ASME V&V 40：医疗器械的模型可信度
思路：与风险相称的可信度
概述
我们想用分析代替部分骨科植入物的强度试验。要验证到什么程度才会被认可？
ASME V&V 40正是确定这一点的框架。关键是不要求所有分析同样严格。先确定“用分析判断什么（使用情境）”，再评估该判断在多大程度上依赖分析结果（模型影响度）以及判断错误对患者影响多大（决策后果）。两者决定模型风险，风险越高，验证与确认需要的证据越充分。若要替代试验，影响度就高，需要准备相应的证据。
评估流程
- 明确问题（要决定什么）。
- 确定使用情境（模型如何用于该问题）。
- 由模型影响度和决策后果确定模型风险。
- 按风险为每个可信度要素（代码验证、解的验证、输入不确定度、比较方法等）确定目标严格程度。
- 实施验证与确认，判断是否达到目标并记录。
模型风险组合（示例）
| 模型影响度 ＼ 决策后果 | 低 | 中 | 高 |
|---|---|---|---|
| 低 | 1 | 2 | 3 |
| 中 | 2 | 3 | 4 |
| 高 | 3 | 4 | 5 |
数字越大风险越高。标准并不强制规定具体数值表，但像这样按组合确定等级、按等级调整所需证据的严格程度，是其思路的核心。
通往“以仿真代替试验”之路
医疗器械长期以来以实物试验、动物和临床试验证明安全性为基本。21世纪以来，在支架和人工关节疲劳、MRI中发热等方面计算模型的作用越来越大，美国监管机构FDA也推动其在审查中的应用。作为其基础，2018年制定了V&V 40，把结构V&V 10、流体与热V&V 20的思路与医疗器械决策风险联系起来。其意义在于建立了把计算结果作为“证据”对待的规则。
示例：假想支架的疲劳评估
问题与使用情境
| 项目 | 示例 | |
|---|---|---|
| 问题 | 新尺寸支架在血管搏动引起的反复变形下是否会疲劳破坏 | |
| 使用情境 | 用有限元求应变最大部位及大小，并与疲劳极限比较；试验只针对现有尺寸 | |
| 模型影响度 | 高（新尺寸只靠分析判断） | |
| 决策后果 | 高（断裂会导致严重健康危害） | |
| 模型风险 | 5 | 5 |
确认样本数
在现有尺寸支架上比较分析与试验应变时，用 $t$ 分布由样本离散（变异系数）和允许误差求出以95%置信度估计平均差所需的数量：
| 离散（变异系数） | 允许误差 ±10% | ±5% | ±3% |
|---|---|---|---|
| 5% | 4件 | 7件 | 14件 |
| 8% | 5件 | 13件 | 30件 |
| 12% | 9件 | 25件 | 64件 |
允许误差一收紧，样本数就急剧增加。
对，允许误差减半，所需数量约变为4倍。所以V&V 40的思路很有用：风险5的判断需要严格的允许误差和大量样本，而低风险的用途也许±10%、几件就足够了。该标准的要点不是“一律从严”，而是有依据地选择与判断分量相称的证据。另外这些数量只是平均值比较的参考，材料离散和试验装置的不确定度要另行估计。
实务步骤
各可信度要素的证据
- 代码验证：软件质量管理记录以及与已知解的比较。
- 解的验证：网格收敛、时间步长影响、数值不确定度。
- 输入与比较对象：材料参数和载荷的依据与不确定度，以及试验条件与实际使用的接近程度。
- 适用性：确认条件与实际要判断的条件（如新尺寸）有多接近。
“做了确认，但用法不同”
某分析模型在静载下与试验吻合在2%以内，但审查问的是反复载荷下的疲劳，疲劳中材料非线性和表面状态起作用，静态吻合不足以作为依据。这就是V&V 40要求首先确定“使用情境”的原因。确认只有在用于判断的量和条件下才有意义；在别的量上吻合得再好，也不是同等可信度的证据。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 不确定使用情境就验证 | 证据无法用于判断 | 先把问题和情境写成文件 |
| 一律同样严格 | 过度或不足 | 按风险确定 |
| 用别的量的吻合代替 | 不能作为可信度依据 | 用判断所用的量确认 |
| 无依据地确定样本数 | 无法分辨差异 | 按离散和允许误差计算 |
| 在确认范围外使用 | 预测可信度不明 | 评估条件接近程度 |
我想进一步了解V&V标准。
结构见ASME V&V 10，流体与热见ASME V&V 20，文件写法见V&V计划书与报告书，证据质量的整理见谱系矩阵，从部件到整体逐级确认的方法见分层确认。离散计算可以用蒙特卡洛统计工具试试。