醫用制氧機使用期限的驗證和分析及建議

李娟，賴玉菡，瞿倩，張磊(通信作者)

四川省藥品檢驗研究院(四川省醫療器械檢測中心) (四川成都 611731)

近年來，在針對醫用制氧機的國家級抽驗、省級抽驗中，發現其氧濃度基本滿足制造商公布的要求，但是針對在用制氧機的檢驗中，發現其氧濃度不能滿足制造商公布的濃度要求。在注冊型式檢驗中，針對絕大多數產品，均未對其壽命進行測試，僅依賴于企業說明書的聲稱。醫用制氧機雖然不屬于高值醫療器械，但是其使用場合廣泛，且患者群體涉及面廣。當產品存在質量問題時，若在保修期內，則有途徑對問題進行解決；若已脫保，則往往維修困難；若產品持續工作，可靠性不足，性能指標降低，則可能對患者造成傷害。基于此，本研究對醫用制氧機進行試驗及質量分析，驗證醫用制氧機在其聲稱使用期限內關鍵性能參數的符合性，分析影響制氧機電氣安全、性能、功能的關鍵指標，提出使用期限驗證的基本方法與思路，通過分析驗證結果，尋找影響制氧機使用期限的因素并給出改善建議供制造商參考，為有關單位的下一步抽驗工作提供指導依據，為監管者提供監管依據。

1 試驗方法及過程

醫用制氧機主要由電子元器件組成，不同的電子元器件或組件有相應的使用期限，部分關鍵元器件會隨時間產生累積的老化、磨損情況，而隨著制氧機的持續老化和磨損，會導致設備效率下降，安全防護系統失效。

1.1 試驗方法

本研究方案參考GB/T 34986-2017《產品加速試驗方法》及相關文獻[1-3]，采用高加速應力試驗(highly accelerated stress test，HAST)，即為了縮短產品的試驗時間而顯著地增大施加在產品上的應力量值的試驗。

1.2 試驗過程

選取試驗樣品(醫用制氧機均取得注冊證)，通過整機壽命加速試驗分析驗證的方法評價驗證試驗樣品是否滿足產品銘牌標識的使用期限(標識5年)，為了方便同期對比，試驗根據產品銘牌的壽命(或典型認可)——5年進行分析計算。

1.2.1壽命5年的分析計算過程

試驗樣品均為上市醫療器械，銘牌上均未標識運行模式，按GB 9706.1-2007《醫用電氣設備 第1部分：安全通用要求》6.1m)運行模式的要求，若無標記，則認為設備是連續運行；且小型醫用制氧機使用場合多為門診(非住院部，晚上不工作)，按設備連續運行的模式，每天連續工作8 h，以一年250個工作日為工作時間作為計算依據，則壽命周期內的總工作時間為8×250×5=10 000 h，考慮到極限使用方式及使用頻率的差異，取1.2倍裕量因子，則總試驗時間為10 000×1.2=12 000 h。

1.2.2加速應力確定

整機加速壽命試驗重點驗證系統集成后整機的壽命，此部分驗證對象均為電子電器類的部件，壽命周期內經歷的環境應力主要為高溫及高濕導致的老化失效。根據使用說明書宣稱及GB 9706.1-2007中4.5的規定，醫用制氧機的正常工作溫度取23 ℃，濕度取60%RH，該設備使用的電子元器件中商業元器件的工作溫度范圍為0～+70 ℃，工業級元器件的工作溫度范圍為-40～+85 ℃。綜合考慮元器件可維持正常工作的溫、濕度范圍，本次加速壽命試驗應力選取60 ℃、80%RH的高溫、高濕組合應力。

1.2.3加速因子計算

高溫、高濕加速服從Hallberg-Peck模型(在阿倫尼斯模型基礎上增加濕度應力的影響)，加速因子計算如下：

其中，Tuse為正常條件下的溫度(K)，Tuse=23+273(K)；Tstress為應力條件下的溫度(K)，Tstress=60+273(K)；RHuse為正常條件下的濕度(%RH)，RHuse=60%；RHstress為應力條件下的濕度(%RH)，RHstress=80%；Ea為激活能，Ea=0.6 eV；m為濕度影響指數，m=2；KB為波爾茲曼常數，KB=8.6173×10-5eV/K。

將上述值代入模型中，即可求出加速因子約為24.26。

1.2.4整機加速試驗時間計算

整機加速試驗時間為總試驗時間/加速因子，即12 000 h/24.26≈495 h(整機加速試驗分為5個周期進行，每個周期的加速試驗時間為495 h/5=99 h)

1.2.5試驗樣品數量統計

由于存在抽樣風險，因此，為使試驗結果具有統計意義，選取5臺已上市醫用制氧機進行整機測試。

1.2.6試驗樣品工作狀態分析

在加速試驗過程中，醫用制氧機處于正常運行狀態，在測試程序的控制下，模擬正常工作過程周期性循環運轉。

1.2.7接受準則

基本電氣安全(依據GB 9706.1-2007)應符合GB 9706.1-2007中條款7.1、15b)、19的要求。

基本性能(依據產品技術要求規定及實際使用需求)，醫用制氧機：氧濃度≥90%；試驗過程中設備各部分應正常工作(判斷設備各個控制部件功能是否完好，顯示屏顯示內容是否正常，是否影響正常操作功能，按鈕操作是否準確，能否通過正常操作完成功能)。

