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Sanità 4.0: i digital twin per gestire le aziende sanitarie come realtà cyber-fisiche

Il gemello digitale, in inglese Digital twin, permette di aggregare fisico e virtuale con grandi vantaggi anche per la sanità. Anche i dati che mette a disposizione possono avere un uso trasversale

Pubblicato il 12 Gen 2023

Angelo Croatti

Azienda USL della Romagna

Sara Montagna

Università degli Studi di Urbino Carlo Bo

Alessandro Ricci

Alma Mater Studiorum Università di Bologna

(Foto: ©Giuditta Mosca)

Il concetto di Digital twin (gemello digitale) è stato introdotto in ambito industriale nei primi anni 2000 e recentemente, grazie allo sviluppo di tecnologie e tecniche abilitanti come Internet of Things (IoT) e Intelligenza artificiale (IA), si sta rapidamente diffondendo in vari settori, fra cui la sanità digitale.

In questo ambito, al di là di specifiche applicazioni, i Digital twin possono fungere da paradigma di riferimento con cui inquadrare, in modo organico e uniforme, l’integrazione tra mondo fisico e mondo digitale al centro della visione di Sanità 4.0.

Cos’è il modello “digital twin” e come migliora sviluppo e prodotti

Digital twin, tre passi fondamentali

Il primo è relativo alla motivazione di fondo per mettere in campo i Digital twin, che parte dal mondo fisico. Ogni organizzazione sanitaria possiede degli asset fisici strategici che siano entità fisiche (macchine, edifici, persone, o processi) che si sviluppano nel mondo fisico, o che siano parte di dinamiche che vedono l’interazione di più entità, anche di domini diversi. Le tecnologie cosiddette 4.0, tra cui Internet delle cose e Cloud computing, permettono oggi di poter monitorare, tracciare ed eventualmente controllare questi asset in tempo reale da remoto, sfruttando la rete. Il gemello digitale si configura come una rappresentazione o, meglio, un modello software di un certo asset fisico, ad esso accoppiato e sincronizzato, rendendone accessibile nel digitale stato ed eventi in real time, oppure secondo il modello di tempo ritenuto opportuno.

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Valgono due considerazioni in merito. La prima è che il gemello digitale non è necessariamente una replica in senso letterale, è definito sulla base di un modello che cattura gli aspetti ritenuti salienti e rilevanti per gli scopi per cui è utilizzato. La seconda è che si potrebbero avere più gemelli digitali per lo stesso asset fisico, ognuno dei quali deputato a catturare aspetti a granularità diversa e scopi differenti.

Oltre a fornire la possibilità di osservare stato ed eventi, il gemello digitale può incapsulare un modello dell’asset fisico capace di catturare anche aspetti del suo comportamento. Attraverso questo modello è possibile effettuare simulazioni allo scopo di ottenere previsioni sullo stato futuro dell’asset o “esperimenti sintetici in silico” per rispondere alle cosiddette What if question (cosa accadrebbe se…?).

L’avanzamento e l’applicazione massiccia di tecniche di AI ha portato poi a includere in ciascun digital twin anche un insieme di algoritmi cognitivi per l’analisi di tutte le informazioni raccolte sull’asset fisico a scopi diagnostici, analitici e predittivi. Tutti i risultati di queste analisi possono essere utilizzati per agire in modo opportuno sul corrispondente asset fisico attraverso le specifiche interfacce che il modello digitale può mettere a disposizione, facendo quello che viene chiamato decision making e chiudendo il ciclo di interazione bidirezionale con il mondo fisico.

Il secondo passo consiste nel pensare che le informazioni che può fornire un digital twin possano essere utili non solo per un’applicazione specifica, ma – in ottica più aperta e generale – per scopi eterogenei e funzioni diverse all’interno di un’organizzazione, che possono mutare e ampliarsi nel tempo.

Questo porta a concepire una visione di Digital twin-as-a-service intendendo che, nel caso più generale, un Digital twin all’interno di un’organizzazione può essere pensato come servizio con la propria API sul quale si appoggiano più applicazioni specifiche. Ovvero, verso una visione architetturale di integrazione e interoperabilità, per cui l’interfaccia del gemello digitale, come servizio software, sia basata su standard esistenti, sia a livello di rappresentazione del dato come, per esempio, Fast Healthcare Interoperability Resources (FHIR), sia a livello architetturale (per esempio HISA, ISO 12987).

