计算机建模和仿真新方法在FDA监管科学中的应用（二合一）

计算机建模和仿真新方法在FDA监管科学中的应用（一）发布时间：2019-06-21（原创2019-06-21CMDE中国器审）

“开发新工具、新标准、新方法以研究FDA所监管产品的安全性、有效性、产品质量、毒性、性能以及对公众健康影响的科学”是美国食品药品监督管理局（FDA）对“监管科学”的定义。近些年，FDA致力于深入研究能为公众健康带来价值的新工具和新方法。计算机建模和仿真作为一种在保证产品安全有效前提下加速产品上市、减轻行政相对人临床试验负担的新工具和新方法正在被FDA持续关注、研究并逐渐开始广泛应用。2018年，FDA公布的战略政策路线图（FDA’s2018StrategicPolicyRoadmap）中有多项工作与计算机建模和仿真方法相关。FDA下属器械和放射健康中心（以下简称CDRH）在2017年发布的十大监管科学优先事项中，一项重要内容就是“发展计算机建模技术作为法规决策支持的重要工具”。FDA已建立计算机建模和仿真研究工作组，对该方法在监管科学中的应用进行深入研究。下面介绍工作组具体情况及该方法在FDA的应用。一、计算机建模和仿真工作组FDA由5个办公室承担主要工作职能，分别为食品及兽药监管办公室、全球监管运营及政策办公室、医疗产品及烟草监管办公室、运营办公室和政策、规划、立法及分析办公室。还包括7个专员办公室，分别为首席科学家办公室、妇女卫生办公室、少数族裔卫生办公室、执行秘书处办公室、局长顾问办公室、实验室科学与安全办公室、对外事务办公室，共计12个办公室组成。其中，首席科学家办公室的主要职能包括促进开发和使用创新技术；支持FDA科学家在各领域的专业发展；为科学的活动提供战略领导和支持，推动监管科学并解决有关FDA监管产品的重要公共卫生问题等。该办公室支持了建模和仿真、增材制造、纳米技术、新兴科学、生物标记、标准研究、动物福利、毒理学研究、基因组学研究、微生物组学研究、社会行为学等十余个工作组的研究工作。计算机建模和仿真工作组为跨部门工作组。近两百名专家参与到该工作组中，人员分布在各中心，其中药物评价研究中心（CDER）、器械和放射产品健康中心（CDRH）的专家人员最多，分别为65名和48名，详见下表1。目前，工作组的两位主席分别由CDRH的两位专家担任。工作组有如下5项主要任务：提升计算机模拟和仿真方法的认识，推动监管科学的发展；加强各方对该方法的交流；作为FDA在该领域及其他新兴领域的科学支撑；与开展同样工作的国内和国际组织进行合作；促进该方法的审评一致性及相应的决策支持。工作组又组建若干个兴趣组，涉及物理（Physics）、化学（Chemical）、大数据（BigData）、动力学（Mechanistic）、风险评估（RiskAssessment）和统计（Statistical），详见下表2。每个兴趣组均有2-3名组长负责组内工作。另外建立执行机构，负责整个工作组的各项具体工作。表1工作组中各部门人员数量

表2工作组中各兴趣组及人员数量执行机构主要负责：1、制定交流计划：负责统筹内部机构间及与外部相关机构的交流；2、发布FDA建模和仿真领域的白皮书：其中会涉及各机构的成功案例，通过解决难题促进建模方法更广泛的应用，以及与内外部相关机构研究该方法的新的机遇；3、研究仿真控制和可信度准则方面的工作：通过美国机械工程师协会在制定标准过程中参与与相关基础性研究工作。该工作组前期已与国内和国际组织开展多次交流和合作，包括加入美国国立卫生研究(NIH)发起的建模和分析组织；与欧盟相应机构于2017年展开交流，提升双方对计算机建模和仿真的认识，并达成初步共识。二、计算机建模和仿真新方法在FDA监管科学中的应用计算机建模和仿真新方法在FDA战略计划中发挥着非常重要的作用，目前已有多领域利用该方法进行了应用，如通过定量结构活性关系模型（(Q)SAR模型）预测化学药物的风险；通过建立细胞、组织和系统的计算机模型较好的预测医疗产品的安全有效性；通过建立虚拟病人模型用于测试医疗产品；通过计算机模型模拟临床试验方法显示治疗效果、患者特性及疾病变量的内部关系；作为知识构建工具用于数据挖掘、可视化研究、高通量方法（蛋白结构学）方面的研究等等。计算机建模和建模新方法已在物理、大数据、风险评估、统计、化学和动力学等多个领域有所应用（详见下表3）。虽然目前FDA用于评价产品安全有效性的主要方法仍然为实验室模型、动物模型和临床数据，且计算机模型和仿真新方法的比例与其他方法相比仍然不高，但FDA预测，该方法配合虚拟病人的应用会快速发展，未来将成为评价医疗产品的主要方法。表3计算机建模和建模新方法在多领域中的应用参考文献：

