In den letzten zwei Jahrzehnten haben das Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) und die Verbreitung von intelligenten Sensoren die Art und Weise verändert, wie Daten zwischen verschiedenen Quellen ausgetauscht werden. Dies führt zu einer zunehmenden Produktion von Big Data. Heutzutage ermöglichen wissenschaftliche Fortschritte in der Analyse von Big Data, Cloud Computing und der Integration von künstlicher Intelligenz (KI) die Speicherung und Verarbeitung von IoT-Daten. Dies bildet die Grundlage für die potenziell große Verbreitung einer der interessantesten Entwicklungen auf dem Gebiet der Technologie: der digitalen Zwillinge (DTs). Das Konzept der digitalen Zwillinge basiert im Wesentlichen auf der Erstellung virtueller Alter Egos von Objekten, lebenden Organismen, Räumen oder Prozessen.
Die digitalen Zwillinge haben ihren Ursprung in den simulierten Umgebungen, die in den 1970er Jahren von der NASA geschaffen wurden, um unzugängliche physische Räume zu überwachen (z. B. Raumschiffe bei Missionen). Die bekannteste frühe Anwendung von digitalen Zwillingen fand während der Apollo-13-Mission statt, als einer der Sauerstofftanks zwei Tage nach dem Start explodierte. Die Ingenieure im NASA-Flugkontrollteam in Houston mussten mögliche Lösungen in einer simulierten Umgebung modellieren und testen. Sie leiteten die Astronauten an, einen improvisierten Luftreiniger mit den im Raumschiff verfügbaren Materialien zu bauen, um die Besatzung der Apollo 13 sicher zur Erde zurückzubringen. Dieses Beispiel gilt als Vorläufer der digitalen Zwillinge, da es bereits vor der Popularität des Konzepts eine Verbindung zwischen physischen und virtuellen Räumen ermöglichte. Die frühesten Beispiele stellen jedoch keine vollständigen digitalen Zwillinge dar, da eine nahtlose Verbindung und ein Echtzeit-Datenaustausch nicht ausreichten, um eine kontinuierliche digitale Abbildung zur physischen Welt zu schaffen.
Im Jahr 2002 stellte Michael Grieves das anfängliche konzeptionelle Modell der digitalen Zwillinge während seines Vortrags über das Produktlebenszyklusmanagement für die Fertigung vor. Seitdem hat sich der Einsatz von digitalen Zwillingen in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen erweitert. Laut der NASA ist ein digitaler Zwilling eine integrierte probabilistische Simulation eines Systems, die die besten verfügbaren physikalischen Modelle wie Sensorendaten verwendet, um die Wirklichkeit seines entsprechenden fliegenden Zwillings abzubilden.
Im Jahr 2014 lieferte Grieves eine allgemeine Formalisierung des Konzepts der digitalen Zwillinge und identifizierte drei wesentliche Elemente von digitalen Zwillingen: Ein realer Raum, der ein physisches Objekt repräsentiert (z. B. ein Objekt, ein Prozess, eine Person, ein Phänomen), ein virtueller Raum, der ein virtuelles Objekt enthält und eine digitale Verbindung, die den realen Raum und den virtuellen Raum verbindet (um den Datenfluss vom realen Raum zum virtuellen Raum und den Informationsfluss vom virtuellen Raum zum realen Raum zu ermöglichen).
Die grundlegende Idee besteht darin, diese Systeme rechnerisch zu modellieren, um sie schneller, wirtschaftlicher und mit geringeren potenziell negativen Auswirkungen als im realen Leben zu entwickeln und zu testen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde das Konzept der digitalen Zwillinge in vielen Bereichen der Fertigung und prozessbezogenen Kontexte angewendet, um potenzielle Systemausfälle früher vorherzusagen.
In den letzten Jahren haben digitale Zwillinge sowohl in der Forschung als auch in der Wirtschaft großes Interesse geweckt. Zum Beispiel wird der digitale Zwilling als die zweitdiskutierte Technologieanwendung innerhalb des Trends der digitalen Gesundheit (die mHealth-Anwendung nimmt den ersten Platz ein) im LIFT Radar 2021 genannt, wo jedes Jahr Technologieanwendungen an der Schnittstelle von Digital- und Lebenswissenschaften bewertet werden. Darüber hinaus ist der digitale Zwilling laut der IEEE Computer Society die drittrendigste Technologie für das Jahr 2020, wo Technologieexperten ihre jährlichen Vorhersagen für die am weitesten verbreiteten zukünftigen Technologietrends veröffentlichen.
Schließlich hat Gartner, eine der führenden Forschungsorganisationen der Welt, im August 2020 "Digital Me" (digitale Modelle, die Menschen in der realen und virtuellen Welt repräsentieren) als eine unverzichtbare Technologie genannt, die in den nächsten zehn Jahren erhebliche Auswirkungen auf Gesellschaft, Gesundheit und Wirtschaft haben wird.
Trotz des großen Interesses an digitalen Zwillingen bleibt ihr derzeitiger Einsatz weit hinter dem Potenzial zurück, insbesondere im Bereich Life Science. Bisher sind kommerziell verfügbare Anwendungen nicht in der Lage, ein präzises und kostengünstiges Werkzeug anzubieten, das die vollständige Genetik, Chemie, Anatomie, Lebensweise und Krankheitsgeschichte einer Person im Laufe der Zeit repliziert.
Eine genaue Entwicklung eines digitalen Zwillings erfordert ein umfassendes Verständnis jeder Komponente innerhalb eines Systems, der Beziehungen zwischen diesen Komponenten und die analytische Fähigkeit, die Auswirkungen von Variablen, die in das System eingeführt werden, zu bewerten.
