数字孪生透析室
关键技术开发与应用
关键数字一览
项目摘要
本项目以数字孪生技术为核心，融合物联网感知、多模态数据融合与人工智能算法，构建透析室（中心）的"数字孪生"虚拟模型。通过实时采集血透机运行参数、患者生命体征（血压、心率、血容量等）、实验室检验数据、人员和主要物料移动实时路径等多源异构数据，建立透析室（中心）运行全周期映射，实现透析治疗过程的实时监测、风险预警、方案优化。
项目成果包括透析智能化管理平台软件 1 套、多模态数据融合分析软件 1 套，以及可复制的数字孪生透析样板间 1 个。平台将支撑县域及基层透析服务的远程管理与智慧质控，服务国家血液透析服务下沉战略，预期可显著提升透析治疗的安全性与个体化水平，降低并发症发生率，为基层血透室提供可推广的智能化管理解决方案。
三、立项依据
- 本项目支撑县域透析服务下沉，适用于基层、偏远地区的血液透析（HD）/腹膜透析（PD）远程管理，包括分级诊疗、远程诊疗、智慧质控。
- 2026年国家卫生健康委将"常住人口超过6万的县均需提供血液透析服务"纳入重点民生项目，将血液透析服务下沉列为核心任务，全国新增350家乡镇卫生院、社区卫生服务中心开展血透业务。
- 基层血透室须与所在县域内至少一家县级或以上综合医院建立协作关系，设立双向绿色转诊通道，支持县域下沉、覆盖的政策。
- 然而，基层血透室普遍面临专业人才短缺、质控能力薄弱、信息化水平低等突出问题。数字孪生技术为解决上述困境提供了全新路径——通过构建透析室（中心）的虚拟模型，实现远程实时监测、智能预警与个性化治疗决策支持。
数字孪生技术通过在虚拟空间构建物理实体的高保真映射模型，实现物理世界与信息世界的双向映射与实时交互，已成为 2025 年全球医疗创新的核心驱动力之一。在肾脏病透析领域，数字孪生技术的应用正从理论探索加速走向临床实践。2025年智能肾脏病学术大会指出，AI驱动个性化管理下的动态处方已终结"千人一方案"时代，数字孪生技术赋能精准化管理使治疗误差不断降低；智能化透析正加速进入家庭场景。
全球趋势：费森尤斯医疗等国际巨头已推出 TDMS+ 智慧透析管理系统，通过远程连接透析设备实现治疗数据实时采集与上传；Dassault Systèmes 为巴黎 Saint-Louis 医院创建了透析单元数字孪生，用于医护人员培训与流程优化；英国西约克郡启动了全球首个面向慢性肾脏病的人群健康"数字孪生"项目。
国内进展：数字孪生技术已被纳入多个国家级重点研发计划。北京大学第三医院牵头承担"十四五"国家重点研发计划"基于数字孪生技术的老年人群运动评估与机能提升关键技术研发"项目，其新获批的北京市重点实验室亦将数字孪生作为关键技术方向。在透析领域，邵阳市"肾小保"项目打造出全国首个覆盖血透与腹透全场景的"AI大模型+物联网+患者数字孪生"三位一体智能管理平台；华为云"透析设备数字孪生平台"能构建患者虚拟模型，模拟不同治疗方案效果。数字孪生技术在智慧医疗领域已形成涵盖数字支撑、孪生体构建与人机交互的完整技术框架。
- 基层血透室——通过数字孪生平台实现远程实时专家指导与智能质控，保障乡镇卫生院、社区卫生服务中心能够安全开展血液透析服务；
- 医联体 / 医共体——实现区域内透析治疗同质化和双向转诊上下联动的智慧管理，支撑6万人口县域血液透析服务建设计划落地；
- 未来居家透析——通过数字孪生画像实现远程监测与主动干预。
四、研究方案
（一）研究目标
本项目旨在开发基于数字孪生技术的透析智能化管理样板间，具体目标包括：
- 研发透析智能化管理平台 1 套，实现透析治疗全流程的数字化、智能化管理；
- 研发多模态数据融合分析技术并形成软件 1 套，实现透析数据的实时融合分析与智能决策支持；
- 构建可复制、可推广的数字孪生透析样板间 1 个，支撑县域及基层透析服务的远程管理与智慧质控。
（二）主要研究内容 （点击展开各项）
构建血液净化中心病区空间布局、病房分布、诊疗室实景三维、设施分布等三维模型，围绕血液净化诊疗业务流程和医护、病患动线进行分层次建模。采用颜色编码表示不同业务状态和数据状态，支持缩放、旋转、平移等交互操作及宏观/微观视角切换。同时研究可复制推广的标准化建模流程，降低建模成本，便于向基层机构快速移植。
