高流量濕化氧療裝備的有效使用期限評(píng)價(jià)方法研究

鄧振進(jìn)，劉向榮，黃海萍，曹俐，吳碧濤，周宇，徐勤鵬，劉煒

1. 湖南省醫(yī)療器械檢驗(yàn)檢測(cè)所，湖南 長(zhǎng)沙 410011；2. 湖南明康中錦醫(yī)療科技發(fā)展有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000

引言

氧療系統(tǒng)是PICU呼吸系統(tǒng)疾病治療中常用的手段[1]。傳統(tǒng)氧療采用鼻導(dǎo)管或面罩吸氧，吸入的氧氣難以達(dá)到足夠的濕化程度和溫度，同時(shí)吸入氧氣流速受到限制。經(jīng)鼻高流量濕化氧療（High-Flow Nasal Cannula Oxygen Therapy，HFNC）是一種通過(guò)加溫呼吸管路和鼻塞導(dǎo)管將一定氧濃度的空氧混合高流量氣體輸送給患者的一種氧療技術(shù)[2]，可提供溫度在31～37℃、氧流量在2～80 L/min以及氧濃度在21%～100%的混合氣體[3]，其克服了傳統(tǒng)氧療的缺陷，并發(fā)癥少，能更好地改善氧合，保障氣道濕化[4]，耗氧量低、舒適性和依從性上相比傳統(tǒng)氧療有巨大優(yōu)勢(shì)。研究表明，與標(biāo)準(zhǔn)氧療相比，應(yīng)用HFNC的患者的氣管插管比例和病死率更低[5]；長(zhǎng)期進(jìn)行家庭氧療的慢性阻塞性肺疾病患者中，輔助予以HFNC治療可減少病情惡化，改善晚期慢性阻塞性肺病患者的臨床狀況[6]。

然而，HFNC裝備研究處于起步階段，在功能設(shè)計(jì)上有重大突破[7]，但國(guó)產(chǎn)裝備相對(duì)進(jìn)口產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、可靠性低等弊端仍然存在，技術(shù)水平亟需提升[8]。根據(jù)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局令第6號(hào)《醫(yī)療器械說(shuō)明書(shū)和標(biāo)簽管理規(guī)定》和《醫(yī)療器械注冊(cè)申報(bào)資料要求》的要求，說(shuō)明書(shū)和標(biāo)簽都應(yīng)注明“使用期限”，因此通過(guò)加速試驗(yàn)研究有效使用期限評(píng)估方法很有必要。

1 基本評(píng)價(jià)方案

對(duì)HFNC的使用期限評(píng)價(jià)，主要參考《有源醫(yī)療器械使用期限注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則》中的路徑1開(kāi)展，即以整機(jī)為對(duì)象，直接對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行使用狀態(tài)列舉，分析出臨床使用的情況，直接進(jìn)行產(chǎn)品的加速老化試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)參考臨床使用頻率和強(qiáng)度、使用環(huán)境的要求。

1.1 HFNC裝備的預(yù)期使用期限

參考行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品的可靠性水平，以及醫(yī)院的實(shí)際使用需求，將HFNC裝備的預(yù)期使用期限定義為5年，并定義其5年可靠度為不低于90%，即可靠壽命t0.9≥5年。

本評(píng)價(jià)中，只考慮HFNC裝備5年內(nèi)與工作頻次和強(qiáng)度相關(guān)的應(yīng)力引起的老化問(wèn)題，不考慮非工作期間的自然環(huán)境應(yīng)力引起的材料老化問(wèn)題。

1.2 產(chǎn)品臨床使用情況分析

根據(jù)HFNC裝備使用說(shuō)明書(shū)來(lái)確定使用應(yīng)力條件，推薦正常工作環(huán)境溫度20℃，濕度：65%，推薦設(shè)置正常流量：40 L/min，工作電壓：～220 V。

由于HFNC裝備在醫(yī)院使用中，一般可以認(rèn)為全年無(wú)休，每天間歇工作，一天內(nèi)時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)12 h。

1.3 常規(guī)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證HFNC裝備在正常工況條件下的可靠壽命t0.9≥5年，需要制定一個(gè)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。由于被評(píng)價(jià)對(duì)象尚無(wú)長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)支撐，因此無(wú)法判斷其故障分布形態(tài)，在本方案中不對(duì)其分布形態(tài)進(jìn)行假設(shè)。

1.4 故障定義

如試驗(yàn)過(guò)程中或試驗(yàn)后對(duì)樣品的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)氣體流量、氧氣濃度和呼氣正壓不滿足聲稱的精度要求的，則視為故障。

