Sviluppo e progettazione di dispositivi medici: Una guida definitiva

Shrinidh Joshi, freelance consulente per dispositivi medici on Kolabtree, provides a definitive guide to dispositivo medico development and design, stressing on important things to keep in mind to make the process smoother and easier. 

Before we embark on the journey of medical device development as you might know that developing a medical device is a long and complex process. During recent times, tightening regulatory requirements globally from agencies such as the FDA and EU mean this already expensive process is becoming even more costly. Badly run development projects can overrun on cost and time and may ultimately have to be aborted with huge financial and opportunity costs. For small businesses and start-ups, this can threaten the future of the whole company. Agile development methodology which is more popular with tech startup doesn’t necessarily work in the medical device area where regulation requires all the details and documents in place before a product can be released on the market or tested with users.

I fattori umani e l'usabilità sono molto importanti e portano valore allo sviluppo dei dispositivi medici. Durante la pandemia COVID-19, molte startup di dispositivi medici stanno cercando di correre sul mercato ponendo una semplice domanda alle agenzie di regolamentazione: "Abbiamo un prodotto funzionante, possiamo ottenere l'approvazione normativa accelerata?". La FDA e altre agenzie di regolamentazione in tutto il mondo hanno risposto a questo bisogno senza precedenti lanciando programmi come l'autorizzazione all'uso di emergenza (EUA). Tuttavia, in molti casi, la revisione dei requisiti normativi identifica rapidamente che è necessaria una riprogettazione fondamentale di un dispositivo medico, e le startup di dispositivi medici si rendono conto che gran parte dello sviluppo deve essere rifatto.

Mentre i regolamenti sui dispositivi medici non sono perfetti in nessuna giurisdizione, la maggior parte delle autorità di regolamentazione sviluppa intenzionalmente regolamenti che sono flessibili, basati sulle prestazioni e aperti all'interpretazione. In questo modo continuano ad adattarsi nel tempo, applicandosi a una vasta gamma di tecnologie e usi. Le startup e le piccole imprese di dispositivi medici hanno l'opportunità di usare questo a loro vantaggio, una volta che sono adeguatamente orientate a questa prospettiva. Quindi, prima di intraprendere lo sviluppo di un dispositivo medico, è importante capire il processo e le potenziali insidie. Penso che chiunque voglia avere successo nello sviluppo di un dispositivo medico innovativo debba imparare a divertirsi a risolvere problemi complessi (compresi quelli normativi), altrimenti annegherà nello scetticismo e nella frustrazione. Spero che condividere la mia prospettiva possa aiutare. Con un processo così complesso, è impossibile che un singolo articolo copra ogni aspetto dello sviluppo di un dispositivo medico e poiché voglio fornirvi una lettura digeribile, lo suddividerò in una serie di 8 articoli che copriranno le aree in cui le aziende di dispositivi medici hanno spesso problemi. Spero che li troviate utili, quindi cominciamo con l'articolo introduttivo che copre i seguenti argomenti:

1. Cosa significa usabilità per i dispositivi medici?
2. Perché i fattori umani sono importanti?
3. Errori comuni durante la progettazione di un dispositivo medico
4. Qual è il più grande errore che si può fare nello sviluppo di un dispositivo medico?
5. Come concentrarsi sulla consegna

1. Cosa significa usabilità per i dispositivi medici?

Secondo un recente studio della Johns Hopkins, più di 250.000 persone negli Stati Uniti muoiono ogni anno a causa di errori medici, rendendolo il terza causa di morte dopo le malattie cardiache e il cancro [1]Errare è umano: costruire un sistema sanitario più sicuro [2]. According to the WHO (World Health Organization)’s website, similar trends exist for European assistenza sanitaria systems, with estimates that 8 to 12 percent of hospitalizations involve adverse events and that as many as 18% dei pazienti riferiscono di aver sperimentato un problema indotto da un errore medico [3]. Costs in the UK alone for hospital infection intervention is estimated at £2 million per year. Adverse events over the past two decades have shown disturbing trends in post-market events that are attributable to design issues regarding the user interface (UI) of medical devices. Infusion pumps, automatic electronic defibrillators, ventilators, and combination products such as drug auto-injectors, inhalers, and spacer devices have a history of use-related design problems resulting in overdoses, improper therapy delivery, incorrect diagnoses, ER visits, and dangerous delays in therapy. As part of the systematic process to reduce errors by regulatory bodies, medical device companies in the US and EU have been introduced to the disciplines of Human Factors and Usability Engineering. The usability experience has been applied in the automotive, aerospace, and telecommunications industries for more than 60 years, but has only recently been applied in the medical industry. Human factor and usability focus on the synergy of human operators, or users with systems, and their UIs by applying knowledge of human capabilities and limitations and performing tests and evaluations of user/system performance. Human factors also apply known principles and best practices in the design of displays, controls, and other UI aspects to optimize the use and eliminate or limit use-related risks [4].

