【作 者】谷曉芳，鮑雅晴，賀麗萍

國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心，北京市，100081

0 引言

由于生物醫(yī)學(xué)研究的特殊性，大量的研究不宜在人體上直接進(jìn)行，需要在動(dòng)物模型上來(lái)完成，如確定疾病的致病因素、觀察疾病的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程、新藥的研發(fā)、醫(yī)療器械的驗(yàn)證確認(rèn)等。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物可作為人類“替身”得出許多高價(jià)值的研究數(shù)據(jù)。動(dòng)物模型在生物醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用[1-5]。

1 PET動(dòng)物實(shí)驗(yàn)概述

在臨床研究中，有專用于小動(dòng)物研究的正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像（positron emission computed tomography,PET）[6-11]，小動(dòng)物專用PET的孔徑通常在15～25 cm[12]，常用于小鼠、大鼠等小型動(dòng)物的研究。使用較大型的動(dòng)物（如兔子、犬類、豬等）進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，無(wú)法在小動(dòng)物PET上進(jìn)行，通常使用用于人體的PET/CT[13-21]。在PET/CT產(chǎn)品研制過(guò)程中，如全新制造商研制的首款產(chǎn)品或產(chǎn)品批準(zhǔn)上市后發(fā)生重大改變（如軟件功能、重要部件變化等）時(shí)，有可能需要?jiǎng)游飳?shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

2 PET/CT產(chǎn)品驗(yàn)證確認(rèn)的三種方式

在對(duì)PET/CT最終產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)時(shí)，可以采用的方式有模體實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)三種主要方式。PET成像是在細(xì)胞和分子水平上對(duì)活體狀態(tài)下的生理代謝過(guò)程進(jìn)行定性和定量研究，記錄分子或細(xì)胞內(nèi)的放射性藥物時(shí)空分布[22]，因此，無(wú)法通過(guò)模體實(shí)驗(yàn)?zāi)M生理代謝情況對(duì)PET功能成像進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)進(jìn)行大規(guī)模的人體試驗(yàn)受到較復(fù)雜的條件和較高成本等制約，而動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在綜合考慮成本、設(shè)施等條件情況下，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行較為全面的驗(yàn)證確認(rèn)。

2.1 模體實(shí)驗(yàn)

模體實(shí)驗(yàn)是靜態(tài)成像，可以指定實(shí)驗(yàn)條件，容易識(shí)別偽影，實(shí)驗(yàn)結(jié)果易于判斷，能在PET圖像上直觀地確認(rèn)關(guān)鍵技術(shù)變化帶來(lái)的性能指標(biāo)影響，可以方便地進(jìn)行定量測(cè)量和對(duì)比。模體實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，成本低廉。但是模體實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)在于無(wú)法還原人體真實(shí)的生理代謝變化的分布，對(duì)于人體特異的疾病或生理狀態(tài)無(wú)法直接模擬，模體數(shù)據(jù)到臨床圖像之間，無(wú)法直接地畫上等號(hào)。

2.2 人體試驗(yàn)

人體臨床研究取得的數(shù)據(jù)可以更充分地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的有效性及安全性，對(duì)圖像質(zhì)量、臨床工作流、產(chǎn)品安全性等評(píng)價(jià)更加有效和全面。但是人體臨床研究數(shù)據(jù)的獲得有一定困難，如臨床研究機(jī)構(gòu)通常沒(méi)有大型場(chǎng)地供安裝PET/CT設(shè)備，另外進(jìn)行人體臨床研究需要經(jīng)歷倫理審查、志愿者招募等復(fù)雜的過(guò)程。PET/CT成像過(guò)程中需注射放射性藥物，志愿者招募通常并不容易。整個(gè)過(guò)程需要耗費(fèi)大量的人力和物力資源，時(shí)間成本也較高。