[1]刘文博.医疗器械审评科学——RegulatoryScience在医疗器械技术审评工作中的应用发展.[EB/OL].2018-02-09./splt/ltwz/ltqt/20180326132100965.html

[2]美国FDA.HealthyInnovation,SaferFamilies:FDA's2018StrategicPolicyRoadmap[EB/OL].2018-01-11./about-fda/reports/healthy-innovation-safer-families-fdas-2018-strategic-policy-roadmap

[3]美国FDA.OrganizationCharts.[EB/OL].2018-08-30./AboutFDA/CentersOffices/OrganizationCharts/ucm393155.htm

审评一部杨鹏飞供稿计算机建模和仿真新方法在FDA监管科学中的应用（二）发布时间：2019-07-08（原创2019-07-05CMDE中国器审）

实验室模型、动物模型、临床试验数据和计算机模型，共同用于评估医疗产品的安全性和有效性。其中“模型”指对系统、实体、现象或过程的一种描述或表达形式。输入模型中的数据被视为模型的一部分。模型可以是对系统、实体、现象或过程的数学、物理或逻辑表述。如果需要的话，建立的模型可用于仿真过程，用以预测产品的未来状态。“仿真”指通过模型模拟系统、实体、现象或过程的各种特点，使用一组可生成相关量或多个相关量的参数进行一次模型特殊“运行”。

FDA已建立计算机建模和仿真研究工作组，对该方法在监管科学中的应用进行深入研究，已有多项成功应用的具体实例，如：利用计算机模型模拟在香烟中减少尼古丁含量的法规实施后对美国公众的潜在的政策影响；利用计算机建模方法评估疫苗辅剂（铝）对儿童的暴露量影响，得出结论是目前其含量对一岁婴儿有较大的安全余量，包含铝的疫苗对儿童的收益远大于之前关注到的风险；通过QSAR模型评估食品成分的安全性或预测其毒性；通过PHASE模型评估阿片类药物对公众健康的风险等。

一、计算机建模和仿真在医疗器械领域的应用

对医疗器械产品而言，计算机建模和仿真在与其相关的物理、大数据及知识库、风险评估、统计等多领域中也均有较广泛应用，下面主要介绍3项与其相关的模型及应用。

（一）虚拟家庭模型（VF）

FDA与研究人员和机构(theFoundationforResearchonInformationTechnologiesinSociety、Schmid&PartnerEngineeringAG、theHospitaloftheFriedrich-Alexander-University、SiemensMedicalSolutions)共同创建了虚拟家庭模型，该系列人体模型是由一名成年女性（ELLA，26岁）、一名成年男性（DUKE，34岁）和两名儿童（BILLIE，11岁；THELONIOUS，6岁）组成的一组非常详细且解剖学正确的全身模型。VF2.0模型较前版本提高了空间分辨率、表面质量及计算机辅助设计（CAD）处理的有效性。四个VF模型均基于健康志愿者的高分辨率磁共振成像（MRI）数据。模型中的器官和组织可由三维的，且无自交叉和间隙的详细的CAD对象表示。该对象允许在建模过程中以任意分辨率进行网格划分，而不会丢失小特征。目前，VF模型用于电磁、热、声和计算流体动力学（CFD）模拟，这些模拟可以补充或替代医疗器械临床研究的数据。具体实例包括：利用虚拟家庭模型和其他儿童模型执行电磁和热模拟用于计算暴露在1.5T和3T磁共振下全身和局部组织的特定吸收率；另外，也用于评估多通道全身射频发射线圈及植入物在磁共振环境下的安全性以及评估磁血液动力学效应作为心输出量的生物标志物的适用性等等。