研究面向 CNRDS、血液透析机等医疗信息系统和在线设备的数据采集与对接方案。建立数据采集层、处理层、模型构建层、存储层、应用表现层和系统集成层的分层架构。采用 HL7、FHIR、DICOM 等医疗行业标准协议，确保系统间互操作性。基于采集的多模态数据，为每位透析患者构建动态更新的"数字孪生"虚拟模型。
开展多模态数据融合分析技术研究，将定位轨迹、设备工况、生理参数、检验结果等异构数据进行时空对齐与关联挖掘，构建风险预警与辅助决策模型。基于数字孪生模型，开发透析并发症智能预警系统，重点针对透析中常见并发症，利用机器学习算法实现提前 15–30 分钟的并发症风险预警。同时开发个性化透析方案智能推荐引擎，根据患者数字孪生模型的实时状态，优化透析处方（超滤率、透析液温度、血流量等参数）。
在划定区域内部署 27 台吸顶定位基站，为医护人员配备定位工牌、为患者配备智能定位手环。研究复杂室内环境下蓝牙 AOA 定位的抗干扰优化方法，确保定位精度和稳定性，实现实时定位、轨迹追踪、电子围栏告警等功能。研究蓝牙 AOA 高精度定位与高清视频监控的互补联动机制：当定位系统发生异常或存在可疑情况时，系统可联动调取周边监控摄像头实时画面进行虚实结合验证；在三维孪生场景中标记视频监控设备空间分布，支持多模式实时视频切换调取。
将上述平台与系统集成，在解放军总医院第一医学中心肾科血液净化中心部署数字孪生体，包含数据采集层（物联网设备接入）、数据平台层（多模态数据融合与分析）、应用层（智能预警、决策支持、远程管理）三个层次。研究标准化、轻量化的透析室数字孪生体构建方法，形成"一院一模板"的快速复制方案。探索基于云平台的远程管理架构，使上级医院能够通过标准接口对基层透析室的数字孪生体进行远程质控、业务指导和数据监管，支撑分级诊疗与医联体协同。
（三）拟解决的关键科学问题
- 多模态透析数据的实时融合与标准化：透析数据来源多样（设备参数、生理信号、检验数据、医嘱信息），格式各异，实时性要求高。如何在保证数据质量的前提下实现多源异构数据的实时融合与标准化，是构建数字孪生模型的数据基础。
- 多模态数据时空对齐与关联挖掘：如何将不同频率、不同维度的医疗数据进行有效融合，提取有临床意义的联合特征。
- 数字孪生体的标准化与轻量化复制：如何建立一套可操作、可推广的建模标准和部署流程，降低基层机构的应用门槛。
（四）技术路线 —— 四阶段推进 （点击切换阶段）
第一阶段：规划与设计阶段
- 深入开展需求调研，全面了解血液净化全流程业务需求；
- 进行数据资产评估，盘点 HIS、CNRDS、IoT 设备等系统的数据资源；
- 确定系统架构和对接方案；
- 同步启动标准化建模规范与数据融合算法框架设计。
第二阶段：试点实施阶段
- 选择典型场景进行试点开发与部署，完成与部分系统的数据对接；
- 构建基础数字孪生模型和可视化界面；
- 同步开发多模态数据融合分析原型和智能化管理平台基础模块。
第三阶段：全面推广阶段
- 扩展到全流程与全链路，完成与所有关键系统的对接；
- 完善数字孪生模型细节和功能模块；
- 完成透析智能化管理平台、多模态融合分析软件的全面开发与整合；
- 构建首个可复制数字孪生体模板。
第四阶段：优化升级阶段
- 持续收集用户反馈进行系统优化，引入预测和分析功能，扩展新的应用场景；
- 开展基层试点部署，验证可复制方案的可行性与有效性，形成推广指南。
- 技术成熟可行：数字孪生、蓝牙AOA高精度定位、物联网等核心技术已在医疗、工业等领域得到广泛应用和验证；多模态数据融合分析在智慧医疗领域已有诸多成功案例，可借鉴其方法体系。
- 技术风险可控：技术方案均基于成熟产品和开源技术框架；定位基站、定位工牌、智能手环、服务器、渲染机等硬件设备均有成熟供应商；数据对接采用 HL7、FHIR 等国际标准协议；融合分析算法和平台开发均基于现有成熟技术栈，可实现性高。