2.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

相較以上兩種方式，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)有以下優(yōu)勢(shì)：

第一，可以很好地模擬活體內(nèi)生理和病理過(guò)程，比如模體實(shí)驗(yàn)很難模擬的PET動(dòng)態(tài)參數(shù)成像的生理灌注過(guò)程，使用動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)可以充分地還原動(dòng)態(tài)參數(shù)成像中肺循環(huán)到體循環(huán)的完整的血流灌注，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以補(bǔ)充模體實(shí)驗(yàn)的不足部分。

第二，動(dòng)物模型的完整實(shí)驗(yàn)及工作流驗(yàn)證有助于確認(rèn)樣機(jī)整體狀態(tài)的可靠性和穩(wěn)定性。通常系統(tǒng)集成測(cè)試環(huán)節(jié)僅關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，沒(méi)有充分考慮臨床使用場(chǎng)景，部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷需要真正還原臨床應(yīng)用場(chǎng)景才可能被發(fā)現(xiàn)。同時(shí)在臨床試驗(yàn)樣機(jī)裝機(jī)前，進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可完整地測(cè)試驗(yàn)證工作流，有助于充分測(cè)試臨床典型工作流，并對(duì)整機(jī)狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)收確認(rèn)。

第三，使用體積較小的動(dòng)物可以更為嚴(yán)苛地測(cè)試系統(tǒng)空間分辨率等性能。比如，小鼠的解剖結(jié)構(gòu)在尺度上為人體尺度的幾百分之一，如果某一系統(tǒng)可以將小鼠的超微生理代謝分布予以細(xì)致的成像，將結(jié)果作為分辨率性能好的有力證據(jù)。

第四，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)相比成本更低。進(jìn)行大規(guī)模的人體試驗(yàn)需要較復(fù)雜的條件和高昂的成本。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的劣勢(shì)：和模體實(shí)驗(yàn)相比成本更高；動(dòng)物的生理、病理狀態(tài)會(huì)影響圖像結(jié)果，需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生加以鑒別；動(dòng)物模型的準(zhǔn)備需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)。

3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)在PET/CT產(chǎn)品評(píng)價(jià)中的作用

對(duì)于沒(méi)有PET/CT產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的全新制造商，在研制第一款PET/CT產(chǎn)品時(shí)可以考慮用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。另外，研制產(chǎn)品和已上市同類產(chǎn)品相比發(fā)生重大變化時(shí)，如設(shè)備采用全新的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，屬于全新設(shè)備，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上沒(méi)有與之類似的上市設(shè)備；設(shè)備采用了新的關(guān)鍵器件，該器件具有全新的技術(shù)特性，其對(duì)設(shè)備的應(yīng)用和操作產(chǎn)生了較大的影響，所獲得的影像質(zhì)量也有很大區(qū)別；在原有的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的臨床應(yīng)用領(lǐng)域等情況[26-28]，可以考慮采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 主要驗(yàn)證目的

通常，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以從可行性驗(yàn)證、有效性驗(yàn)證、安全性驗(yàn)證三方面展開。①可行性：通?？尚行匝芯渴菍?duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性、可操作性、可用性等方面進(jìn)行整體確認(rèn)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可用于PET/CT產(chǎn)品系統(tǒng)整體可行性驗(yàn)證。②有效性：設(shè)計(jì)合理的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可支持產(chǎn)品的有效性（包括性能和功能），如驗(yàn)證PET/CT產(chǎn)品的圖像質(zhì)量、臨床工作流等。③安全性：通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以識(shí)別非預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否有缺陷，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是否有新的引入風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和改進(jìn)，采取進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。有時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康臒o(wú)法嚴(yán)格劃分界限，一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可能同時(shí)對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)[25]。