2 加速試驗(yàn)

2.1 加速方式與加速應(yīng)力類(lèi)型

由于試驗(yàn)為評(píng)價(jià)產(chǎn)品的壽命指標(biāo)類(lèi)的試驗(yàn)，參考GB/T 34986-2017，采用B類(lèi)和C類(lèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行加速，即先核算5年HFNC裝備的實(shí)際工作時(shí)間，再在此基礎(chǔ)上施加額外應(yīng)力。

另外，影響HFNC使用壽命的主要部件有電源、電池、空氧混合器、主機(jī)電路板、高精度流量傳感器、渦輪、顯示器，這些部件的壽命主要由工作電壓和環(huán)境因素來(lái)決定。參考從HFNC裝備本身構(gòu)成部件及材料的失效機(jī)理分析，還存在材料在自然氣候中溫度和濕度影響下的老化、電子元器件在電應(yīng)力作用下的老化，因此，可以施加溫度、濕度、電壓等應(yīng)力來(lái)進(jìn)行B類(lèi)加速[9]。

2.2 事件壓縮的加速計(jì)算

醫(yī)院屬較特殊的使用場(chǎng)合，按全年無(wú)休計(jì)算，HFNC裝備一年的工作時(shí)間約為365 d×12 h/d=4380 h，故其5年內(nèi)的實(shí)際使用時(shí)長(zhǎng)約為4380 h/y×5 y=21900 h。即工作可靠壽命t0.9≥21900 h。1.3中制定的試驗(yàn)方案具體化為：使用10臺(tái)HFNC裝備樣品，進(jìn)行21900 h的試驗(yàn)，如果0失效，則有0.65的置信度認(rèn)為HFNC裝備的可靠度滿足0.9的要求。

2.3 應(yīng)力加速的模型選擇

試驗(yàn)可以采用溫度、濕度、電應(yīng)力、溫度變化4種加速應(yīng)力條件，這4類(lèi)應(yīng)力在對(duì)電子部件為主體并包含大量高分子材料的HFNC裝備產(chǎn)品的加速作用上，可以參考以下4類(lèi)加速模型，本試驗(yàn)僅采用前3種加速應(yīng)力條件。

（1）溫度加速因子：溫度的加速因子由 Arrhenius模型計(jì)算，見(jiàn)公式(1)[10]。

其中，TAF——溫度加速因子，k——玻爾茲曼常數(shù)（k=8.617×10-5eV/K），Ea——激活能（eV），Tnormal——室溫絕對(duì)溫度，Tstress——高溫下的絕對(duì)溫度[9]。

大多數(shù)電子元器件的失效都可以采用Arrhenius模型，常見(jiàn)的失效反應(yīng)的激活能Ea約為0.6～1.2[11]。

（2）濕度加速因子：濕度的加速因子由Hallberg和Peck模型計(jì)算，見(jiàn)公式(2)[12]。

其中，HAF——濕度加速因子，RHnormal——正常工作相對(duì)濕度，RHstress——加速試驗(yàn)相對(duì)速度，n——濕度的加速率常數(shù)，一般為2～3。

（3）電壓加速因子：電壓的加速因子由 Eyring模型計(jì)算，見(jiàn)公式(3)[12]。

其中，VAF——電壓加速因子，Vnormal——正常工作電壓，Vstress——加速試驗(yàn)電壓，β——電壓的加速率常數(shù)，通常為0.5～1.0。

（4）溫度變化加速因子：溫度變化的加速因子由Coffin－Mason 公式計(jì)算，見(jiàn)公式(4)[12]。

其中，TEAF——溫度變化加速因子，ΔTnormal——正常應(yīng)力下的溫度變化，ΔTstress——加速試驗(yàn)下的溫度變化，n——溫度變化的加速率常數(shù)，不同失效類(lèi)型對(duì)應(yīng)值不同，一般為 4～8[13]。

3 試驗(yàn)方案和結(jié)果

3.1 選擇試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃驮囼?yàn)條件

影響HFNC使用壽命的主要部件有電源、電池、空氧混合器、主機(jī)電路板、高精度流量傳感器、渦輪、顯示器，這些部件的壽命主要由工作電壓和環(huán)境因素來(lái)決定[14]，見(jiàn)表1。本試驗(yàn)方案參照行業(yè)同類(lèi)產(chǎn)品，使用最弱鏈條的失效模型，通過(guò)提高試驗(yàn)溫度、濕度，加大工作電壓來(lái)考核產(chǎn)品的使用壽命[15-16]。

