體外診斷設備使用期限影響因素及評價探討

【作 者】牟鵬濤，張克，蔣碩

山東省醫療器械產品質量檢驗中心 醫用電器室，濟南市，250101

0 引言

醫療器械是一種與人身健康安全直接相關的高風險特殊產品，在我國實行注冊管理制度，根據國家藥品監督管理部門的有關文件規定，有源醫療器械在產品注冊申報時應當說明產品的有效期或使用次數并提供相關的驗證報告。如何科學評價和制定產品的使用期限，既保證有效期內產品安全、有效，又盡最大可能地使用產品、提高利用率，是擺在生產者面前的一個現實問題。作為一類臨床上常用的醫療器械，體外診斷設備通常用于測定各種人體生化指標，它結構組成較為復雜，十分具有代表性，我們以一種體外診斷設備為例，就其使用期限影響因素及評價進行探討。

1 體外診斷設備構成

體外診斷設備通常用于對人體樣本（如血液、體液、組織等）進行檢測而獲取臨床診斷信息，進而判斷疾病或機體功能。許多全自動化體外診斷設備完全模仿并代替了手工操作，不僅提高了工作效率，而且減少了測試誤差，提高了測試結果的準確度與精密度。典型的體外診斷設備系統構成，在結構上通常由光學系統、機械運動系統、液路系統、電子控制系統和軟件系統等組成?？梢钥闯觯w外診斷設備在產品結構上是一個較為復雜的系統，涉及到機械、光電、微電子、通信等多領域，這也必然導致分析相關設備使用期限的復雜性。

2 使用期限主要影響因素和評價方式與路徑分析[1]

2.1 主要影響因素

確定有源醫療器械的使用期限主要考慮以下幾個方面的影響因素：關鍵部件的壽命、使用頻率和強度、運輸存儲及使用環境、清洗消毒滅菌影響、部件維護維修情況、經驗數據及商業因素等，下面對體外診斷設備使用期限的影響因素進行分析。

（1）關鍵部件

對于體外診斷設備而言，通過表1對典型產品的分析，明確了其基本結構和功能模塊。按照功能模塊主要包括進樣模塊、控制模塊、檢測模塊和數據處理模塊等；按照結構分析主要包括機械部分、光學部分、電路部分、軟件等。確定主要部件的使用期限可采用加速老化、疲勞試驗、仿真建模等方式，不同結構可采用的評價方法，如表1所示。在評估關鍵部件時，除了考慮關鍵部件的安全有效性能隨時間的退化，還要考慮這些部件之間是否存在著相互作用，從而導致部件的預期安全有效性能退化，另外還要考慮生產、制造過程對部件壽命的影響。

表1 不同結構的使用期限評價方法Tab.1 Evaluation method for service life of different structures

（2）使用頻率和強度

在同等環境條件下，使用頻率和強度對設備壽命的影響是必然的，如引言所述，體外診斷設備在醫療機構屬于常用設備，日均連續使用時間約在6 h以上，使用頻率高，這是影響儀器使用期限的關鍵因素。

（3）運輸存儲及使用環境

體外診斷設備預期使用環境通常是在醫療機構固定的化驗室內，環境溫濕度及氣壓等相對穩定，考慮該類設備隨機文件中通常規定的運輸、存儲和使用環境，其壽命受氣候環境和機械條件影響不大，通過風險分析后運輸和存儲使用環境不會對產品產生不利影響，因此運輸存儲及使用環境可不作為體外診斷設備使用期限考慮的內容。

（4）清洗消毒和滅菌體外診斷設備整機基本不涉及清洗消毒和滅菌，主要是對一些部件如采樣部件、反應部件、清洗部件、攪拌部件等需進行檢查和清洗，清洗方式通常比較簡單，不涉及腐蝕性材料和對儀器使用期限產生影響的方式，但是清洗頻次高，可能每測量一次需進行一次清洗，因此需考慮清洗對使用期限的影響。

（5）維護維修情況

一般而言，醫用儀器設備通常由生產商指定的維修人員進行維修，不允許使用者擅自拆裝、改裝產品或者客戶委托非本公司指定的維修人員維修、拆卸產品，可避免部件維護維修在人員方面存在的風險。

除上述影響因素外，經驗數據及商業原因等通常也是制造商制定使用期限會考慮的因素，此文不予分析考慮。

2.2 評價方式與路徑

評價方式主要有兩種，可以根據經驗分析預先假定儀器的使用期限值，然后通過一種或多種方法進行驗證證明預先假定值是否合理，另一種是不預先設定期限值，通過一種或多種方法最終確定產品的使用期限。在評價路徑的選擇上，可以直接對儀器進行驗證，也可以通過將儀器分解為不同的子系統或部件的方式分別進行評價，從而最終確定儀器整體的使用期限。

3 一種生化分析儀使用期限評價方法介紹[2-4]

下面以某公司生產的一臺QC-100型全自動生化分析儀為樣品，舉例介紹一種使用期限的評價方法。

（1）產品信息：全自動生化分析儀，型號：QC-100。

（2）評價方式：預先設定產品使用期限值7年，通過驗證證明預先設定值是否合理。

（3）評價路徑分析及選擇：生化分析儀產品結構較為復雜，不同結構宜采用不同的評價方法，因此選擇將產品分解為不同子系統/部件的方式進行評價。

（4）產品使用狀態和使用環境產品使用頻率一般每天連續工作時間不超過6個小時，使用環境較為穩定，主要是醫療機構化驗檢驗室，環境溫度范圍：22～27 ℃，相對濕度范圍：30%～60%，大氣壓力范圍：75～106 kPa。