3.2 申報(bào)資料的準(zhǔn)備

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的圖像比模體實(shí)驗(yàn)更接近臨床人體圖像。提供產(chǎn)品注冊(cè)申報(bào)資料時(shí)，可作為研究資料或臨床評(píng)價(jià)資料的支持性文件。在研究資料中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可作為模體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，例如多床拼接性能的驗(yàn)證、新算法圖像質(zhì)量的驗(yàn)證、延時(shí)成像、動(dòng)態(tài)成像等功能的驗(yàn)證資料；在臨床評(píng)價(jià)資料中，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)資料可作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能和功能的支持資料。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)資料可以是上述為產(chǎn)品進(jìn)行可行性、有效性和安全性驗(yàn)證專門設(shè)計(jì)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，也可以是申報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行藥物研發(fā)或其他科學(xué)研究中獲取的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)資料。雖然后者的實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟⒎侵苯域?yàn)證PET/CT產(chǎn)品的功能和性能，但PET/CT設(shè)備的圖像質(zhì)量等性能有助于評(píng)價(jià)藥物在體內(nèi)的代謝分布情況，展現(xiàn)藥物的生理代謝特性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中取得的圖像對(duì)于評(píng)價(jià)設(shè)備是有幫助的，在合適的情況下，也可用于注冊(cè)申報(bào)資料中對(duì)申報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 PET/CT動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需考慮的問(wèn)題

4.1 人體試驗(yàn)差異分析

在動(dòng)物與人體之間，PET/CT產(chǎn)品驗(yàn)證時(shí)存在差異，采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)估PET/CT的性能和功能時(shí)，可先對(duì)動(dòng)物模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)等與人體的差異性、相似性等進(jìn)行分析，可利用已有文獻(xiàn)信息、前代產(chǎn)品的研究資料等。

4.2 實(shí)驗(yàn)前提

在開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前，需充分開展實(shí)驗(yàn)室研究，不宜采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)替代實(shí)驗(yàn)室研究。在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)經(jīng)過(guò)充分的模體研究測(cè)試、非活體研究、計(jì)算機(jī)模擬等測(cè)試。

4.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的選擇

在選擇動(dòng)物時(shí)，應(yīng)考慮與人體的相似性和評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理性，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x擇適宜的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。

例如，在PET/CT系統(tǒng)整機(jī)的驗(yàn)證上，考慮更充分地模擬人體掃描場(chǎng)景，進(jìn)行多床位掃描時(shí)，建議動(dòng)物類型上優(yōu)先考慮體型較大的動(dòng)物，如選用豬進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證。而在驗(yàn)證系統(tǒng)的圖像質(zhì)量時(shí)，動(dòng)物體型越小，對(duì)設(shè)備分辨率、靈敏度等要求更高，越小的動(dòng)物越能顯示系統(tǒng)圖像質(zhì)量的優(yōu)越性。

4.4 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量

對(duì)于PET/CT產(chǎn)品驗(yàn)證的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，考慮到動(dòng)物實(shí)驗(yàn)作為模體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，或人體臨床試驗(yàn)之前產(chǎn)品可行性驗(yàn)證、安全有效驗(yàn)證的補(bǔ)充，對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的數(shù)量一般不作要求。

4.5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)完整記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有原始信息資料，包括完整的過(guò)程記錄、照片/影像資料等。并按照評(píng)價(jià)要求對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行匯總分析，形成評(píng)價(jià)結(jié)論。考慮動(dòng)物的解剖結(jié)構(gòu)、生理特征和人體有差異，需要由有相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的人員對(duì)圖像進(jìn)行解讀。

4.6 監(jiān)管及倫理要求

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)應(yīng)符合相關(guān)監(jiān)管要求和倫理要求。需遵循動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的“替代（replacement）、減少（reduction）和優(yōu)化（refinement）”原則，即3R原則。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)尊重動(dòng)物生命，保護(hù)動(dòng)物福利。

