医療機器設計にデジタル・ツインを活用するための5つの質問

デジタル・ツインとは、少なくとも1人の物理的な患者を計算モデルで表現したもので、その患者に対する治療を最適化することができます。このリンクは一度だけ使用することも、継続的に使用することもできます。デジタル・ツインは複数のソースから学習・更新することができ、特定の疾患、民族、年齢、性別を持つ個人または患者集団全体を再現します。また、問題を予測し、将来の計画を立てるための分析も可能です。デジタル・ツインという用語は、広く使われている別の用語、バーチャル患者の特定のサブセグメントを指しています。  

デジタル・ツインは、画期的な学術研究から医療機器設計の加速化、臨床例の予測計画まで、様々なレベルで医療を変革しています。以下の5つの質問により、医療機器の設計と運用プロセスにデジタル・ツインを組み込む方法を十分に検討することができます。  

製品ライフサイクルの初期段階において、デジタル・ツインは関連する設計インプットを収集する上で重要な役割を果たします。個々の患者を分析し、平均値とばらつきを表す統計的な形状モデルを作成することで、特定の集団とその範囲に関する解剖学的な理解が深まります。これによって、集団によりフィットする最適化された形状を持つ器具設計の改善につながります。患者集団をカバーするために必要なサイズの数を減らすことができます。

プロトタイプが設計された場合、デジタルツインは検証・妥当性確認（V&V）ステップをサポートします。仮想テストや物理テストは、患者の正確なレプリカや、平均的な患者を表す統計的な形状モデルに対して行うことができます。また、極端なケースのレビューにも適応できます。これは、可能な限り早期に潜在的なデバイスの不具合を突き止め、必要であればデジタル設計を迅速に反復し、デバイスに対する自信を深め、市販後のデバイス不具合のリスクを低減した状態で臨床試験に進むために極めて重要です。デジタル・ツインを使用してV&Vを実施することは、規制当局への申請においてより強力なケースを構築するのに役立ち、コスト削減と迅速な上市につながります（質問3を参照）。

上記の利点とは別に、デジタル・ツインを使用する際にはいくつかの制限もあります。この技術を十分に活用するためには、これらを理解することが重要です。最も重要な制約は、この技術の恩恵を受けるのに適さない研究開発プロジェクトが存在することです（質問2参照）。第二の制約は、デジタル・ツインを使用するには根本的な変革が必要だということです（質問4参照）。第三に、計算モデリングとシミュレーション（CMS）の経験が乏しい多くの人にとって、このテクノロジーはしばしば巨大なブラックボックスとみなされ、複雑さを理解し使いこなせるのは幸運な一部の人だけだという誤解があります。これは誤解であり、これらの懸念はすべて解決することができます（質問5参照）。最後に、臨床分野ではデジタル・ツインを受け入れることに抵抗があり、一部の病院では熱心に導入されているにもかかわらず、全体的には導入が遅れています。さらに詳しい情報については、Thierry Marchal氏によるMedical 3D Players Podcastをお聞きください：Medical 3D Players：Medical 3D Players: How Can Computer Simulation Save Lives?

前述したように、すべての医療機器開発プロジェクトがデジタルツインの活用に適しているわけではありません。プロジェクトが投資に値するかどうかを判断するために、まず最初に自問すべきことは以下の通りです：

• 複雑な解剖学的構造に留置されるデバイスの開発に取り組んでいますか？
• 解剖学的な理解と適合がデバイスの成功の鍵ですか？
• その革新的なアイデアを市場に出すには、（規制当局の許可を得て）長くコストのかかる道のりを経る必要がありますか？

3つの質問すべてに「はい」と答えた場合、デジタル・ツインを検討することをお勧めします。

2つ目の質問項目は、研究開発プロジェクトのどの段階にあるかというものです：

• デバイスの形状、サイズ、サイズ数などを決定するために、関連する設計インプットを集めている初期段階ですか？
• もう少し進んで、動物試験やヒト試験に移行する前に、デバイスを検証するための現実的な試験モデルをすでに作成していますか？
• あるいは、すでに臨床試験中、あるいは市販されているが、デバイスの不具合が発生し、緊急に再設計を余儀なくされていますか？