L'usabilità dovrebbe allinearsi alla Specifica dei requisiti di prodotto (PRS) del dispositivo medico. La PRS definisce tutto ciò che riguarda il vostro prodotto. È probabilmente il documento più importante per tutto il vostro sviluppo in quanto è coinvolto dall'inizio alla fine dello sviluppo. È molto importante da un punto di vista normativo ma è anche vitale da un punto di vista commerciale e pratico. Quando le specifiche del prodotto non sono definite tenendo presente l'usabilità, possono diventare la causa principale dei ritardi del progetto (insieme ai problemi con il team), quindi ottenere il giusto, essere d'accordo in tutta l'azienda e attenersi ad esso, è fondamentale per consentire il rapido sviluppo di un nuovo dispositivo medico di successo. Standard di usabilità, IEC 62366La definiscono come caratteristica dell'UI che stabilisce l'efficacia, l'efficienza e la soddisfazione dell'utente. Pertanto, per ridurre al minimo gli errori dell'utente e i rischi associati all'uso, l'usabilità ragionevole deve essere raggiunta utilizzando il processo di ingegneria dell'usabilità (UE). (IEC 62366:2007 e A1:2014).

Secondo la FDA, i risultati benefici specifici dell'applicazione dell'ingegneria dei fattori umani/di usabilità ai dispositivi medici includono:

• Dispositivi più facili da usare,
• Connessioni più sicure tra i componenti del dispositivo e gli accessori (ad esempio, cavi di alimentazione, cavi, tubi, cartucce),
• Controlli e display più facili da leggere,
• Migliore comprensione da parte dell'utente dello stato e del funzionamento del dispositivo,
• Migliore comprensione da parte dell'utente della condizione medica attuale di un paziente,
• Segnali di allarme più efficaci,
• Manutenzione e riparazione del dispositivo più facile,
• Riduzione della dipendenza dell'utente dai manuali d'uso,
• Ridotta necessità di formazione e riqualificazione degli utenti,
• Riduzione del rischio di errore di utilizzo,
• Riduzione del rischio di eventi avversi, e
• Riduzione del rischio di ritiro dei prodotti.

Va notato che il termine Usability engineering e Human factors engineering sono trattati come sinonimi dagli standard di usabilità, EN 62366:2008 e NF EN 62366-1:2015 [5]. Inoltre, come da USA FDA "Introduzione ai fattori umani nei dispositivi medici", i termini "ingegneria dei fattori umani", "ingegneria dell'usabilità ed ergonomia" sono spesso usati in modo intercambiabile per il processo utilizzato per ottenere attrezzature altamente utilizzabili.

Il fattore umano, tuttavia, è definito come "disciplina che cerca di migliorare le prestazioni umane nell'uso delle apparecchiature attraverso la progettazione di hardware e software che è compatibile con le capacità della popolazione di utenti" (US FDA, An Introduction to Human Factors in Medical Devices, dicembre 1996) [6].

In nutshell, sviluppo del prodotto may involve some level of compromise. To make the most successful product possible, it is essential to define the Usability or ‘Ideal User Experience’. However, owing to commercial or technical limitations, the ideal user experience may not be achievable but by defining the ideal, medical device startup can understand the elements which negatively impact the user experience and ensure that they can get the best possible user experience within the constraints of manufacturing processes, technology, cost, and regulations. This applies throughout the development as decisions about necessary changes are always done keeping in mind what is best for the user. Taking this approach has long term benefits too. Technologies develop and become cheaper over time. Even hugely successful devices get replaced by newer, better versions. Keeping a picture of what the best possible product might look like allows you to identify the opportunities created by new technologies, materials, or processes to rapidly create the next innovation in the market.

