中，虚拟医院实时监控所有环节，通过关联、组合等作用，物理医院的实时运行状态数据在一定准则下被加以自动分析、综合，从而及时挖掘出潜在的规律规则，最大化地发挥医院的性能和优势。医院全业务的集成与融合：由于医院服务系统、虚拟医院和物理医院之间通过数据交互形成了一个整体，医院中的各种业务被有效集成，实现数据共享，消除信息孤岛，从而在整体上提高了医院的效率。全要素、全流程、全业务的集成与融合为医院的运行提供了全面的数据支持与高质量的信息服务。
附图说明
图1为本发明的智慧医院系统组成图；
图2为本发明的智慧医院系统功能关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提供一种基于数字孪生的智慧医院系统及其构建方法，如图1所示，智慧医院系统包括以下4个部分：物理医院、虚拟医院、医院服务系统、医院孪生数据。
物理医院在传统医院的基础上，通过一系列的传感器和信息系统来满足智能化的医院建设。信息化建设是物理医院的最重要的一环，物理医院中的所有信息是建设整个数字孪生系统的基础。对于当前很多医院的信息化建设中已经存在的一些系统如电子病历等进行扩充，增加更多必要信息以满足虚拟医院的更多需要。物理医院的建设还包括设备的智能化，例如对于一些简单的功能通过机器人来实现，如现在已有的导诊机器人等；信息采集的及时化，例如对于各种设备和病房采用智能化的设备进行连接，通过信息采集和汇总实现对机器和设备的实时监测；管控的高效化，例如对于整个医院的设备和病床情况进行高效的管理和安排。
目前的不少医院的智慧化建设都已经达到较高的水平，当前的一些智慧医疗产品已经有一定的应用水平了。但是现如今的医院的智能化设备仍然不够多，对于整个物理医院的建设是远远不够的，物理医院的建设需要所有设备的智能化。智能化首先确保智能终端能够收集设备信息并及时发送，其次一些更加智能的机器人可以帮助病人导诊，帮助医生诊断病情，帮助管理人员协调调度整个医院的实物。物理医院最重要的就是更新使用一些智慧医疗设备或者在原设备增加嵌入式终端设备实现简单的智能化，这是后续所有的基础，同时后续的各种功能也是为了更好地服务于物理医院实际的诊断治疗。虚拟医院本质上是将物理医院的各要素数字化后模型的集合，包括对病人、医生、药物、医疗设备等医院要素进行虚拟化的几何模型(针对原实物的空间立体模型)和对物理属性进行刻画的物理模型(包含原实物的各种性质如功能，使用寿命等)；包括依据大量的历史病例数据建立的对于治疗和手术的仿真和依据大量历史数据对于医院设备的使用情况模拟；包括对于医院病房和调度分配的全真模拟。虚拟医院是基于与物理医院实体高度逼近的模型，对物理医院的运行仿真分析，真实模拟医院工作的全过程，从而及时发现可能存在的隐患，实时调整和优化。虚拟医院不断积累物理医院的实时数据与知识，在对物理医院高度保真的前提下，对其运行过程进行连续的调控与优化。虚拟医院模型及相关信息可与物理医院进行叠加与实时交互，实现虚拟医院与物理医院的无缝集成与融合。虚拟医院是通过界面展现的高还原度的模型，可在网页端或者app端查看。
医院服务系统是数据驱动的各类服务系统功能的集合或总称，主要负责在医院孪生数据驱动下对医院智能化管控提供系统支持和服务，如对医生、病人、住院计划、手术安排的管控与优化服务或者对于治疗方案的预测与分析等。例如，在接收到某个病人后，医院服务系统第一服务模块在医院孪生数据的简单分析下，结合病人所患疾病和病人的各项生理指标生成满足治疗需求的治疗方案，病情简单则开药，病情较重则安排住院以及后续手术。在现实中的手术或后续治疗方案开始之前，医院服务系统第一服务模块基于虚拟医院对后续方案的仿真进行评估和分析，对后续方案做出修正和优化，然后再用于实际治疗中去。在治疗过程中，物理医院的治疗状况和虚拟医院对治疗任务的仿真、验证与优化结果被不断反馈到医院服务系统第二服务模块，医院服务系统第二服务模块实时调整治疗计划以适应实际情况的变化。医院服务系统第三服务模块能够实现对病情恢复情况的后序模拟，及时提醒医生告知患者可能出现的问题，以便能够更好的实现病情的恢复。又例如，第四服务模块通过物理医院反映的需求，结合检查设备使用情况或者病房安排情况，及时安排出较优的优先检查或者床位安排。医院服务系统实现了对医院资源的优化配置及管理、治疗方案的评估和优化以及病人病史和身体状况的协同处理，能够以最少的耗费创造最大的效益，从而在整体上提高数字孪生医院的效率。