この3つの質問のいずれかがあなたの研究開発プロジェクトに当てはまるのであれば、あなたはデジタル・ツインが有効であることが証明されている製品ライフサイクルの段階にいます。プロセスの開始が早ければ早いほど、最大のメリットと投資収益率（ROI）を得られることが期待できます。

適切な特性と段階の両方を満たす研究開発プロジェクトの例としては、新しいパーソナライズド足首用インプラントの設計インプットの定義、現実的なテストセットアップで新しい三半規管置換デバイスのテスト、臨床例の高い割合で失敗した股関節インプラントの再設計などがあります。

財務上の利益は企業によって異なるため、すべての企業の投資利益率（ROI）を1つの値で計算することはほとんど不可能です。しかし、財務的利益は一般的に3つのカテゴリーに分類することができます：

• 第一に、標準的な研究開発ツールとしてデジタル・ツインを導入することで、市場投入までの時間を短縮することができます。一方では、デバイスに関するドキュメントを的確に作成することで、規制当局の時間を節約できます。また、より早く発売することは、より早い販売結果、市場シェアの拡大、収益の増加につながります。3D Players Podcastで、Thierry Marchal氏はこのことを非常にうまく表現しています： 「多くの臨床試験を行うよりも、臨床試験の前にシミュレーションの結果であるデジタル証拠を作成することができます。つまり、実際の患者に装置を埋め込む前に、多くのエビデンスを得ることができるのです」。Thierryはまた、Medtronic社がFDAからの追加質問に答えるために、従来の臨床試験の代わりにデジタル・ツインを使用することで、2年と1000万ユーロ以上を節約した例についても言及しています（本レポートで詳述）。
• 第二に、デジタル・ツインの使用は研究開発コストを削減できます。これは追加投資を必要とするため、当初は直感に反するように思えるかもしれませんが、他の領域でのコスト削減をもたらします。平均的な患者集団はどのようなもので、それをどのように定量化できるか」、「この集団の90％をカバーするために、装置はどのようなサイズを持つべきか」、「極端な症例はどのようなもので、そのデータセットをどのように入手できるか、装置はそのような症例に適しているか」などについて、デジタル・ツインが迅速な回答を提供してくれるため、高価な研究開発人件費が大幅に削減されることを考えてみてください。人件費が削減されるだけでなく、従来のV&V技術への支出も減少します。デジタル・ツインから得られるこれらの現実的なテスト準備は、より高価なラボ試験でのテストに代わる素晴らしい選択肢を提供し、より高価な動物実験、さらには人体実験に移行する前に、潜在的なデバイスの不具合をピンポイントで特定することを可能にし、必要な症例数を削減できる可能性があります。最後に、研究開発の機会費用として、デジタル・ツインから利益を得られる他の研究開発プロジェクトとの相互作用が挙げられます。
• 第三に、デジタル・ツインを活用することでリスクを軽減することができます。母集団のカバレッジを徹底的に理解することで、デバイスが期待通りに動作するという確信が高まります。言い換えれば、市場投入後の機器の不具合や、最悪の場合、製品リコールのリスクを低減することができます。さらに重要なことは、どのようなタイプの患者があなたの機器に適さず、機器が正しく作動しないリスクが高まるかを教えてくれることです。

