作者:Thierry Marchal,ANSYS医疗保健行业市场营销总监
四个最佳实践有助于确保医疗设备和制药企业顺利转型,全面采用计算机建模和仿真技术。
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继航空、汽车和核能等行业率先采用工程仿真技术之后,生物医学和制药企业也不甘落后,开始广泛采用计算机建模和仿真(CM&S)技术,从而加速产品开发进程,降低新药投放市场的高昂成本(新药上市的成本可能高达20亿美元)。不过,一些医疗保健从业者和组织机构仍然对于采用这种不熟悉的技术和方法犹豫不决。

整个医学史说明,尽早经历真正技术变革的人会成为新的市场领先者,而此前占据主导地位的其他人等则会被市场所淘汰。在此前几个世纪,医疗保健行业就经历过这种状况,当时达芬奇采用了一种全新的解剖方法来了解人体构造。换言之,研究人员通过活体和尸体测试和试验来了解生物体结构,这一行动催生了重大创新,包括挽救了众多生命的现代外科手术由此出现。19世纪末,创新人士开发出了体外测试方法,这种方法比体内试验快得多,但并不能完全取代后者。就体外测试法而言,研究人员可在试管和培养皿中进行测试和试验,这带来了新一波创新浪潮,包括推动大规模制药行业的出现。

如今,为了保持创新的快速发展势头,医疗制药行业进入了采用计算机开展更丰富试验活动的新时代。这就是所谓的生物仿真实验,能显著加速和补充体外和体内试验检测方法。这种新趋势有望推动科学和医学革命。不过,一些企业现在还不清楚怎么推进这种看起来发展迅速的转型,从而实现新型测试方法、达到全新的水平。

医疗制药行业已进入采用计算机开展更丰富试验活动的新时代。

科技推广倡导者与市场领先者和创新人士加强相互作用,进而催生了4个业界最佳实践方法。

虚拟人体实验室

许多医学产品,当然也包括所有药品,均与人体直接相互作用。虽然要测试这些医学产品在实际工作环境中的表现非常有必要,但同时也是一项极具挑战性的任务。找志愿者测试既定疗法的效果、同时避免给其带来危险,实可谓困难重重,甚至无法企及。随着医学成像技术、计算功能和数值算法及模型等技术的不断发展,医疗制药企业现在已能复制人体环境。根据需要,研究人员能对人体环境进行扩展,确保极高的几何和操作条件精确性,从而能以系统化方法对整个人体进行建模。

业界最佳企业开发了医疗设备和人体部分相互作用的详细模型。企业能用此前通过试验验证的高级模型来预测自然机体(如组织、骨骼和血液等)的复杂热、结构、流体和/或电磁学行为。合适的边界条件能模仿不同的患者活动和病理情况,我们可结合3D建模和系统级仿真来进行整个人体的仿真。详细了解设备工作情况在产品开发过程的早期概念开发阶段至关重要,不仅能发现可能的故障,同时还可找到优化的办法。

开发这种高级人体模型通常需要逐步进行,每个应用阶段都能提供极具价值的信息。


生物仿真实验方法将补充体内和体外测试,以提高创新速率。


在各种活动期间、在人体工作环境中测试新设备能最大限度减少发布后的失效。图片由雷根斯堡应用技术大学提供。

生物仿真实验方法有望推动科学和医学革命。


@neurIST项目的目的是对300多个针对特定患者的脑动脉瘤新型疗法进行测试。图片由@neurIST项目提供。

首先,采用工程仿真技术的公司需要添加直接与设备相互作用的人体部分,这是虚拟人体相互作用实验室最佳实践的第一个应用阶段。研究人员随后可添加更多内容,模仿人体的复杂性,包括考虑采用更高级的非线性模型、添加更多物理场等,从而更准确、更高保真度地了解设备与人体的相互作用。此外,研究人员也能逐渐扩大人体组成部分的数量,最终全面包含整个人体,降阶模型方法或许有助于做到这一点。通过渐进性的方法,创新性企业能逐渐改进虚拟测试过程。

举例来说,第25页上介绍的VIRTUheart™项目能帮助医生明确最佳的治疗形式。该项目通过仿真技术改善给定患者体内严重冠心病的诊断情况。Starkey Hearing Technologies采用仿真技术将设备和使用者都考虑在内,从而确保助听器和控制器可靠工作(参见第18页)。

生物仿真测试

医学界面临着人体差异性的独特挑战。仅仅证明一款新设备对某个人有效是不够的。设备生产商需要有信心表明医疗设备针对整个目标人群都能正常发挥作用。通常说来,新设备要在临床试验阶段对成千上万的患者展开测试,确保原型设计不会对患者造成危险,而且即使目标人群存在病理、生理上的差异性,也能通过使用设备获得预期的效果。