医院孪生数据主要由物理医院相关的数据、虚拟医院相关的数据、医院服务系统相关的数据以及三者融合产生的数据四部分构成。物理医院相关的数据主要包括病人病例数据、治疗用药数据、手术过程数据、检查设备使用数据、医院整体协调数据等。虚拟医院相关的数据主要包括从物理医院数字化的建立虚拟医院的数据、虚拟医院运行的数据，如模型数据、仿真数据。医院服务系统相关的数据包括了从医院顶层管理到底层对仿真的预测分析和评估的数据，如医院整体调度安排数据，药品和设备使用分析和评估数据，病人病史和身体状况数据，治疗和手术过程的分析、评估和优化数据等。以上三者融合产生的数据是指对物理医院、虚拟医院及医院服务系统的数据进行综合、统计、关联、演化等操作下的衍生数据。医院孪生数据为医院服务系统提供了数据集成与共享平台，消除了信息孤岛。在集成的基础上，医院孪生数据通过大数据分析把已知的数据进行分析，对于相近或者相关的数据进行融合分析，得到更多的挖掘数据。同时在前面三个模块产生的实时数据都对整个医院孪生数据进行实时更新数据，使得数据始终都是及时有效的。医院孪生数据是实现物理医院、虚拟医院、医院服务系统的运行及两两交互的基础，也是重要保障。
四部分的主要功能和关系如图2所示。对于物理医院，通过信息化的系统或平台实现与人的交互以及设备的监测，将病人的电子病历数据、手术或治疗方案数据、设备监测数据以及调度和环境数据等进行系统集成，建立一个统一的信息化管理平台。对于虚拟医院，首要的任务就是对于物理医院的全真建模，将所有的物理医院中的是数据全都复制到虚拟医院，并通过物理医院的信息系统随时更新数据。虚拟医院最重要的是实现对于未来的预测模拟(例如治疗后的情况模拟)，这些模拟后的数据为接下来的医院服务系统中的评估优化做准备。医院服务系统主要功能就是对于模拟的手术或者治疗方案进行分析评估和优化，同时也需要对于医院整体的调度和安排进行优化，使得医院运行效率大大提高。医院孪生数据是串联这三大模块的纽带，所有的信息进行交互汇总，然后分析再使用。三大部分通过医院孪生数据互相影响，互相迭代更新，进而实现不断地进化与完善。
构建基于数字轮生的智慧医院的关键技术主要有以下几个方面：(1)物理医院突出体现物联网技术：利用物联网技术对于整个医院进行联网布控，及时获取的信息的同时有效监测运行情况。(2)虚拟建模和双向映射技术：实现由物理实体精准建模到虚拟空间并且能实现虚拟和现实的双向精准映射。(3)人工智能和机器学习技术：对于整个系统所涉及到的预测，分析和优化等功能都是通过机器学习和人工智能技术实现。(4)医院孪生数据构建及管理技术：对于整个医院孪生数据需要一个综合的系统来处理，具体涉及数据结构化存储技术和大数据处理技术等相关技术来实现。
根据对于关键技术的分析，提出一种基于数字孪生的智慧医院的构建方法，主要有以下几个步骤：
步骤1：利用物联网技术构建信息化的医院。通过传感器和物联网终端实现信息的采集，将传统的医院设备进行智能化升级，实现信息的及时采集与展示。
步骤2：利用虚拟建模和双向映射技术实现由物理实体精准建模到虚拟空间并且能实现虚拟和现实的双向精准映射，将虚拟的模型可以在网页端或者app端动态展现出来。
步骤3：利用大数据分析和机器学习技术对于疾病的分析诊断提供诊断意见，对未来的模拟预测提供参考意见，同时也能使医院的排班调度更加合理。
步骤4：利用人工智能技术实现机械的智能化，实现把医生或者护士部分功能的转移，如增加各种机器人实现对于医院的导诊、问诊，更加智能的机械化的设备也会使得手术过程中医生更加方便快捷。
步骤5：利用数据结构化存储技术实现整个系统海量数据的存储和使用，由于构建整个基于数字孪生的智慧医院需要海量数据支撑，寻常的存储技术会显得不够，更科学的结构化的存储方式会展现其更好的性能使得系统能流畅运行。
技术特征：
1.一种基于数字孪生的智慧医院系统，其特征在于，包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统、医院孪生数据系统，其中，
所述物理医院通过信息化的系统或信息管理平台实现与人的交互以及设备的监测；
所述虚拟医院是将物理医院的各要素数字化后模型的集合，是对物理医院的全真建模，用于对物理医院的运行过程进行实时模拟；
所述医院服务系统是数据驱动的各类服务系统功能的集合，用于在医院孪生数据驱动下对医院智能化管控提供系统支持和服务，包括对虚拟医院模拟的手术或者治疗方案进行分析评估和优化，以及对医院整体的调度和安排进行优化；
