当今，计算机建模与仿真技术被越来越多地应用到医疗器械的研发过程中，为产品的加速创新及安全性提供助力，为实现有效的个性化治疗提供保障。

　　计算机建模与仿真技术(CM&S)是利用计算机科学和技术建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行虚拟动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价复杂系统的重要工具。

　　当前，面对市场竞争加剧、监管变化以及业务复杂性和不确定性等带来的压力，为了提供更高质量的产品，在医疗器械研发中完整地利用计算机建模与仿真技术至关重要。应用基于生物学、化学、电化学和物理学的计算机建模与仿真，不仅可以开发更安全可靠的产品，还可以简化产品研发的生命周期并加快其上市进程。同时，计算机建模与仿真技术也可作为一种减少临床研究成本和持续时间的重要补充手段。

　　美敦力公司是全球医疗技术、服务和解决方案的领导者，在医疗器械计算机建模与仿真开发和应用方面具有公认的领先地位，计算机建模与仿真技术为产品的加速创新及安全性都提供了重要保证。

　　外部需求推动医疗器械行业变革

　　目前，医疗器械行业面临来自包括社区医疗、个性化护理的患者、不同需求消费者以及政策制定者等不同方面的压力，这些压力最终都会要求医疗器械公司降低成本、缩短新产品上市时间，但同时又要遵守越来越严格的法规要求。

　　对此，绝大多数的医疗器械公司采用的对策是更加专注于开发更多创新性的产品，在降低医疗成本的同时改善患者的治疗结果。产品的创新意味着需要更多资源和成本的投入，而对医疗器械公司本身来说，公司的业绩增长和财务稳定至关重要，这样就会对新产品的研发成本及产品上市时间有更严格的要求。在这种情况下，要在不牺牲产品质量和患者安全的前提下进行产品的创新是极其困难的，这就促使医疗器械公司通过检查产品设计、临床前检验和验证(V&V)、临床研究、法规要求、制造、采购和其他过程，重新审视提高产品研发的方法。

　　其中，产品设计以及临床前检验和验证过程非常依赖于从物理模型的台架测试升级到后续的动物研究，以及患者的临床试验。然而，在这个过程中有两个非常重要的限制:其一，产品和患者之间的相互作用无法在动物水平或实验台上得到充分的测试和评估;其二，在动物实验和患者临床试验中，风险的充分量化和安全性测试是一个挑战。这可能导致产品上市后发生不良事件，甚至会导致患者死亡。在过去的几十年里，动物和患者成为许多医疗器械安全性和有效性的最后试验场。

　　基于这些方面的局限性，业界正在向利用计算机建模与仿真模型的方向发展，在减轻物理试验负担的同时开发能更好地改善患者体验和疗效的产品，并更好地理解和量化风险。例如，在医疗器械领域，一个重要的发展趋势是微型化。医疗器械的微型化无论是对医生还是患者都有诸多好处。微型化代表着微创甚至是无创的检测、诊断及治疗，这对患者的治疗效果和预后是极为有利的。首届中国国际进口博览会上的明星产品之一，由美敦力公司开发的世界上体积最小的心脏起搏器——Micra经导管植入式无导线心脏起搏器就是一个典型的例子。

　　Micra是一个无导线起搏器，与前代产品不同的是Micra采用全新的体内固定方式。由于Micra固定在心肌上，会随心脏一起跳动，因此在设计上就需要考虑固定爪疲劳断裂的要求。通常这个问题需要花费大量时间和费用来验证，而我们运用具有技术革新性的计算机建模与仿真模型作为产品可靠性的评价依据，帮助提升了固定爪疲劳断裂测试的效率，不仅节约了研发成本，还使整个研发周期缩短了约2年，加速产品上市，让更多患者提前获益。

　　在产品创新中的角色

　　传统来讲，医疗器械涉及实验室(体外测试)和人体或动物(体内测试)的物理测试。这些测试能够提供有价值的证据，但测试过程和手段可能是缓慢的、昂贵的或有限的。例如，在人体测试会遇到一些实际的限制：在体内测试医疗器械性能较为困难、无法快速测试医疗器械的变化以及涉及伦理方面的问题等。

　　计算机建模与仿真技术为测试医疗器械性能提供了另一种途径。用户可以建立医疗器械和人体系统的模型并模拟医疗器械在部署时的表现，这样就可以快速调整变量来尝试不同的场景，使用户在相对较短的时间内模拟大量的可能性场景，以寻求最佳结果。

