体外诊断设备使用期限影响因素及评价探讨

【作 者】牟鹏涛，张克，蒋硕

山东省医疗器械产品质量检验中心 医用电器室，济南市，250101

0 引言

医疗器械是一种与人身健康安全直接相关的高风险特殊产品，在我国实行注册管理制度，根据国家药品监督管理部门的有关文件规定，有源医疗器械在产品注册申报时应当说明产品的有效期或使用次数并提供相关的验证报告。如何科学评价和制定产品的使用期限，既保证有效期内产品安全、有效，又尽最大可能地使用产品、提高利用率，是摆在生产者面前的一个现实问题。作为一类临床上常用的医疗器械，体外诊断设备通常用于测定各种人体生化指标，它结构组成较为复杂，十分具有代表性，我们以一种体外诊断设备为例，就其使用期限影响因素及评价进行探讨。

1 体外诊断设备构成

体外诊断设备通常用于对人体样本（如血液、体液、组织等）进行检测而获取临床诊断信息，进而判断疾病或机体功能。许多全自动化体外诊断设备完全模仿并代替了手工操作，不仅提高了工作效率，而且减少了测试误差，提高了测试结果的准确度与精密度。典型的体外诊断设备系统构成，在结构上通常由光学系统、机械运动系统、液路系统、电子控制系统和软件系统等组成。可以看出，体外诊断设备在产品结构上是一个较为复杂的系统，涉及到机械、光电、微电子、通信等多领域，这也必然导致分析相关设备使用期限的复杂性。

2 使用期限主要影响因素和评价方式与路径分析[1]

2.1 主要影响因素

确定有源医疗器械的使用期限主要考虑以下几个方面的影响因素：关键部件的寿命、使用频率和强度、运输存储及使用环境、清洗消毒灭菌影响、部件维护维修情况、经验数据及商业因素等，下面对体外诊断设备使用期限的影响因素进行分析。

（1）关键部件

对于体外诊断设备而言，通过表1对典型产品的分析，明确了其基本结构和功能模块。按照功能模块主要包括进样模块、控制模块、检测模块和数据处理模块等；按照结构分析主要包括机械部分、光学部分、电路部分、软件等。确定主要部件的使用期限可采用加速老化、疲劳试验、仿真建模等方式，不同结构可采用的评价方法，如表1所示。在评估关键部件时，除了考虑关键部件的安全有效性能随时间的退化，还要考虑这些部件之间是否存在着相互作用，从而导致部件的预期安全有效性能退化，另外还要考虑生产、制造过程对部件寿命的影响。

表1 不同结构的使用期限评价方法Tab.1 Evaluation method for service life of different structures

（2）使用频率和强度

在同等环境条件下，使用频率和强度对设备寿命的影响是必然的，如引言所述，体外诊断设备在医疗机构属于常用设备，日均连续使用时间约在6 h以上，使用频率高，这是影响仪器使用期限的关键因素。

（3）运输存储及使用环境

体外诊断设备预期使用环境通常是在医疗机构固定的化验室内，环境温湿度及气压等相对稳定，考虑该类设备随机文件中通常规定的运输、存储和使用环境，其寿命受气候环境和机械条件影响不大，通过风险分析后运输和存储使用环境不会对产品产生不利影响，因此运输存储及使用环境可不作为体外诊断设备使用期限考虑的内容。

（4）清洗消毒和灭菌体外诊断设备整机基本不涉及清洗消毒和灭菌，主要是对一些部件如采样部件、反应部件、清洗部件、搅拌部件等需进行检查和清洗，清洗方式通常比较简单，不涉及腐蚀性材料和对仪器使用期限产生影响的方式，但是清洗频次高，可能每测量一次需进行一次清洗，因此需考虑清洗对使用期限的影响。

（5）维护维修情况

一般而言，医用仪器设备通常由生产商指定的维修人员进行维修，不允许使用者擅自拆装、改装产品或者客户委托非本公司指定的维修人员维修、拆卸产品，可避免部件维护维修在人员方面存在的风险。

除上述影响因素外，经验数据及商业原因等通常也是制造商制定使用期限会考虑的因素，此文不予分析考虑。

2.2 评价方式与路径

评价方式主要有两种，可以根据经验分析预先假定仪器的使用期限值，然后通过一种或多种方法进行验证证明预先假定值是否合理，另一种是不预先设定期限值，通过一种或多种方法最终确定产品的使用期限。在评价路径的选择上，可以直接对仪器进行验证，也可以通过将仪器分解为不同的子系统或部件的方式分别进行评价，从而最终确定仪器整体的使用期限。

3 一种生化分析仪使用期限评价方法介绍[2-4]

下面以某公司生产的一台QC-100型全自动生化分析仪为样品，举例介绍一种使用期限的评价方法。

（1）产品信息：全自动生化分析仪，型号：QC-100。

（2）评价方式：预先设定产品使用期限值7年，通过验证证明预先设定值是否合理。

（3）评价路径分析及选择：生化分析仪产品结构较为复杂，不同结构宜采用不同的评价方法，因此选择将产品分解为不同子系统/部件的方式进行评价。

（4）产品使用状态和使用环境产品使用频率一般每天连续工作时间不超过6个小时，使用环境较为稳定，主要是医疗机构化验检验室，环境温度范围：22～27 ℃，相对湿度范围：30%～60%，大气压力范围：75～106 kPa。