2. Perché i fattori umani sono importanti nella progettazione dei dispositivi medici?

I principi dei fattori umani sono stati a lungo applicati nelle industrie ad alto rischio come quella aerospaziale, nucleare, petrolchimica, dell'energia e dei trasporti per minimizzare i rischi potenziali. Sempre più spesso, i fattori umani nell'industria delle scienze della vita sono stati riconosciuti come un argomento importante. Mentre l'ingegneria dei fattori umani era precedentemente accettata come necessaria solo per i dispositivi elettromedicali con interfacce utente complesse, si è evoluta fino a diventare un input di progettazione obbligatorio richiesto per lo sviluppo della maggior parte dei prodotti medici in tutto il mondo.

Un gran numero di dispositivi medici sono utilizzati per il monitoraggio critico del paziente e gli errori di utilizzo, che portano a danni al paziente, sono diventati progressivamente la principale causa di preoccupazione per i produttori e i pazienti. La causa di tali errori può spesso essere dovuta a interfacce utente del dispositivo mal progettate, in particolare quando è coinvolto un sistema utente complesso.

Le pompe di infusione, i ventilatori, i defibrillatori elettronici automatici e i prodotti di combinazione farmaco-dispositivo (ad esempio gli autoiniettori) sono riconosciuti come potenzialmente dotati di problemi legati all'interfaccia utente che possono provocare gravi pericoli come overdose e pericolosi ritardi o difficoltà nella consegna dei farmaci. I dispositivi medici sono diventati sempre più diversi nelle loro capacità e vengono utilizzati con maggiore frequenza in ambienti affollati con nuove distrazioni e requisiti di formazione specializzata. Man mano che la cura dei pazienti si evolve e viene trasferita in case private o ambienti pubblici, gli utenti meno qualificati o addirittura non qualificati, compresi i pazienti e i custodi, devono essere messi in grado di utilizzare in sicurezza questi dispositivi complessi.

A causa dell'aumento dei casi di eventi avversi indotti da UI, la FDA ha iniziato a includere le revisioni del fattore umano/esperienza dell'utente (HF/UE) come una parte di routine del loro processo di approvazione pre-mercato presso il Center for Devices and Radiological Health's (CDRH) Office of Device Evaluation [7].

Allo stesso modo, la comunità internazionale di regolamentazione ha incorporato IEC 62366, Dispositivi medici - Applicazione dell'ingegneria dell'usabilità ai dispositivi medicicome parte del processo di approvazione al di fuori degli Stati Uniti. Sia la guida HF/UE della FDA che la IEC 62366 delineano un processo che comprende attività durante lo sviluppo del dispositivo che culminano nel test di convalida con il design finale dell'interfaccia utente in ambienti di utilizzo simulati. Le attività HF/UE possono essere categorizzate in tre fasi principali:

• Analisi preliminari;
• Progettazione/valutazione dell'interfaccia utente;
• Test di utilizzo simulato (convalida).

I lettori sono indirizzati a risorse aggiuntive come AAMI HE75:2009, Ingegneria dei fattori umani - Progettazione di dispositivi medici, e ISO 14971 [8].

3. Errori comuni durante la progettazione di un dispositivo medico

Il progetto di un dispositivo medico può allontanarsi dal percorso e andare fuori strada quando l'azienda di dispositivi medici dimentica di prendere in considerazione il fattore di incertezza. L'incertezza è uguale al rischio, quindi per ridurre il rischio è importante identificare qualsiasi area di incertezza e ottenere risposte il più presto possibile nel progetto. Il miglior modo possibile per farlo è porre le seguenti domande chiave:

1. Quali cose non sappiamo ancora? e
2. Cosa abbiamo intenzione di fare in modo diverso da quello che viene fatto comunemente?

Come esempio, recentemente uno dei miei clienti ha chiesto di progettare un inalatore per le malattie respiratorie. Il cliente è stato in grado di raggiungere rapidamente il suo obiettivo grazie a questa strategia di porre domande importanti. La chiave qui è iniziare guardando la visione del progetto. Mettere le risposte a queste domande nella dichiarazione di visione di alto livello. Nel caso di quel cliente, questo semplice esercizio ha dato loro quanto segue:

"Se possono fare un inalatore che può adattarsi universalmente alla maggior parte dei farmaci disponibili sul mercato e se può anche sostituire gli attuali dispositivi distanziatori ingombranti con caratteristiche da definire, che può essere venduto con profitto a un prezzo da confermare e può essere disponibile sul mercato statunitense entro 12 mesi, allora sanno di poter vendere? unità all'anno".

