高流量湿化氧疗装备的有效使用期限评价方法研究

邓振进，刘向荣，黄海萍，曹俐，吴碧涛，周宇，徐勤鹏，刘炜

1. 湖南省医疗器械检验检测所，湖南 长沙 410011；2. 湖南明康中锦医疗科技发展有限公司，湖南 长沙 410000

引言

氧疗系统是PICU呼吸系统疾病治疗中常用的手段[1]。传统氧疗采用鼻导管或面罩吸氧，吸入的氧气难以达到足够的湿化程度和温度，同时吸入氧气流速受到限制。经鼻高流量湿化氧疗（High-Flow Nasal Cannula Oxygen Therapy，HFNC）是一种通过加温呼吸管路和鼻塞导管将一定氧浓度的空氧混合高流量气体输送给患者的一种氧疗技术[2]，可提供温度在31～37℃、氧流量在2～80 L/min以及氧浓度在21%～100%的混合气体[3]，其克服了传统氧疗的缺陷，并发症少，能更好地改善氧合，保障气道湿化[4]，耗氧量低、舒适性和依从性上相比传统氧疗有巨大优势。研究表明，与标准氧疗相比，应用HFNC的患者的气管插管比例和病死率更低[5]；长期进行家庭氧疗的慢性阻塞性肺疾病患者中，辅助予以HFNC治疗可减少病情恶化，改善晚期慢性阻塞性肺病患者的临床状况[6]。

然而，HFNC装备研究处于起步阶段，在功能设计上有重大突破[7]，但国产装备相对进口产品质量不稳定、可靠性低等弊端仍然存在，技术水平亟需提升[8]。根据国家食品药品监督管理总局令第6号《医疗器械说明书和标签管理规定》和《医疗器械注册申报资料要求》的要求，说明书和标签都应注明“使用期限”，因此通过加速试验研究有效使用期限评估方法很有必要。

1 基本评价方案

对HFNC的使用期限评价，主要参考《有源医疗器械使用期限注册技术审查指导原则》中的路径1开展，即以整机为对象，直接对产品进行验证。对该产品进行使用状态列举，分析出临床使用的情况，直接进行产品的加速老化试验。试验时参考临床使用频率和强度、使用环境的要求。

1.1 HFNC装备的预期使用期限

参考行业同类产品的可靠性水平，以及医院的实际使用需求，将HFNC装备的预期使用期限定义为5年，并定义其5年可靠度为不低于90%，即可靠寿命t0.9≥5年。

本评价中，只考虑HFNC装备5年内与工作频次和强度相关的应力引起的老化问题，不考虑非工作期间的自然环境应力引起的材料老化问题。

1.2 产品临床使用情况分析

根据HFNC装备使用说明书来确定使用应力条件，推荐正常工作环境温度20℃，湿度：65%，推荐设置正常流量：40 L/min，工作电压：～220 V。

由于HFNC装备在医院使用中，一般可以认为全年无休，每天间歇工作，一天内时间一般不会超过12 h。

1.3 常规统计试验方案

为了验证HFNC装备在正常工况条件下的可靠寿命t0.9≥5年，需要制定一个统计试验方案来进行验证。由于被评价对象尚无长时间的现场使用数据支撑，因此无法判断其故障分布形态，在本方案中不对其分布形态进行假设。

1.4 故障定义

如试验过程中或试验后对样品的检测中发现气体流量、氧气浓度和呼气正压不满足声称的精度要求的，则视为故障。

2 加速试验

2.1 加速方式与加速应力类型

由于试验为评价产品的寿命指标类的试验，参考GB/T 34986-2017，采用B类和C类试验相结合的方式进行加速，即先核算5年HFNC装备的实际工作时间，再在此基础上施加额外应力。

另外，影响HFNC使用寿命的主要部件有电源、电池、空氧混合器、主机电路板、高精度流量传感器、涡轮、显示器，这些部件的寿命主要由工作电压和环境因素来决定。参考从HFNC装备本身构成部件及材料的失效机理分析，还存在材料在自然气候中温度和湿度影响下的老化、电子元器件在电应力作用下的老化，因此，可以施加温度、湿度、电压等应力来进行B类加速[9]。

2.2 事件压缩的加速计算

医院属较特殊的使用场合，按全年无休计算，HFNC装备一年的工作时间约为365 d×12 h/d=4380 h，故其5年内的实际使用时长约为4380 h/y×5 y=21900 h。即工作可靠寿命t0.9≥21900 h。1.3中制定的试验方案具体化为：使用10台HFNC装备样品，进行21900 h的试验，如果0失效，则有0.65的置信度认为HFNC装备的可靠度满足0.9的要求。

2.3 应力加速的模型选择

试验可以采用温度、湿度、电应力、温度变化4种加速应力条件，这4类应力在对电子部件为主体并包含大量高分子材料的HFNC装备产品的加速作用上，可以参考以下4类加速模型，本试验仅采用前3种加速应力条件。