监管机构今天已认识到计算方法对实施人体、动物和工作台测试的重要性。

临床测试的相似性和可重复性是应用计算机模型和仿真技术的重要机遇。通过在针对具体患者几何结构和材料属性的大型数据库上进行相同仿真,研究人员能根据一些关键参数开发出生物仿真临床试验方案,并得到一些对于治疗人员而言非常重要的结论。此外,虚拟患者的检测过程也不会造成任何伤害或安全威胁,因此能开展极限条件测试,从而明确给定解决方案的工作窗口。


随着可植入设备和可穿戴设备数量的增加,医疗产品开发人员必须确保其能与人体进行安全的相互作用,最大限度地降低干扰风险。

生物仿真实验革命将推进医疗制药创新,为我们带来延长寿命、改善生活的低成本解决方案。

这种生物仿真临床试验的开发非常耗时,需要积累针对具体患者的几何结构、材料属性和操作条件的大型数据库。模拟设备与某个患者身体的相互作用是生物仿真测试方法的第一步。医疗设备生产商与临床合作伙伴及ANSYS等仿真软件供应商合作,能不断向数据库添加针对具体患者的几何结构(及材料属性)信息。这种逐步应用和放大的生物仿真临床测试方法能提高人们对最新治疗方案的信心,同时也有助于实际临床测试的顺利开展。

本期《ANSYS Advantage》在第11页给出了一篇Integrated Scientific Services AG的文章,该公司正在开发Optimeyes,这是眼科医师的一种临床工具,通过后台运行ANSYS Mechanical来获得针对具体患者的白内障手术策略。

仿真驱动的FDA审批

近期美国食品药品局(FDA)等监管机构已经认识到在审批过程中适当应用计算机建模和仿真技术的重要价值。监管部门鼓励采用仿真技术来配合基准测试、动物测试和人体测试等其它方法。虽然计算机建模在测试中所占的比例还不大,不过医疗设备创新联盟(MDIC)指出,这种方法今后将占到临床试验的50%以上(详见第22页的MDIC)。

在不同监管部门接受新兴技术的意愿基础上,工程仿真技术可成为审批过程中的重要组成部分。一些医疗设备企业,包括本期《ANSYS Advantage》中提到的企业,已表示此前审批通过的设备(及其与人体的电磁相互作用)修改通过完全采用仿真方法已经得到审批。不过一些监管部门或许对这种技术还不太熟悉,或者需要具体形式的结果,因此要修改或开发医疗设备的组织机构应该提前与监管机构进行更多的沟通,以明确验证报告的要求。

通过这种相互作用,生物仿真实验审批策略建议将非常清晰,这有利于公司和审批部门,也会让仿真技术发挥更大作用:缩短审批过程所用的时间,并尽可能减少成本。

虚拟认证的人体网络

随着可穿戴设备和可植入设备接入到因特网并彼此互联(物联网也在不断普及),每个人都在变成一个复杂的人体区域网络(BAN)。直接与人体相互作用的设备的数量不断增加,但人体所能吸收的电磁能源限值不变。因此设备开发人员必须确保植入设备或穿戴设备的能量累计不会超过可接受的电磁场阈值。同样重要的是,尤其是那些挽救生命的设备不能彼此干扰。

测试所有情境配置会极度困难,每部新设备需要获得FCC审批也同样充满挑战。临床测试即便可行,也需要消耗大量时间,成本高昂。Medtronic等市场领先企业采用工程仿真技术来对设备和人体建模,证明比吸收率(SAR)对佩戴者来说在安全级别范围内(参见第14页)。生物仿真测试使我们能虚拟植入和/或穿戴不同的设备,并模拟设备和人体之间的相互作用,甚至还能考虑到男女、小孩、胖瘦、中等身材、超重等不同的身体情况。

虽然这种方法在可预见的将来还不能完全取代临床试验(某些情况除外),但设计人员能通过这种方法在产品开发过程的早期阶段就发现潜在的故障。

即便只对生物仿真测试进行极少的投资,也能从中大获裨益。

不要畏惧生物仿真实验革命

生物仿真实验革命将推进医疗制药创新,为我们带来延长寿命、改善生活的低成本解决方案。这场革命已经为采用相关最佳实践(虚拟人体实验室、生物仿真测试、仿真驱动的FDA审批以及安全可靠BAN等)的组织机构带来了巨大商机。这种技术变革同时也会是令人生畏的,因为任何新方法本身都存在不确定性,也需要进行投资。

本期《ANSYS Advantage》中的众多文章都重点指出,尽快实施上述最佳实践非常重要。即使只对生物仿真测试进行极少的投资,企业就能从中大获裨益。首先要明确哪些最佳实践能让您的业务立即受益,其次要采取渐进性、多级别的最佳实践方法,让自己获得最大优势。虽然企业不能立即从广泛部署中获得全部优势,但这种方法对小规模投资来说能带来重要的成果。

ANSYS在本领域拥有丰富的经验和网络资源,我们非常愿意帮助您开启生物仿真医疗产品开发的重要旅程。