在每個加速試驗周期完成后，應對基本性能進行功能驗證。

在進行整機加速壽命試驗前應按照上述接受準則進行驗證，符合準則要求后，再按照加速試驗方案進行試驗。

2 結果

整機加速壽命試驗前、中、后的測試結果見表1～3。(1)試驗中：在第1輪試驗后，有1臺樣品氧濃度低于80%，隨后每一輪試驗后逐漸降低(第5輪試驗后低于30%)，其他功能和安全性均滿足要求，該樣品不滿足1年的使用期限；另外1臺樣品在第3輪試驗后氧濃度低于30%，其他功能和安全性均滿足要求，該樣品滿足2年的使用期限，不滿足整機5年使用期限。(2)試驗后：有3臺樣品功能、性能、安全性均滿足要求，符合整機5年的使用期限。

表1 整機加速壽命試驗前的測試結果

表2 整機加速壽命試驗中的測試結果

續表2

續表2

表3 整機加速壽命試驗后的測試結果

3 分析

通過對試驗結果的分析，總結如下。(1)可能影響醫用制氧機使用期限的因素有與氧氣濃度有關的關鍵元器件本身的使用期限；設計過程中的防護措施，如軟件檢測工作環境；上市后產品缺乏后期的監管和維護，不能保持產品的持續有效。(2)大部分醫用制氧機是Ⅱ類結構+塑料外殼，根據安規測試項目分析，產品結構基本可以保證基本安全；由試驗結果可知，安全指標在經過幾個階段的試驗后并沒有明顯的降低，故現有產品設計都能滿足聲稱使用期限內安規指標的要求。(3)5臺樣品中1臺有設計報警功能，當溫度過高時，報警啟動，設備停止工作，進入待機模式，當溫度恢復后測試氧濃度滿足要求。(4)氧濃度低于30%的2臺樣品，其中1臺在第1輪試驗后性能下降[氧濃度正常值為(93±3)%]，且隨著每一輪試驗氧濃度逐步下降(圖1)，該樣品在第1輪試驗后性能指標異常，說明該產品不滿足1年使用期限，由于電子產品大概率會在第1年內出故障，如第1年正常則使用期限內都能正常使用，此類1年內故障的情況經老化試驗應能夠檢測出來，故合理懷疑可能是產品出廠前老化試驗未做到位或者老化方案待改善；另外1臺在第3輪試驗后氧濃度直接下降至28%(圖2)，該產品滿足2年預期使用，此種情況合理懷疑是虛標高了使用期限，建議優化設計提升使用年限。

圖1 樣品1每輪試驗后的氧濃度

圖2 樣品5每輪試驗后的氧濃度

4 建議

(1)通常情況下，醫用制氧機的使用期限應通過參考同類產品、預估產品更新等方法制定，或以其采購的元器件產品的壽命來確定總裝產品的壽命，隨機文件不能無依據隨機標稱醫療設備的使用期限，切勿未經驗證直接參考其他廠家隨意標識。(2)醫用制氧機氧濃度有所下降，而電氣安全指標未受影響，此種情況不會造成電氣安全風險，但在某些對氧濃度要求很高的場所尤其應杜絕此種情況；由于氧濃度是醫用制氧機的重要臨床指標，不滿足宣稱的濃度可能會影響臨床效果，嚴重時可能導致不可接受的風險，因此，對于制造商而言，建議在隨機文件內規定定期維護、保養和檢查的方法和措施，以便不定期檢測當前氧濃度是否符合使用要求。(3)在進行內部研發時，制造商應特別關注對關鍵性能有影響的重要元器件，在項目需求階段應制定預期使用期限，選擇滿足要求的元器件，或者從軟件設計上實現對重要元器件的防護(如軟件設置報警等措施)，從設計源頭上解決問題。(4)對于故障和不滿足要求的設備，需要重點關注并維護與性能指標相關的元器件，需要對主要元器件或部件進行研究，建議通過定期維護、定期更換相關元器件來維持醫療設備的預期使用期限；若受條件限制不可更換，則應在說明書及風險管理文檔中說明此類部件的購買及更換方法。(5)當外部有類似事件時(如美國FDA官網產品召回)，或者質量控制或售后反饋有異常時，首先自查產品，查找、分析原因，采用多樣品驗證是屬于個別情況還是大概率事件，納入質量監督計劃，分析原因后再次驗證，找到解決方案，穩步提升產品質量。(6)針對使用方，建議制定控制計劃，保證氧濃度，如縮短檢定的周期或購買氧濃度計不定期抽查氧濃度。(7)針對制造商，需要考慮整機驗證的局限性，從更多方面(如失效模式與影響分析、過程失效模式與影響分析、設計失效模式與影響分析等)進行分析，從源頭上保證產品的質量，且售后可定期做回訪，收集使用方反饋信息并進行分析，持續改進。(8)醫用制氧機除了滿足聲稱使用期限的要求，因其為注冊醫療器械產品，同時也需滿足相應的醫療器械標準要求，本次試驗樣品中有1臺設備為Class Ⅰ，有3臺設備為B型應用部分，不符合IEC/EN 60601-1-11家用醫療設備要求，即不能為Class Ⅰ且應用部分需要為F型應用部分，結構滿足防水IP22及以上要求，故針對家用型醫用制氧機的設計同時需要考慮以上3個要求；GB 9706.1-2007要求電源線53 RVV及以上(該要求適用于任何醫療器械)，試驗樣品中個別設備電源線為家用型電源線(52 RVV)，不滿足標準要求，而使用低于醫療絕緣要求的電源線可能影響產品使用期限內的基本安全。

在當今全球新型冠狀病毒肺炎疫情的嚴峻局勢下，醫用制氧機的出口需求巨大，建議制造商在設計階段納入現有適用的國際標準要求，設計、生產滿足國內及國際標準要求的高質量制氧機，保證制氧機在其使用期限內滿足電氣安全、性能指標均符合要求。