（二）基于多模态成像的人体头颈部模型（MIDA）

MIDA模型是基于多模态成像的人体头部和颈部的详细解剖学计算机模型。该模型提供了大脑表面、脑膜、脑脊液分布、眼睛、耳朵和许多深部脑结构的详细信息，也提供了几种不同的肌肉、骨骼和颅骨层、血管、颅神经、牙齿结构和腺体信息。MIDA模型的器官和组织由三维详细的标准CAD格式对象表示。各个CAD对象允许以任意分辨率进行网格划分而不会丢失较小特征。MIDA模型可用于所有能够导入和操作CAD数据的软件。

为了增强特定组织的可见性，通过整合下列不同的磁共振成像（MRI）技术获得多个MIDA模型：1、应用T1和T2加权序列；2、应用具有高神经对比度的特定T2加权序列以增强耳朵和眼睛的结构的显示；3、应用磁共振血管造影（MRA）对血管系统成像；4、应用扩散张量成像（DTI）以获得组织各向异性和纤维方向信息。MIDA模型包括153种不同结构的分割，除由于第三方许可限制的38张基于图谱的丘脑核图外，其他与MIDA模型相关的数据都可在遵守保护隐私的前提下免费获取。

与虚拟家庭模型一样，MIDA模型可用于医疗器械在头部中，头部上或附近的安全性和有效性研究。例如，用于涉及经颅交流电刺激（tACS）的非侵入性神经刺激的病例研究以及侵入性脑深部电刺激（DBS）研究。

（三）电磁建模及仿真（ElectromagneticModeling）

FDA与多家研究机构共同合作，通过电磁建模和仿真的方法深入研究电磁场与人体之间复杂相互作用，用于支持对相关医疗器械的监管。通常，可将人体模型（包括大小、尺寸、体位、身体质量指数、解剖结构数量等信息）、射频线圈的物理模型（包括几何尺寸、线圈通道、源数、所用集总元件、整定/匹配元件等信息）或植入物模型（尺寸、物理特征、植入路径等信息）输入到不同的仿真计算软件平台下（Sim4Life、XFDTD、HFSS），在一定的数学模型的支持下进行相应计算，通过对计算结果的分析研究产品的安全有效性。结合试验测量该方法可应用于如下多项内容的分析评价，包括：1）磁共振成像（MRI）期间射频（RF）发射导致的患者能量沉积分析;2）在MRI扫描期间无源植入设备的产热分析;3）分析有源植入设备（如脑深部刺激器和起搏器）的安全性和有效性;4）应用MRI进行介入手术期间人体受试者的射频安全性;5）分析患者在MRI环境下梯度致热和非预期神经刺激的安全性问题；6）评估可植入患者设备无线技术的有效性问题。

二、总结

从上述内容可以看出，FDA已经将计算机建模和仿真作为“监管科学”的新工具和新方法应用在对各类产品的评估之中。通过多项物理学模型（解剖学和生理模型/产品应用场景模型/产品诊断、治疗模型）和多项统计学模型（变异性及不确定性）的融合，该方法已体现出较实验室模型、动物模型、临床试验数据这三种评价方法在产品超标签多场景使用、多疾病状态、变换医疗产品参数、花费及评价时间等多方面的较显著的优势。FDA希望随着该方法的逐渐成熟，部分临床证据将被计算机建模证据所代替，临床试验总量将有所下降。

目前，我中心也已开始开展计算机建模和仿真新方法的研究工作。针对申请人运用该类方法递交的验证资料，评价其充分性和合理性。前期已有的具体案例涉及大型影像诊断系统、治疗设备及有源植入物等有源产品，也涉及骨科植入物、心血管植入物等无源产品。随着计算机建模和仿真方法的日益发展，对其开展系统、深入的研究，建立相应的指南和评价体系，对于促进医疗器械科学审评、完善规范高效的“监管科学”有较重要的意义。

参考文献：

[1]美国FDA.HealthyInnovation,SaferFamilies:FDA's2018StrategicPolicyRoadmap[EB/OL].2018-01-11./about-fda/reports/healthy-innovation-safer-families-fdas-2018-strategic-policy-roadmap

[2]美国FDA.OrganizationCharts.[EB/OL].2018-08-30./AboutFDA/CentersOffices/OrganizationCharts/ucm393155.htm

[3]美国FDA.VirtualFamily[EB/OL].201