　　同时，计算机建模与仿真作为一种有潜力的技术有望改变整个医疗器械的研发过程。计算机建模与仿真技术通过提供非物理方法来确定产品性能、评估设计参数的相互依赖性、评估各种使用条件和可视化复杂过程，在大多数医疗器械、组合产品和相关技术中有着广泛的应用。预计将来这种方法将成为医疗器械开发的主要方法，其最终的进化包括模拟个体虚拟患者——能够在一个完整而准确的虚拟患者身上复制病患的生物学、化学、电化学和物理学过程。

　　另外，监管机构也对计算机建模与仿真技术在产品研发及注册方面所发挥的作用持支持态度。2012年，美国食品药品监督管理局(FDA)发布的关于推进监管科学的报告指出：鼓励临床评估和个性化医疗方面的创新以改善产品开发和患者疗效，这将涉及细胞、器官和系统的计算模型的开发，如虚拟生理性患者，以更好地预测产品的安全性、有效性和医疗产品的性能。

　　在产品创新过程中的价值

　　随着计算机建模与仿真技术越来越广泛地应用于医疗器械开发中，它的价值也逐渐得以体现。基于该技术，工程师可以在研发过程中评估产品几乎所有方面的性能，且不需要额外的时间和费用进行台架测试。此外，计算机建模与仿真技术对产品研发创新的价值主要还包括以下几个方面。

　　●减少研发时间和成本

　　传统来讲，开发一种新的医疗器械可能需要5年甚至更长的时间才能推向市场，其中动物实验、患者临床试验和监管审批程序占据了该过程的主要部分。在过去超过25年的时间里，主流的医疗器械公司都是依靠传统的物理原型进行创新产品的开发，这既昂贵又耗时。计算机建模与仿真技术的应用可以大大缩短动物实验和人体试验的进程，这对每个项目来说就可以减少数年的时间以及数百万美元的成本。

　　在计算机建模与仿真技术的应用方面，美敦力公司一直是行业的领导者，公司的很多项目都应用到了该技术来加速产品的研发创新。例如，在关键的导线发热仿真模型中应用了虚拟患者的模型，并采用蒙特卡罗方法来考虑上百万个临床扫描场景，仿真的结果为医疗器械的安全性提供了很好的证据，也为产品研发节省了大量成本。再如，在开发植入式心脏起搏系统Advisa SR时需要考虑患者在植入Advisa SR后进行磁共振成像(MRI)扫描的安全性，如果通过临床试验来验证将花费大量的金钱和时间。因此，我们采用计算机建模与仿真技术代替临床试验作为医疗器械安全性的证据用于Advisa SR的注册申请并成功获批。

　　●加速产品初期研究及降低风险

　　计算机建模与仿真技术使工程师能够运行几乎无限数量的基于不同条件下的虚拟测试，这些不同极限条件下的测试结果代表了产品的安全性和可靠性，其中某些极限条件是很难通过动物实验或人类临床试验来获取的，甚至有些试验是被禁止的。计算机建模与仿真技术消除了这些限制，让研究人员和工程师能够更好地理解医疗器械在预期使用环境和几乎任何条件下的功能行为，并进行更广泛和更深入的探索。

　　美敦力公司在除颤仪的研发过程中就进行了患者心房模型的计算机建模。基于虚拟患者模型，工程师可以进行各种创新疗法的验证，获得感兴趣的变量输出结果来评价疗法的作用。同时，工程师也可以在特定的控制条件下进行实验，还可以根据需求重复实验以及测试针对特定患者病理的治疗方法。这些工作都是在动物实验或患者临床试验中很难实现的。

　　●以患者为中心的创新

　　计算机建模与仿真技术提供了开发更多专用医疗器械(如心血管植入物、骨科植入物、外骨骼和假肢)、组合产品和药物的能力，让工程师可以更真实地模拟特定的患者和特定的医疗器械将如何相互作用和相互响应，以实现对患者最有效的个性化治疗。

　　当今，计算机建模与仿真技术被越来越多地应用到医疗器械的研发过程中，为产品的加速创新及安全性提供助力及保证。作为医疗器械计算机建模与仿真开发和应用的实践者和引领者，正如70年来美敦力公司从成立之初至今始终坚持的使命一样，我们将秉承帮助患者“减轻病痛、恢复健康、延长寿命”的使命，在产品研发中不断引入新的技术和方法，为患者提供更具创新性及安全性的产品。

　　查鹏，美敦力中国研发中心高级科学家。

　　文/查 鹏

本文来自《张江科技评论》