デジタル・ツインを標準的な機器開発ツールとして導入することは大きな変革であり、多くの利害関係者を説得する必要があります。社内の複数の意思決定者は、それがどのような利益をもたらすかを理解する必要があります。説得すべき最も直接的なグループは、社内の意思決定者、リーダーシップ、薬事担当です。彼らは、デジタル・ツインの使用によって、最終的に研究開発の総コストやリスクがどのように軽減され、規制機関により強力なケースを提供することで、新しいソリューションの商業的な立ち上げがどのように加速されるかを知りたがっています（規制当局を説得する鍵）。上記で説明したROIを計算する方法論を使用し、それを研究開発プロジェクトに適用することで、経営陣に包括的なケースを示すことができます。一般的に説得を必要とするもう一つの部門は購買部門です。彼らは、投資（ツールとコスト）対ROIの分析を求めています。この分析のバリエーションは、IT部門にも役立ちます。彼らにとって、追加ツールの分析は、財務的な側面ではなく、これらのツールが何を伴うか（サービス、クラウド、デスクトップなど）と、それらを提供する企業（信頼性、トレーニング、サポートなど）に焦点を当てます。このような社内のすべてのステークホルダーに対して、デジタル・ツインに基づく研究開発が医療機器企業では当たり前になりつつあることを述べておく必要があります。バーチャルペイシェントのe-bookで、他社の参考事例を参照することができます。

一方、説得すべき外部のステークホルダーもいます。投資家や株主に対しては、ROIを強調する必要があります。特定の病院の主要なオピニオンリーダーと協力する場合は、早い段階で彼らの賛同を得ることが重要です。人口カバー率の向上と、患者に解剖学的にいかにフィットするかを指摘することで、彼らはその利点を理解し、革新的な装置の使用に対する自信を深めることができます。最後に、規制当局にもデジタル・ツインの利点を納得させる必要があります。幸いなことに、母集団をより深く理解した上での機器開発がより良い機器につながること、そして統計的母集団研究を含めることが規制機関への訴えをサポートすることを、規制機関が受け入れつつあります。

医療機器開発プロセスにおける標準的な方法論としてデジタル・ツインを導入することは、大胆な目標であり、管理しやすくするために小さな単位に分ける必要があります。そのため、まずは1つの研究開発プロジェクトから始めることをお勧めします。このR&Dプロジェクトの計画をリストアップし、デジタル・ツインの利点と限界（質問1）を確実に把握します。次に、そのプロジェクトがデジタル・ツインを適用するのに適しているかどうかを確認し（質問2）、必要であれば、適切なプロジェクトが定義されるまで反復します。次のステップとして、投資対効果を判断し（質問3）、社内外のステークホルダーを説得する計画を立てます（質問4）。この過程で、さらに以下のようないくつかの疑問が生じるかもしれません：

• どのようなリソースが必要ですか？特に特定のスキルが必要で、すでに社内にそれがありますか？
• どのような入力データが必要ですか？すでにこれらの医療画像を持っていますか、または協力できる外部ソースがありますか？
• どのようなツールが必要で、それらはすでに入手可能ですか？このプロジェクトの総費用はいくらですか（ROIと比較するために）？

これらの質問に対する答えに基づき、社内の能力レベルに応じて、適切なツール、知識、サービスを提供する外部パートナーが必要かどうかを定義する必要があるかもしれません。これらの質問に答え、計画が決まったら、このテクノロジーを徐々に導入していきます。解剖学と対象集団をよりよく理解するために少数のデジタル・ツインから始め、より広範な集団調査を続けて関連する設計インプットを定義し、集団解析の中から極端な症例を見つけてデバイスを検証する...このようにして、徐々にデジタル・ツインのデータベースと知識を構築していきます。

このパイロットプロジェクトの後、いくつかの途中段階とR&Dプロジェクトの終了時に、デジタル・ツインがこのプロセスの改善と加速にどのように役立ったかを時間をかけて評価します。このテクノロジーシフトは非常に野心的であり、当初は気後れする可能性があるため、経験豊富なパートナーにサポートしてもらうのが望ましいでしょう。これらの結果を利用して、社内外の利害関係者にこのテクノロジーの使用を継続するよう説得します。こうすることで、新しい適切な研究開発プロジェクトごとにデジタル・ツインの手法を使い続けることができます。その都度、デジタル・ツインのデータベースに追加し、デジタル・ツインの恩恵を十分に受けるための知識と専門性を強化し続けることを忘れないでください。