Questo ha sollevato alcune domande chiave.

1. Sono sicuri che i pazienti respiratori (utenti target) vogliano un dispositivo che faccia questo lavoro?
2. Preferirebbero continuare a usare un dispositivo distanziatore e l'inalatore attuale?
3. Quanto sono disposti a pagare per un tale dispositivo (se lo vogliono proprio)?
4. Quanto è facile combinare un inalatore e un distanziatore?
5. La tecnologia è in grado di fare un dispositivo inalatore universale?
6. Qual è la dimensione del mercato?

Quindi, piuttosto che iniziare a progettare, la prima fase del lavoro per questo cliente si è concentrata sulla risposta a queste domande che naturalmente ha portato a un programma di ricerca con gli utenti target e gli operatori sanitari per pianificare nuovi sviluppi e l'avvio delle attività per l'approvazione della FDA. Il risultato è stato che le tecnologie attuali non potevano consegnare in modo affidabile più del 5-10 per cento dei farmaci alle aree di destinazione e anche con un dispositivo distanziatore, la migliore consegna possibile di scavare non è più del 20 per cento. La ricerca ha identificato che combinandoli in un unico dispositivo insieme al miglioramento dell'aspetto della consegna del farmaco può consegnare più del 45% del farmaco alla regione di destinazione dei polmoni e può migliorare drasticamente le prestazioni del dispositivo.

In sintesi, la più grande sfida che può ostacolare il vostro processo di sviluppo può essere qualsiasi cosa, come evitare l'IP dei concorrenti con adeguate ricerche e revisioni dei brevetti, o le aree di rischio chiave possono essere una combinazione di utente, tecnica e basata sui costi.

4. Il più grande errore che si può fare nello sviluppo di un dispositivo medico

Lo sviluppo di un tipico dispositivo medico può richiedere da 1 a 4 anni per passare dal kick-off all'approvazione e al lancio sul mercato. Ridurre il tempo di commercializzazione può creare un vantaggio competitivo, quindi c'è sempre una pressione per andare più veloce e ridurre i tempi di sviluppo. I cicli di sviluppo di un nuovo prodotto possono essere compressi, ma è importante non sprecare il tempo per la creatività. La fase di generazione del concetto è quella in cui il prodotto prende forma e vengono create innovazioni e caratteristiche a valore aggiunto. È importante dare tempo ai designer di scoprire le reali esigenze dell'utente, definire l'esperienza ideale dell'utente e creare progetti che rispondano a queste esigenze nel miglior modo possibile. Questo tipicamente avviene nel primo mese o due del progetto e stabilisce la direzione per l'intero sviluppo. Affrettare questo e prendere decisioni sbagliate o perdere opportunità ha implicazioni per il resto del progetto e per l'intera vita del prodotto. "Per accelerare lo sviluppo, alcune altre attività possono svolgersi in parallelo e, una volta concordati la visione del prodotto e il concetto di design, lo sviluppo del dispositivo medico può procedere a tutta velocità.

L'innovazione dei dispositivi medici presenta due tipi di sfide finanziarie: a.) finanziare lo sviluppo dell'innovazione e b.) capire chi pagherà quanto per il prodotto o il servizio che ne deriva. Un problema è il lungo tempo di investimento necessario per i nuovi dispositivi medici (de-novo o 510 (k)) che richiedono l'approvazione della FDA [9]. While venture capitalists backing an IT start-up may be able to get their money out in two to three years, investors in a medical device firm have to wait for one to four years depending upon the class of medical device, even to find out whether a product will be approved for use. Another problem is that many traditional sources of capital aren’t familiar with the assistenza sanitaria industry, so it’s difficult to find investors, let alone investors who can provide helpful guidance to the innovator. This funding challenge could affect innovation so a medical device company should identify the resources to meet the financial challenges which can impede the entire development process.