表1 試驗(yàn)條件

綜上所述，根據(jù)HFNC裝備使用說(shuō)明書(shū)來(lái)確定使用應(yīng)力條件，推薦正常工作環(huán)境溫度：20℃、濕度：65%，推薦設(shè)置正常流量：40 L/min，工作電壓：～220 V；根據(jù)GB/T 34986-2017中“4.2.3 B類(lèi)：定量加速”規(guī)定，來(lái)確定加速試驗(yàn)應(yīng)力條件，加速試驗(yàn)應(yīng)力水平可以處于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力極限與破壞應(yīng)力極限之間，既進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力加速（包含溫度、濕度），又進(jìn)行工作電壓加速，加速系數(shù)，見(jiàn)公式(5)[17]。

3.2 試驗(yàn)步驟

按表1設(shè)置氣體流量40 L/min，模擬人體氣阻，將HFNC裝備放入步入式恒溫恒濕箱，箱內(nèi)工作環(huán)境溫度60℃，濕度93%RH， ～242 V電源供電進(jìn)行治療工作。

為了驗(yàn)證HFNC裝備在試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)后的安全性、有效性，每天需進(jìn)行兩次性能指標(biāo)的檢測(cè)[18]。每天白天進(jìn)行7 h試驗(yàn)（9:30～16:30），停止試驗(yàn)后，使HFNC裝備回到正常工作環(huán)境狀態(tài)靜置30 min，驗(yàn)證氣體流量、氧氣濃度和呼氣正壓是否滿足聲稱的精度要求；驗(yàn)證完后繼續(xù)進(jìn)行15 h晚間的加速老化試驗(yàn)（17:30至次日8:30），使HFNC裝備回到正常工作環(huán)境狀態(tài)靜置30 min，驗(yàn)證氣體流量、氧氣濃度和呼氣正壓是否滿足聲稱的精度要求；重復(fù)上所述試驗(yàn)，10臺(tái)HFNC裝備均無(wú)故障產(chǎn)生（表2）。因此平均無(wú)故障工作時(shí)間是30 d，除去HFNC裝備兩次測(cè)試時(shí)間和靜止時(shí)間[19]，每天實(shí)際有效試驗(yàn)時(shí)間為22 h。

表2 結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1求總的加速系數(shù)AAF=36.49，即HFNC裝備在加速環(huán)境下60℃、93%RH，～242 V條件下做1 h試驗(yàn)相當(dāng)于自然服役環(huán)境下壽命約36.49 h。根據(jù)表2可知，平均無(wú)故障工作時(shí)間30 d，試驗(yàn)總時(shí)間為 22 h/d×30 d=660 h，換算為正常環(huán)境工作時(shí)間為660 h×36.49=24083 h。由于HFNC裝備在醫(yī)院每天連續(xù)工作時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)12 h，醫(yī)院屬于較特殊的使用場(chǎng)合，全年無(wú)休，因此HFNC裝備一年的工作時(shí)間約為365 d×12 h/d=4380 h，故其理論使用壽命年限為24083/4380=5.49年?？紤]一些非預(yù)期的因素以及試驗(yàn)過(guò)程中的偏差，確保HFNC裝備的安全有效，在每天連續(xù)工作時(shí)間≤12 h，確定其有效使用期限為5年。因此，加速環(huán)境試驗(yàn)將激發(fā)的試驗(yàn)機(jī)制引入可靠性試驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)的技術(shù)思路，縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)損耗。

本試驗(yàn)中使用了10臺(tái)HFNC裝備樣品，在60℃、93%RH，～242 V的加速條件下工作了30 d，即實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)660 h，無(wú)失效發(fā)生。按前述統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，則本試驗(yàn)結(jié)果表明：有0.65的置信度認(rèn)為，在要求工作使用可靠度為0.9的情況下，HFNC裝備的工作使用期限可以達(dá)到5年。

4 結(jié)論

本文分析HFNC裝備使用過(guò)程中影響其可靠性的重要因素，綜合運(yùn)用可靠性概率統(tǒng)計(jì)加速試驗(yàn)理論、加速模型及算法等手段制定了加速可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方案，實(shí)施后得以驗(yàn)證在自然服役環(huán)境下，5年有效使用期限內(nèi)HFNC裝備的性能參數(shù)可以滿足規(guī)定的可靠性水平，本文探索了HFNC裝備使用期限評(píng)價(jià)的具體操作方法，也為HFNC裝備的可靠性評(píng)價(jià)方法的研究提供了很好的技術(shù)思路。