5 PET/CT動(dòng)物實(shí)驗(yàn)示例

5.1 動(dòng)態(tài)采集驗(yàn)證

圖1為一只正常兔子的動(dòng)態(tài)最大強(qiáng)度投影（maximum intensity projection,MIP）圖，此系列圖像通過(guò)每秒一幀的全身動(dòng)態(tài)重建，可以觀察到藥物從兔子耳緣靜脈經(jīng)上腔靜脈進(jìn)入右心，經(jīng)肺循環(huán)后，回到左心，通過(guò)主動(dòng)脈泵出到各動(dòng)脈，灌注全身各臟器的過(guò)程。生物體是一個(gè)復(fù)雜的環(huán)境，不同器官組織對(duì)物質(zhì)的攝取和代謝均有差異。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)采集可以比較直觀地顯示出顯像劑在體內(nèi)各個(gè)組織的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，而模體實(shí)驗(yàn)由于缺乏動(dòng)態(tài)的攝取和代謝過(guò)程，無(wú)法反映出動(dòng)態(tài)采集的特征。

圖1 兔子動(dòng)態(tài)成像Fig.1 Dynamic imaging of the rabbit

5.2 超長(zhǎng)延遲成像驗(yàn)證

圖2為一只正常兔子的MIP圖，此系列圖像通過(guò)注射后不同時(shí)間點(diǎn)的圖像采集，可以觀察到兔子的肝部、盲腸、皮膚等攝取隨時(shí)間推移而下降，而肌肉攝取逐漸上升等現(xiàn)象。由于動(dòng)物各個(gè)組織對(duì)顯像劑攝取和代謝的速率不同，不同組織中顯像劑濃度達(dá)到最大攝取值的時(shí)間點(diǎn)不同，針對(duì)不同組織的成像，選擇最佳的時(shí)間點(diǎn)有助于獲得良好的圖像和結(jié)果。而模體實(shí)驗(yàn)在不同時(shí)間點(diǎn)的差異只與顯像劑所用正電子核素的衰變有關(guān)，與生物組織代謝無(wú)關(guān)。

圖2 兔子延遲成像Fig.2 Delayed imaging of the rabbit

5.3 多床采集功能驗(yàn)證

圖3為一只豬的PET/CT圖像，豬的體型較大，需要采集多床位進(jìn)行拼接。此套圖像經(jīng)三床位采集而得，圖像上無(wú)明顯偽影，驗(yàn)證了多床采集功能正常。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物各組織對(duì)顯像劑的攝取和代謝是隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化的，因而對(duì)于圖像的掃描和拼接要求相較于模體實(shí)驗(yàn)更為嚴(yán)苛，因此這一性能特征單用模體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是不充分的。

圖3 通過(guò)掃描豬驗(yàn)證多床采集功能Fig.3 Verification of multi-bed acquisition function by the pig

5.4 病灶檢測(cè)能力驗(yàn)證

圖4為一只肝部種植腫瘤的兔子，該腫瘤兔的肝部種植腫瘤清晰可辨認(rèn)；且從橫斷面圖像上，進(jìn)一步可以辨認(rèn)出疑似種植時(shí)遺留在兔子腹壁的少量腫瘤組織，進(jìn)一步證明了設(shè)備的病灶檢測(cè)能力。

圖4 兔子肝部腫瘤圖像Fig.4 Images of liver tumor in the rabbit

上述示例中動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的主要目的是對(duì)產(chǎn)品的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證，考慮動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是對(duì)臨床工作流的完整測(cè)試，可以模擬臨床真實(shí)使用場(chǎng)景，有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)集成測(cè)試環(huán)節(jié)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)缺陷、安全隱患等問(wèn)題，可同時(shí)評(píng)價(jià)產(chǎn)品的安全性。

6 總結(jié)

對(duì)于PET/CT產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，模體實(shí)驗(yàn)不能反映活體中放射性藥物代謝分布情況，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)這一不足，作為模體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，用于驗(yàn)證產(chǎn)品的整體可行性非常有意義。但動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)和人體存在差異，所以不可以簡(jiǎn)單地將動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)等同。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)和性能指標(biāo)的評(píng)估上，需要充分考慮動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)的差異。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)并不能完全替代人體試驗(yàn)，或直接作為臨床人體圖像證據(jù)。在必要的情況下，還需要在人體上進(jìn)行驗(yàn)證。