5. Come concentrarsi sulla consegna 

Una volta che la visione del prodotto è definita, i rischi sono compresi e mitigati e il concetto di design è visualizzato e selezionato, allora tutte le parti interessate dovrebbero impegnarsi nel piano di sviluppo e nella consegna del prodotto concordato. A questo punto, tutti gli sforzi devono essere concentrati su tutte le attività che devono essere completate prima che il prodotto possa essere lanciato. Il piano del progetto dovrebbe essere rivisto e aggiornato regolarmente e le potenziali cause di ritardo identificate e le mitigazioni pianificate. I ritardi nelle decisioni sono un problema molto comune, in particolare nelle piccole e medie imprese e nelle startup (anche in ambienti aziendali), dove la programmazione di un incontro a cui tutti gli stakeholder possono partecipare può portare a un ritardo di diverse settimane. La pre-programmazione delle riunioni con mesi di anticipo o l'assegnazione di delegati può limitare tali ritardi.

In questa fase, il progetto deve diventare l'unico obiettivo per i membri chiave della squadra responsabili di portare avanti il progetto. Il personale con altre attività quotidiane verrà invariabilmente allontanato dal progetto causando inevitabili ritardi. E' in queste fasi che a volte è possibile accelerare il piano aggiungendo altri membri del team. Idealmente, anche questi dovrebbero essere concentrati esclusivamente sullo sviluppo del nuovo dispositivo. Se si verificano problemi con lo sviluppo, un team dedicato focalizzato sulla realizzazione della visione del progetto sarà più impegnato e meglio in grado di creare un rapido piano d'azione per risolvere le difficoltà. Un team dedicato e motivato può ottenere di più in un anno di quanto un team disparato e distratto possa ottenere in due.

In conclusione,

• L'usabilità e i fattori umani sono diventati una parte vitale del processo di sviluppo del prodotto, assicurando la facilità d'uso e la sicurezza d'uso dei dispositivi medici.
• In tutto il mondo, le organizzazioni di regolamentazione hanno iniziato un processo sistematico di supervisione e revisione per quanto riguarda la conformità del produttore con lo standard di ingegneria dell'usabilità. Il processo di revisione del dispositivo prima della commercializzazione da parte della FDA ora include abitualmente la valutazione del rischio dei fattori umani e i test di convalida dell'interfaccia utente del dispositivo con gli utenti previsti.
• Le attività di innovazione, HF e UE dovrebbero essere condotte durante tutte le fasi di progettazione e sviluppo del dispositivo, compresi i compiti preliminari e l'analisi dei rischi, la progettazione e la valutazione dell'interfaccia utente e i test finali di convalida sommativa nell'uso simulato.
• L'accento dovrebbe essere posto sulle domande chiave che possono allineare un'azienda di dispositivi medici con la loro dichiarazione di visione.

Nel prossimo articolo, vi porterò in un viaggio sulla panoramica dei dispositivi medici e sulla regolamentazione che è un pilastro importante dello sviluppo dei dispositivi medici.

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Shrinidh Joshi has over 10+ years of experience in pharmaceutical, clinical, regulatory and scrittura medica. He has worked both within and outside academia, for companies such as University Health Network, Krembil Research Institute, Sun Pharma, Virgilant, CannTrust and ThermoFisher Scientific. His expertise focuses on the pharmaceutical-biologics market; antibodies, regenerative medicine, cell, and gene therapy, viral products, cancer immunotherapy, mesenchymal stromal cells and bioreactors, medical devices, scaffolds, cannabinoids, etc. He has written several libri bianchi, research papers and a book chapter.
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RIFERIMENTI E RISORSE

• https://www.cnbc.com/2018/02/22/medical-errors-third-leading-cause-of-death-in-america.html?__source=sharebar|email&par=sharebar)
• Kohn, L.T., Corrigan, J.M. e Donaldson, M., (eds.), To err is human: Building a safer health system, (Washington DC, National Academy Press, 2000).
• https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/patient-safety
• Draft Guidance for Industry and Food and Drug Administration Staff - Applying human factors and usability engineering to optimize medical device design, FDA Center for Devices and Regulatory Health, giugno 2011
• https://lne-america.com/library/news/medical-device-usability-highlights-of-european-regulations-and-standards
• Medical device use-safety: Incorporating human factors engineering into risk management, FDA Center for Devices and Regulatory Health, July 2000
• https://www.federalregister.gov/documents/2000/07/18/00-18061/guidance-for-industry-and-fda-reviewers-on-medical-device-use-safety-incorporating-human-factors
• https://www.greenlight.guru/glossary/iso-14971
• https://www.yakar-eng.co/2018/04/15/differences-between-510k-and-de-novo-submission/

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