所述医院孪生数据系统包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统产生的相关的数据以及三者融合产生的数据，用于为医院服务系统提供数据集成与共享平台。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧医院系统，其特征在于，所述物理医院通过通过传感器和物联网终端实现信息的采集，将传统的医院设备进行智能化升级，实现信息的及时采集与展示。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧医院系统，其特征在于，所述虚拟医院与物理医院建有双向映射关系，所述物理医院中的所有数据全都复制到虚拟医院，虚拟医院中建立对包括病人、医生、药物、医疗设备的医院要素进行虚拟化的几何模型和对物理属性进行刻画的物理模型，并通过物理医院的信息系统随时更新数据，虚拟医院不断积累物理医院的实时数据与知识，在对物理医院高度保真的前提下，对其运行过程进行连续的调控与优化。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧医院系统，其特征在于，所述医院服务系统包括：第一服务模块，用于在治疗方案开始之前，基于虚拟医院对后续方案的仿真进行评估和分析，对后续方案做出修正和优化，然后再用于实际治疗中去；
第二服务模块，用于在治疗过程中，获取物理医院的治疗状况和虚拟医院对治疗任务的实时仿真、验证和优化结果，用于实时调整治疗计划以适应实际情况的变化；
第三服务模块，用于在治疗完成后对病情恢复情况进行后续模拟，及时提醒医生告知患者可能出现的问题；以及
第四服务模块，用于通过物理医院反映的需求，对医生、病人、医疗检查设备、住院计划、手术计划进行管控与安排。
5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的智慧医院系统，其特征在于，所述医院孪生数据系统中，物理医院相关的数据包括病人病例数据、治疗用药数据、手术过程数据、检查设备使用数据、医院整体协调数据；虚拟医院相关的数据包括从物理医院数字化的建立虚拟医院的模型数据、虚拟医院运行的仿真数据；医院服务系统相关的数据包括了从医院顶层管理到底层对仿真的预测分析和评估的数据，包括医院整体调度安排数据，药品和设备使用分析和评估数据，病人病史和身体状况数据，治疗和手术过程的分析、评估和优化数据；以上三者融合产生的数据是指对物理医院、虚拟医院及医院服务系统的数据进行综合、统计、关联、演化操作下的衍生数据。
6.一种基于数字孪生的智慧医院构建方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用物联网技术构建信息化的医院，通过传感器和物联网终端实现信息的采集，将传统的医院设备进行智能化升级，实现信息的及时采集与展示；
步骤2：利用虚拟建模和双向映射技术实现由物理实体精准建模到虚拟空间并且能实现虚拟和现实的双向精准映射，将虚拟的模型可以在网页端或者app端动态展现出来。
步骤3：利用大数据分析和机器学习技术对于疾病的分析诊断提供诊断意见，对未来的模拟预测提供参考意见；
步骤4：利用人工智能技术实现机械的智能化，实现把医生或者护士部分功能的转移；
步骤5：利用数据结构化存储技术实现整个系统海量数据的存储和使用。
技术总结
本发明提出了一种基于数字孪生的智慧医院系统及其构建方法。智慧医院系统包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统、医院孪生数据，物理医院通过一系列的传感器和信息系统来满足智能化的医院建设；虚拟医院本质上是将物理医院的各要素数字化后模型的集合；医院服务系统是数据驱动的各类服务系统功能的集合，用于在医院孪生数据驱动下对医院智能化管控提供系统支持和服务；医院孪生数据包括物理医院、虚拟医院、医院服务系统相关的数据以及三者融合产生的数据。本发明通过物理医院与虚拟医院的双向真实映射和实时交互，能够及时地掌握彼此动态变化并实时做出响应，各部分的集成与融合为医院运行提供了全面的数据支持与高质量的信息服务。
技术研发人员：郭永安;冷建宇;刘云;景慎旗;单涛;卢姗
受保护的技术使用者：边缘智能研究院南京有限公司;南京邮电大学
技术研发日：.10.14
技术公布日：.02.28