Derzeit werden digitale Zwillinge in den Bereichen Fertigung, Bauwesen, Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, einschließlich Produktentwurf und Service-Management, Vorhersage des Produktlebens und Echtzeitüberwachung von Geräten.
Es gibt auch einen ersten Trend zur Anwendung von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen. Digitale Zwillinge haben ein großes Potenzial, insbesondere in der Präzisionsmedizin, wo sie verwendet werden können, um individuelle Therapien zu simulieren und potenzielle Therapieergebnisse sowie den Krankheitsverlauf für jeden Patienten zu visualisieren. Das Interesse wächst aufgrund von Konzeptnachweisen in anderen Branchen und der zunehmenden Verfügbarkeit von technologischen Geräten zur Erfassung von Patientendaten (z. B. Wearables). Darüber hinaus gibt es bereits erfolgreiche Implementierungen von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen für die vorausschauende Wartung und Leistungsoptimierung von medizinischen Geräten und Krankenhausmanagementsystemen.
Digitale Zwillinge finden bereits Anwendung in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens. Ein Beispiel ist die personalisierte Medizin, bei der mithilfe von digitalen Zwillingen individuelle Therapien entwickelt werden können. Durch die Integration von Patientendaten, genetischen Informationen und medizinischer Geschichte in den digitalen Zwilling ist es möglich, Vorhersagen über den Krankheitsverlauf zu treffen und die Wirksamkeit bestimmter Behandlungen zu simulieren.
Ein weiterer Anwendungsbereich ist die vorausschauende Wartung und Optimierung medizinischer Geräte. Durch die Erstellung digitaler Zwillinge von medizinischen Geräten können potenzielle Ausfälle oder Störungen frühzeitig erkannt werden. Dies ermöglicht eine rechtzeitige Wartung oder Reparatur, um einen reibungslosen Betrieb der Geräte sicherzustellen und Ausfallzeiten zu minimieren.
Auch im Krankenhausmanagement können digitale Zwillinge eingesetzt werden. Durch die Modellierung und Simulation von Krankenhausabläufen können Engpässe identifiziert und optimale Ressourcenplanung sowie Patientenströme gewährleistet werden. Dies trägt zur Effizienzsteigerung und Verbesserung der Patientenversorgung bei.
Trotz des Potenzials und der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen gibt es auch Herausforderungen und Hindernisse. Dazu gehören Datenschutzbedenken, die Integration von heterogenen Datenquellen, die Validierung und Überprüfung der Genauigkeit der digitalen Zwillinge sowie die Notwendigkeit einer engen Zusammenarbeit zwischen Technologieunternehmen, Gesundheitseinrichtungen und Regulierungsbehörden.
Um die Verbreitung von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen voranzutreiben, sind Maßnahmen auf verschiedenen Ebenen erforderlich. Unternehmen sollten in die Entwicklung zuverlässiger und präziser digitaler Zwillinge investieren und gleichzeitig die Datenschutzbestimmungen einhalten. Politische Entscheidungsträger sollten regulatorische Rahmenbedingungen schaffen, die den Einsatz von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen unterstützen und gleichzeitig den Schutz der Privatsphäre und den sicheren Umgang mit sensiblen Patientendaten gewährleisten.
Insgesamt bieten digitale Zwillinge im Gesundheitswesen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der Diagnose, Behandlung und Patientenversorgung. Mit weiteren Fortschritten in der Technologie und einer verstärkten Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Akteuren wird erwartet, dass digitale Zwillinge in Zukunft eine noch wichtigere Rolle im Gesundheitswesen spielen werden.
Die Nutzung von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen hat auch das Potenzial, die Patientenbeteiligung und das Selbstmanagement zu verbessern. Durch die Erstellung eines digitalen Abbilds des individuellen Gesundheitszustands können Patienten Einblicke in ihre Gesundheit erhalten, die ihnen helfen, fundierte Entscheidungen über ihren Lebensstil, ihre Behandlung und ihr Wohlbefinden zu treffen. Der digitale Zwilling kann Informationen über den aktuellen Zustand des Patienten liefern, Gesundheitstrends überwachen und Empfehlungen für gesundheitsfördernde Maßnahmen geben.
Darüber hinaus können digitale Zwillinge dazu beitragen, die Forschung und Entwicklung neuer Medikamente und Therapien zu beschleunigen. Indem sie eine umfassende virtuelle Umgebung für Tests und Simulationen bieten, können digitale Zwillinge dazu beitragen, potenzielle Risiken und Wirkungen neuer Behandlungsansätze vorherzusagen und zu bewerten. Dies kann zu einer effizienteren Entwicklung von Medikamenten und Therapien führen und letztendlich die Patientenergebnisse verbessern.
Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass die Einführung von digitalen Zwillingen im Gesundheitswesen auch mit ethischen Überlegungen einhergeht. Datenschutz, Sicherheit und der verantwortungsvolle Umgang mit sensiblen Patientendaten sind von größter Bedeutung. Es müssen robuste Datenschutzrichtlinien und Sicherheitsmaßnahmen implementiert werden, um die Privatsphäre und Vertraulichkeit der Patienteninformationen zu gewährleisten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass digitale Zwillinge im Gesundheitswesen ein vielversprechender Ansatz sind, um die personalisierte Medizin, die Effizienz im Krankenhausmanagement und die Patientenbeteiligung zu verbessern. Mit der weiteren Entwicklung von Technologien, der Verbesserung der Datenintegration und der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Interessengruppen wird erwartet, dass digitale Zwillinge eine zunehmend wichtige Rolle bei der Transformation des Gesundheitswesens spielen werden.