（1）温度加速因子：温度的加速因子由 Arrhenius模型计算，见公式(1)[10]。

其中，TAF——温度加速因子，k——玻尔兹曼常数（k=8.617×10-5eV/K），Ea——激活能（eV），Tnormal——室温绝对温度，Tstress——高温下的绝对温度[9]。

大多数电子元器件的失效都可以采用Arrhenius模型，常见的失效反应的激活能Ea约为0.6～1.2[11]。

（2）湿度加速因子：湿度的加速因子由Hallberg和Peck模型计算，见公式(2)[12]。

其中，HAF——湿度加速因子，RHnormal——正常工作相对湿度，RHstress——加速试验相对速度，n——湿度的加速率常数，一般为2～3。

（3）电压加速因子：电压的加速因子由 Eyring模型计算，见公式(3)[12]。

其中，VAF——电压加速因子，Vnormal——正常工作电压，Vstress——加速试验电压，β——电压的加速率常数，通常为0.5～1.0。

（4）温度变化加速因子：温度变化的加速因子由Coffin－Mason 公式计算，见公式(4)[12]。

其中，TEAF——温度变化加速因子，ΔTnormal——正常应力下的温度变化，ΔTstress——加速试验下的温度变化，n——温度变化的加速率常数，不同失效类型对应值不同，一般为 4～8[13]。

3 试验方案和结果

3.1 选择试验模型和试验条件

影响HFNC使用寿命的主要部件有电源、电池、空氧混合器、主机电路板、高精度流量传感器、涡轮、显示器，这些部件的寿命主要由工作电压和环境因素来决定[14]，见表1。本试验方案参照行业同类产品，使用最弱链条的失效模型，通过提高试验温度、湿度，加大工作电压来考核产品的使用寿命[15-16]。

表1 试验条件

综上所述，根据HFNC装备使用说明书来确定使用应力条件，推荐正常工作环境温度：20℃、湿度：65%，推荐设置正常流量：40 L/min，工作电压：～220 V；根据GB/T 34986-2017中“4.2.3 B类：定量加速”规定，来确定加速试验应力条件，加速试验应力水平可以处于设计规范规定的应力极限与破坏应力极限之间，既进行环境应力加速（包含温度、湿度），又进行工作电压加速，加速系数，见公式(5)[17]。

3.2 试验步骤

按表1设置气体流量40 L/min，模拟人体气阻，将HFNC装备放入步入式恒温恒湿箱，箱内工作环境温度60℃，湿度93%RH， ～242 V电源供电进行治疗工作。

为了验证HFNC装备在试验过程中和试验后的安全性、有效性，每天需进行两次性能指标的检测[18]。每天白天进行7 h试验（9:30～16:30），停止试验后，使HFNC装备回到正常工作环境状态静置30 min，验证气体流量、氧气浓度和呼气正压是否满足声称的精度要求；验证完后继续进行15 h晚间的加速老化试验（17:30至次日8:30），使HFNC装备回到正常工作环境状态静置30 min，验证气体流量、氧气浓度和呼气正压是否满足声称的精度要求；重复上所述试验，10台HFNC装备均无故障产生（表2）。因此平均无故障工作时间是30 d，除去HFNC装备两次测试时间和静止时间[19]，每天实际有效试验时间为22 h。

表2 结果统计

3.3 试验结果

根据表1求总的加速系数AAF=36.49，即HFNC装备在加速环境下60℃、93%RH，～242 V条件下做1 h试验相当于自然服役环境下寿命约36.49 h。根据表2可知，平均无故障工作时间30 d，试验总时间为 22 h/d×30 d=660 h，换算为正常环境工作时间为660 h×36.49=24083 h。由于HFNC装备在医院每天连续工作时间一般不会超过12 h，医院属于较特殊的使用场合，全年无休，因此HFNC装备一年的工作时间约为365 d×12 h/d=4380 h，故其理论使用寿命年限为24083/4380=5.49年。考虑一些非预期的因素以及试验过程中的偏差，确保HFNC装备的安全有效，在每天连续工作时间≤12 h，确定其有效使用期限为5年。因此，加速环境试验将激发的试验机制引入可靠性试验，突破了传统可靠性试验的技术思路，缩短试验时间，提高试验效率，降低试验损耗。

本试验中使用了10台HFNC装备样品，在60℃、93%RH，～242 V的加速条件下工作了30 d，即实际试验时间超过660 h，无失效发生。按前述统计试验方案，则本试验结果表明：有0.65的置信度认为，在要求工作使用可靠度为0.9的情况下，HFNC装备的工作使用期限可以达到5年。

4 结论

本文分析HFNC装备使用过程中影响其可靠性的重要因素，综合运用可靠性概率统计加速试验理论、加速模型及算法等手段制定了加速可靠性验证试验方案，实施后得以验证在自然服役环境下，5年有效使用期限内HFNC装备的性能参数可以满足规定的可靠性水平，本文探索了HFNC装备使用期限评价的具体操作方法，也为HFNC装备的可靠性评价方法的研究提供了很好的技术思路。