Il terzo e ultimo passo consiste nel considerare la complessità dei contesti fisici di cui stiamo parlando, in cui tipicamente gli asset fisici strategici non sono monadi ma elementi in relazione tra loro, relazioni che possono essere dinamiche e dare origine ad interazioni di tipo diverso.

Queste relazioni possono essere opportunamente catturate a livello di gemelli digitali, facendo in modo che le informazioni che sono parte di un gemello digitale includano anche i collegamenti – eventualmente dinamici – ad altri gemelli digitali, collegamenti che rappresentano le relazioni che sussistono fra i corrispondenti asset fisici. La visione complessiva vede il dispiegamento di ecosistemi di digital twin connessi, che riflettono nel digitale la struttura e la dinamica dei corrispondenti asset nel mondo fisico. Questi ecosistemi possono essere stratificati, ovvero essere articolati su più livelli in modo analogo a come un’organizzazione complessa si articola in molteplici livelli sia sul piano strutturale, sia sul piano de processi.

Per le aziende sanitarie locali (Ausl) e le aziende ospedaliere (Aosp), diversi sono gli ambiti concreti nei quali l’introduzione del paradigma Digital twin, secondo l’approccio delineato nei tre passi discussi in precedenza, può offrire un significativo vantaggio in termini di governance dei processi di cura e di supporto alla pratica clinica e alle procedure sanitarie.

Gli ambiti di applicazione

Vediamo ora ad alcuni scenari eterogenei nei quali l’introduzione dei gemelli digitali permetterebbe di amplificare molto l’attuale grado di informatizzazione e digitalizzazione di specifici contesti clinici e sociosanitari, rafforzando e indirizzando il processo di transizione digitale che è, oggigiorno, obiettivo di qualunque organizzazione sanitaria pubblica.

In altre parole, in tali ambiti i gemelli digitali potrebbero fungere da leva a supporto di una trasformazione della sanità, da “assistenziale” a “proattiva”. Un primo ambito di applicazione può riguardare la pianificazione, il supporto e il monitoraggio dei percorsi chirurgici. La gestione dei percorsi operatori, siano essi relativi al regime elettivo di urgenza o di emergenza, si configura infatti tra le attività a maggior impatto economico per l’intera organizzazione sanitaria.

Inoltre, si tratta di un processo clinico che impatta non solo sull’organizzazione dei blocchi operatori, ma anche sui vari reparti clinici, sui magazzini di distribuzione dei dispositivi medici (impiantatili e di consumo) e sulla distribuzione farmaceutica interna.

Mappare l’intero processo e gli asset coinvolti (paziente, operatori sanitari, dispositivi medici) attraverso gemelli digitali avrebbe un impatto considerevole nell’ottimizzazione di tempi e risorse: ciascun gemello digitale coinvolto offrirebbe un punto di accesso digitale a tutti gli asset fisici, con un’interfaccia che consentirebbe di gestirne la correlazione e la cooperazione nell’ambito del processo in maniera efficace e semi-automatica.

Tra i vari benefici ottenibili, primo tra tutti, un governo puntuale del monitoraggio dei tempi operatori come, per esempio, l’uscita dal reparto, l’induzione dell’anestesia, l’inizio dell’incisione, la sutura, eccetera. Sono pure di beneficio le funzionalità di notifica e allarmi legate alle importanti azioni di pianificazione delle agende di sala, oggi a cura dei coordinatori dei blocchi e solo in specifici casi gestiti in modo informatizzato. A ciò si aggiunge la compilazione dei verbali operatori che segue il tracciamento delle azioni svolte sul paziente lungo tutto il percorso, la cui garanzia di correttezza risulterebbe amplificata.

Inoltre, il gemello digitale di ciascun intervento chirurgico in corso offrirebbe anche un’interfaccia digitale di azione sul processo fisico con funzionalità legate, per esempio, alla gestione della sala operatoria: gestione automatica dell’illuminazione legata alle varie fasi chirurgiche, richiesta di dispositivi medici o materiale farmaceutico aggiuntivo in relazione al tracciato dell’evolversi dell’intervento, e molto altro.

L’integrazione dei gemelli digitali degli asset del percorso operatorio di ciascun paziente, in specifici ambiti ospedalieri con i sistemi informativi amministrativo-gestionali, permetterebbe di potenziare efficacemente il governo di tutte le procedure previste dalla normativa di natura medico-legale nonché di rendicontazione dei costi.