- 依托平台优越：项目依托解放军总医院第一医学中心血液净化中心，具备良好的基础设施和业务场景，中心配备国际先进血液净化设备；丰富的临床数据资源为多模态分析提供了坚实基础。
- 首次将数字孪生虚拟仿真技术系统性应用于血液净化全流程的实时监测与虚拟仿真，实现"全生命周期、全数据闭环、全链路智能"的诊疗与管理新模式。
- 创新性地构建多模态数据融合分析框架，将空间行为数据与临床诊疗数据深度关联，挖掘新的临床洞察。
（七）预期成果及效益
- 研发透析智能化管理平台 1 套，实现诊疗全流程智能调度与闭环管理；
- 研发多模态数据融合分析软件 1 套，具备风险预警与辅助决策功能；
- 构建可复制、可推广的透析室数字孪生体 1 个，形成标准化建模与部署方案；
- 申请软件著作权 ≥ 1 项。
数字孪生分层架构
点击左侧架构图层查看说明
三层架构自下而上分别为：数据采集层（物联网设备接入）、数据平台层（多模态数据融合与分析）、应用层（智能预警、决策支持、远程管理）。点击或触摸任意图层，此处将显示该层的详细说明。
五、年度研究计划
第一年（第1—6月）
- 完成 HIS、CNRDS、血液透析机等数据资源的盘点与评估；
- 完成系统总体架构设计、数据对接方案设计和三维建模方案设计；
- 完成定位基站、定位终端、服务器等硬件设备的选型与采购；
- 启动多模态数据融合分析算法框架设计与智能化管理平台需求分析；
- 启动标准化数字孪生体建模规范编制。
第一年（第7—12月）
- 完成选定区域的高精度三维建模；
- 完成蓝牙 AOA 定位基站部署与调试；
- 完成与 HIS、CNRDS 等系统的数据对接；
- 完成基础数字孪生模型和可视化界面的开发与部署；
- 开展系统试点运行与测试；
- 完成多模态数据融合分析原型开发与初步验证；
- 完成智能化管理平台基础模块（排班、设备管理）开发。
第二年（第1—6月）
- 完成与所有关键系统（血液透析机、视频监控等）的全面对接；
- 完善数字孪生模型细节和全部功能模块；
- 完成系统全面部署与上线运行；
- 完成智能化管理平台全部功能模块开发与整合；
- 完成多模态数据融合分析软件完整版开发并部署；
- 完成首个可复制数字孪生体模板构建。
第二年（第7—12月）
- 持续收集用户反馈，进行系统优化迭代；
- 引入智能预测和分析功能；
- 总结经验，形成技术规范；
- 申请软件著作权；
- 完善推广方案，形成推广指南。
六、研究工作基础 & 七、协作单位
六、研究工作基础
课题组长期从事血液净化临床工作，对血液净化全流程业务具有深刻理解。合作技术团队在数字孪生虚拟仿真、室内高精度定位、医疗数据集成等方面积累了丰富的工程实践经验，具备完成本项目所需的技术能力和人才储备。
七、协作单位
合作研究单位：北京耘尚科技。
八、经费预算（合计 90 万元）
| 预算支出科目 | 金额（万元） | 计算根据及说明 |
|---|---|---|
| 1、材料费 | 38.0 | 采购以医用级商用蓝牙AOA高精度定位、患者穿戴手环、高清视频监控等为代表的多种感知层传感器，以及配套的耗材、使用损耗。 |
| 2、测试化验加工费 | 42.0 | 占总经费 46.7%（未超 50%）。委托第三方开展透析智能化管理平台及多模态数据融合分析软件的功能、性能与安全性测试；透析室高精度三维场景建模加工；HIS、CNRDS血液透析机等多源异构数据接口联调与数据处理加工；系统试点运行期间的验证测试。 |
| 3、出版/文献/信息传播/知识产权事务费 | 3.0 | 形成技术方案、规范标准的咨询和文献购买费用；专利、软件著作权申报代理相关费用。 |
| 4、其他支出 | 7.0 | 数据录入、质控开销、交通补贴、差旅及学术交流费用。 |
| 合计 | 90.0 | |
| 与本项目相关的其他经费来源 | —— | —— |
结语
以数字孪生构建透析室"虚拟镜像"，
让优质血液净化服务安全下沉到每一个县。
本项目服务国家血液透析服务下沉战略，预期可显著提升透析治疗的安全性与个体化水平，降低并发症发生率，为基层血透室提供可推广的智能化管理解决方案，支撑分级诊疗与医联体协同。
恳请各位专家批评指正