●“模型”指对系统、实体、现象或过程的一种描述或表达形式，可以是对以上要素的数学、物理或逻辑表述。输入模型中的数据也被视为模型的一部分。

　　●“仿真”指通过模型来模拟系统、实体、现象或过程的各种特点，并使用一组可生成相关量的参数进行的模型特殊“运行”。

　　●模型可被用于仿真过程，用以预测产品的未来状态。

　　目前，实验室模型、动物模型、临床试验数据与计算机建模和仿真同被FDA用于对医疗产品安全性和有效性的评估。与前三种方法相比，计算机建模和仿真在模拟多疾病状态及医疗产品参数、产品超范围使用、成本和时效性等方面具有显著优势。

　　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、统计等领域中均有较广泛的应用，下面主要介绍3项与其相关的模型及应用。

　　虚拟家庭模型

　　虚拟家庭模型（Virtual Family，以下简称VF）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。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、无自交叉和间隙的详细的CAD（计算机辅助设计）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被用于电磁、热、声和计算流体动力学模拟中，这些模拟可补充或替代医疗器械临床研究的数据。

　　具体应用实例包括：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，模型也被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。

　　基于多模态成像的人体头颈部模型

　　基于多模态成像的人体头颈部模型（A Multimodal Imaging-Based Model of the Human Head and Neck，以下简称MIDA）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，以及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、牙齿结构和腺体的信息。MIDA的器官和组织由三维、详细且标准的CAD格式对象表示。MIDA可应用于所有能够导入和操作CAD数据的软件。

　　为增强特定组织的可见性，可通过整合以下不同的MRI技术获得多个MIDA：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.应用弥散张量成像（DTI）以获得组织各向异性和纤维方向信息。

　　MIDA包括153种不同结构的分割，除由于第三方许可而受到限制的38张基于图谱的丘脑核图外，其他与MIDA相关的数据都可在遵守隐私保护协议的前提下被免费获取。

　　与VF一样，MIDA可应用于对医疗器械在头部中、头部上或附近的安全性和有效性的研究中，如：涉及经颅交流电刺激（tACS）的非侵入性神经刺激的病例研究、侵入性脑深部电刺激（DBS）研究等。

　　电磁建模及仿真方法

　　FDA与多家研究机构合作，通过电磁建模及仿真（Electromagnetic Modeling）方法，深入研究电磁场与人体间复杂的相互作用，用于支持对相关医疗器械的监管。

　　通常来讲，可将人体模型（包含年龄、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（包含几何尺寸、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（包含尺寸、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　（如Sim4Life 、XFDTD、 HFSS），在一定的数学模型支持下进行计算，通过对计算结果的分析，来研究产品的安全有效性。

　　结合试验测量，该方法可被应用于对以下内容的分析评价中：1.MRI期间射频（RF）发射导致的患者能量沉积分析；2.对在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分析；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.评估有源植入设备的无线技术有效性问题。

　　技术优势显现  前景可期

　　从以上内容可以看出，通过对多项物理学模型（解剖学和生理模型、产品应用场景模型、产品诊断和治疗模型）和统计学模型的融合应用，计算机建模与仿真方法正发挥出日益显著的优势。目前，FDA对此方法的运用已有多项成功实例，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，美国公众受到的潜在政策影响；

　　通过计算机建模方法评估疫苗佐剂（铝）对儿童的暴露量影响，并得出结论——目前其含量对一岁大的婴儿有较大安全余量，包含铝的疫苗对儿童的收益远大于风险；

　　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产生的风险。

　　FDA希望随着此方法的日渐成熟，部分临床证据可被计算机建模证据所替代，使临床试验总量下降。

　　国家药品监管局医疗器械技术审评中心目前已着手开展计算机建模和仿真新方法的研究工作，针对申请人运用此类方法递交的验证资料，评价其充分性与合理性。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，以及骨科植入物、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渐成熟，对其开展系统深入的研究，建立相应的指南和评价体系，对促进医疗器械科学审评、规范并完善“监管科学”研究具有重要意义。

　　（作者单位：国家药品监管局医疗器械技术审评中心审评一部 ）

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