Sempre in relazione al contesto ospedaliero, un secondo ambito di applicazione del paradigma Digital twin può riguardare la mappatura e il supporto alla gestione delle patologie tempo-dipendenti (in particolare, traumi maggiori, infarti e ictus). In questi contesti, infatti, il tracciamento semi-automatico di tutte le azioni effettuate dal personale sanitario per il trattamento contribuirebbe in maniera considerevole all’outcome clinico che è proprio di patologie come queste.

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Oltre il paziente

Un ecosistema di gemelli digitali, in questi casi, potrebbe riguardare oltre al paziente, anche i dispositivi biomedicali coinvolti come i monitor per parametri vitali, i respiratori, le pompe a infusione continua, le barelle-bilancia, e altro. Gioverebbe anche agli operatori sanitari e medici che compongono il team clinico chiamato a gestire l’evento sanitario legato al presentarsi di una patologia tempo-dipendente in un paziente.

Il grafo interconnesso dei gemelli digitali coinvolti garantirebbe un coordinamento efficiente dell’intero processo il quale, in genere, coinvolge più reparti ospedalieri, tra i quali il pronto soccorso e la diagnostica per immagini, oltre a tutti i servizi extra-ospedalieri della prima fase del soccorso.

Allo stesso modo, il grafo garantirebbe un supporto al monitoraggio remoto da centrali operative dedicate grazie alla rappresentazione nel digitale dell’evolvere in tempo reale dello stato degli asset fisici e offrirebbe un’interfaccia digitale per la predisposizione e l’utilizzo in tempo reale di tutte le informazioni utili alla richiesta di consulenze cliniche, per esempio in tele-consulto.

Infine, in un tale scenario assistenziale, giocherebbe un ruolo di particolare rilevanza l’adozione di algoritmi di previsione e/o di intelligenza artificiale – supportati dalle informazioni presenti nel gemello digitale – al fine di anticipare e coadiuvare decisioni cliniche, o suggerire la necessità di procedure e processi a seguire la gestione emergenziale della patologia tempo-dipendente. Tra questi può essere annoverata la pianificazione anticipata della logistica del ricovero in terapia intensiva e, più in generale, si tratta di processi che potrebbero essere così previsti con anticipo e quindi adottati con maggiore cognizione di causa per l’intera organizzazione inter-ospedaliera.

Pianificazione territoriale

Un terzo, e differente, ambito di applicazione può essere rintracciato nel governo sociosanitario dei servizi legati al territorio, dalle Case della salute (e della Comunità), ai servizi delle Centrali operative territoriali (Cot) e ai trasporti sanitari secondari, fino alle realtà assistenziali riconducibili a tutti i servizi sociosanitari pubblici e privati, così come previsti dal decreto del ministero della Salute 77/2022.

In questo contesto, il governo e il monitoraggio degli asset (persone, mezzi, strumenti e prestazioni sanitarie) diffusi nell’ambito di uno specifico territorio è di particolare interesse per i distretti sanitari al fine di garantire ai cittadini un’appropriata assistenza in relazione alle risorse disponibili.

La modellazione di tutti gli elementi coinvolti nei vari processi clinico-assistenziali secondo gemelli digitali rivoluzionerebbe il governo e il monitoraggio dei distretti sanitari, offrendo strumenti in grado di agevolare la pianificazione, nonché per la previsione di eventi non ancora verificatisi ma ipotizzabili in relazione alla storia clinica di alcune categorie di cittadini, dell’accesso alle informazioni provenienti da dispositivi intelligenti dedicati all’home-care e da un efficace impiego delle risorse condivise, quali mezzi sanitari, dispositivi di protesica e personale socioassistenziale.

Di grande impatto in questo ambito di applicazione dei gemelli digitali anche il loro impiego come sorgente di dati, per l’alimentazione di basi di conoscenza condivise intra-territori a supporto del monitoraggio dell’andamento di specifiche patologie croniche o sporadiche, per l’individuazione di possibili situazioni di emergenza collettiva, per esempio le zone di maggiore diffusione dell’influenza.

Per concludere, dare corpo a questa visione organica non significa stravolgere i sistemi informativi sanitari ma, al contrario, vedere i Digital twin come un ulteriore livello il quale, opportunamente integrato ai sistemi e alle tecnologie esistenti e ai relativi standard, permetterebbe di avere una visione organica con la quale gestire le aziende sanitarie come realtà cyber-fisiche integrate.

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@RIPRODUZIONE RISERVATA

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