（5）影响因素

关键部件：产品主要由机械结构、光学系统、电路系统和嵌入式软件组成；供电方式属于交流220 V、50 Hz普通网电源供电，供电电源电压变化对产品使用期限有较大影响。

使用频率和强度：根据绝大多数医疗机构的使用情况，生化分析仪每天的连续工作时间一般不超过6 h，则7年共工作15 330 h（6 h/d×365 d/年×7年）。

运输、贮存环境：温度-20～35 ℃；相对湿度≤85%；大气压力70～106 kPa。产品生产与储存主要发生在制造商的生产部门，环境控制等同于使用方，而运输的环境范围的极端条件，通过GB/T 14710—2009《医用电器环境要求及试验方法》标准规定的方法进行符合性验证，确认对产品无影响。综上，通过风险分析后，运输、储存及使用环境条件并不会对产品产生不利影响，可不作为使用期限判定的重点内容。

清洗/消毒/灭菌：随机文件载明的清洁保养方式为每次使用后应用微潮或干抹布擦拭以进行表面清洁，不存在清洁剂对产品腐蚀、破坏的情况。仪器内部的自动清洗对使用期限产生的影响，可通过疲劳和加速试验进行模拟。

维修维护：产品维修由生产商指定的维修人员进行，不允许使用者擅自拆装、改装产品，或者客户委托非本公司指定的维修人员维修、拆卸产品，可避免部件维护维修方面存在的风险。

商业因素：不予考虑。

（6）评价方案

首先，通过分析选择，对机械结构部分进行疲劳测试，对嵌入式软件进行模型分析，确认满足7年使用期限。对电路部分和光学结构进行加速老化试验，在38 ℃的固定温度、85%的固定湿度的环境条件，以及110%额定电源电压供电的条件下进行加速老化。该温度、湿度、供电情况是在综合考虑了产品可正常使用的极限环境、供电情况，可避免各部件产生不可逆转的损坏以及材料发生不可逆转的物理转化。

同时考虑温度、湿度影响，选用Hallberg-Peck模型，其加速因子计算式（1）如下：

其中，

Af1——加速因子；

Lu——使用应力下的寿命；

Lt——加速应力下的寿命；

Tu——使用环境绝对温度；

Tt——加速应力下的绝对温度；

Ea——激活能，单位eV，综合考虑后，取0.68 eV；

k——Boltzmann常数，8.617×10-5eV/K；

RHu——使用条件下的相对湿度值；

RHt——加速条件下的相对湿度值；

m——湿度影响指数，选取为3.0。

结合前文的分析，使用环境取室温23oC，即绝对温度Tu取296 K，加速应力下的温度取38oC，即绝对温度Tt取311 K，使用条件下的相对湿度值RHu取常值45%，加速条件下的相对湿度值RHt取设备最大允许值85%。将各参数取值代入式（1），计算得出加速因子Af1=24.38。

考虑电应力加速效果，使用逆幂律模型，其加速因子计算式（2）如下：

其中，

Vt——加速试验电应力（电压、电流等）；

Vu——正常工作电应力（电压、电流等）；

β——电应力加速率常数，通常在0.5到1.0之间，此处取1.0。

结合前文的说明，设备正常工作电应力Vu为220 V；根据体外诊断设备电气安全标准GB 4793.1—2007规定，设备至少能在电源电压波动+10%条件下使用是安全的，因此加速试验电应力Vt取242 V（220 V+10%）。将参数取值代入式（2），计算得出电应力加速因子Af2=1.1。

综上分析，总加速因子取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，即加速条件下每测试3.4 d相当于正常条件下使用1年，则7年使用条件下使用期限对应的加速应力下的时间为23.8 d。

全自动生化分析仪每经模拟1年加速老化和疲劳试验后，对设备的关键指标包括加样准确性、携带污染率、稳定性、重复性、精密度进行验证，确认满足产品设计要求，经模拟7年加速老化和疲劳试验后，各关键指标仍符合要求，由此可判定该生化分析仪符合7年使用期限的要求。

4 讨论和总结

体外诊断设备是一种非常具有代表性的常用的临床医疗器械，结合其主要构成，分析了使用期限的主要影响因素，并以某型号全自动生化分析仪为例详细介绍了一种加速老化的评价方法。对于大多数体外诊断设备而言，它们的主要结构组成和临床使用情况与生化分析仪基本一致，因此，我们介绍的内容也可用于评价其它体外诊断设备使用期限。当然，由于医用设备产品使用期限的概念在我国提出仅有几年的时间，相关研究评价工作仍处于初步阶段，如何科学有效地认知、制定医疗设备使用期限，监管机构和生产企业还在不断的摸索、总结，生产企业可以探索确定和修正产品使用期限的方法，根据自身产品的具体情况选择其他适用方法对预期使用期限进行评价。