（5）影響因素

關鍵部件：產品主要由機械結構、光學系統、電路系統和嵌入式軟件組成；供電方式屬于交流220 V、50 Hz普通網電源供電，供電電源電壓變化對產品使用期限有較大影響。

使用頻率和強度：根據絕大多數醫療機構的使用情況，生化分析儀每天的連續工作時間一般不超過6 h，則7年共工作15 330 h（6 h/d×365 d/年×7年）。

運輸、貯存環境：溫度-20～35 ℃；相對濕度≤85%；大氣壓力70～106 kPa。產品生產與儲存主要發生在制造商的生產部門，環境控制等同于使用方，而運輸的環境范圍的極端條件，通過GB/T 14710—2009《醫用電器環境要求及試驗方法》標準規定的方法進行符合性驗證，確認對產品無影響。綜上，通過風險分析后，運輸、儲存及使用環境條件并不會對產品產生不利影響，可不作為使用期限判定的重點內容。

清洗/消毒/滅菌：隨機文件載明的清潔保養方式為每次使用后應用微潮或干抹布擦拭以進行表面清潔，不存在清潔劑對產品腐蝕、破壞的情況。儀器內部的自動清洗對使用期限產生的影響，可通過疲勞和加速試驗進行模擬。

維修維護：產品維修由生產商指定的維修人員進行，不允許使用者擅自拆裝、改裝產品，或者客戶委托非本公司指定的維修人員維修、拆卸產品，可避免部件維護維修方面存在的風險。

商業因素：不予考慮。

（6）評價方案

首先，通過分析選擇，對機械結構部分進行疲勞測試，對嵌入式軟件進行模型分析，確認滿足7年使用期限。對電路部分和光學結構進行加速老化試驗，在38 ℃的固定溫度、85%的固定濕度的環境條件，以及110%額定電源電壓供電的條件下進行加速老化。該溫度、濕度、供電情況是在綜合考慮了產品可正常使用的極限環境、供電情況，可避免各部件產生不可逆轉的損壞以及材料發生不可逆轉的物理轉化。

同時考慮溫度、濕度影響，選用Hallberg-Peck模型，其加速因子計算式（1）如下：

其中，

Af1——加速因子；

Lu——使用應力下的壽命；

Lt——加速應力下的壽命；

Tu——使用環境絕對溫度；

Tt——加速應力下的絕對溫度；

Ea——激活能，單位eV，綜合考慮后，取0.68 eV；

k——Boltzmann常數，8.617×10-5eV/K；

RHu——使用條件下的相對濕度值；

RHt——加速條件下的相對濕度值；

m——濕度影響指數，選取為3.0。

結合前文的分析，使用環境取室溫23oC，即絕對溫度Tu取296 K，加速應力下的溫度取38oC，即絕對溫度Tt取311 K，使用條件下的相對濕度值RHu取常值45%，加速條件下的相對濕度值RHt取設備最大允許值85%。將各參數取值代入式（1），計算得出加速因子Af1=24.38。

考慮電應力加速效果，使用逆冪律模型，其加速因子計算式（2）如下：

其中，

Vt——加速試驗電應力（電壓、電流等）；

Vu——正常工作電應力（電壓、電流等）；

β——電應力加速率常數，通常在0.5到1.0之間，此處取1.0。

結合前文的說明，設備正常工作電應力Vu為220 V；根據體外診斷設備電氣安全標準GB 4793.1—2007規定，設備至少能在電源電壓波動+10%條件下使用是安全的，因此加速試驗電應力Vt取242 V（220 V+10%）。將參數取值代入式（2），計算得出電應力加速因子Af2=1.1。

綜上分析，總加速因子取A f=A f1×A f2=2 4.3 8×1.1=2 6.8；6 h/d×3 6 5 d/年×1 年/2 6.8=3.4 d，即加速條件下每測試3.4 d相當于正常條件下使用1年，則7年使用條件下使用期限對應的加速應力下的時間為23.8 d。

全自動生化分析儀每經模擬1年加速老化和疲勞試驗后，對設備的關鍵指標包括加樣準確性、攜帶污染率、穩定性、重復性、精密度進行驗證，確認滿足產品設計要求，經模擬7年加速老化和疲勞試驗后，各關鍵指標仍符合要求，由此可判定該生化分析儀符合7年使用期限的要求。

4 討論和總結

體外診斷設備是一種非常具有代表性的常用的臨床醫療器械，結合其主要構成，分析了使用期限的主要影響因素，并以某型號全自動生化分析儀為例詳細介紹了一種加速老化的評價方法。對于大多數體外診斷設備而言，它們的主要結構組成和臨床使用情況與生化分析儀基本一致，因此，我們介紹的內容也可用于評價其它體外診斷設備使用期限。當然，由于醫用設備產品使用期限的概念在我國提出僅有幾年的時間，相關研究評價工作仍處于初步階段，如何科學有效地認知、制定醫療設備使用期限，監管機構和生產企業還在不斷的摸索、總結，生產企業可以探索確定和修正產品使用期限的方法，根據自身產品的具體情況選擇其他適用方法對預期使用期限進行評價。