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.

Human factors and usability are very important and bring value to medical device development. During the COVID-19 pandemic, many medical device startups are trying to rush to the market by asking a simple question to the regulatory agencies, “We’ve got a working product, can we just get the expedited regulatory approval?”. FDA and other regulatory agencies throughout the world have responded to this unprecedented need by launching programs such as Emergency Use Authorization (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.

While Medical Device Regulations aren’t perfect in any jurisdiction, most regulatory authorities intentionally develop regulations that are flexible, performance-based, and open to interpretation. This way they continue to adapt over time, applying to a broad range of technologies and uses. Medical device startups and small businesses have an opportunity to use this to their advantage once they are adequately oriented to this perspective. So, before embarking on the development of a medical device, it is important to understand the process and the potential pitfalls. I think anyone who wants to succeed in innovative medical device development must learn to enjoy solving complex problems (including regulatory problems), or else they will drown in skepticism and frustration. I hope that sharing my perspective might help. With such a complex process, it is impossible for a single article to cover every aspect of medical device development and since I want to provide you with digestible reads, I will be break this up into a series of 8 articles that will cover the areas where medical device companies frequently have problems. I hope you find them useful, so let’s begin with the introductory article which covers the following topics:

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].

Usability should align with the medical device Product Requirement Specification (PRS). PRS defines everything about your product. It is probably the most important document for your whole development as is involved from the beginning to the end of the development. It’s very important from a regulatory point of view but it is also vital from a commercial and practical point of view. When the product specification is not defined keeping the usability in mind it can become the top cause of project delays (jointly with problems with the team), so getting this right, getting it agreed across the business, and sticking to it, are all critical to enabling the rapid development of a successful new medical device. Usability Standards, 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,
• Better user understanding of the device’s status and operation,
• Better user understanding of a patient’s current medical condition,
• 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]. Also as per USA FDA “Introduction to Human Factors in Medical Devices”, the terms “human factors engineering,” “usability engineering and ergonomics” are often used interchangeably for the process utilized to achieve highly usable equipment.

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:

“If they can make an inhaler that can universally fit with most of the drugs available in the market and if it can also replace the existing bulky spacer devices with features to be defined, that can be sold profitably at price to be confirmed and can be available in US market within 12 months then they know they can sell? units per year.”

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?

So, rather than start designing, the first phase of work for this client was focused on answering these questions which naturally led to a research program with target users and healthcare professionals for planning new developments and initiation of activities for FDA approval. The result was that the current technologies couldn’t reliably deliver more than 5-10percent of the medications to the target areas and even with a spacer device, the best possible dug delivery is not more than 20 percent. The research identified that combining them in a single device along with improvement in the drug delivery aspect can deliver more than 45 percent of the drug to the target region of the lungs and can drastically improve the performance of the device.

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

A typical medical device development may take anything from 1 to 4 years to get from the kick-off to market approval and launch. Reducing the time to market can create a competitive advantage so there is always pressure to go faster and reduce development timescales. New product development cycles can be compressed but it is important not to squeeze out the time for creativity. The concept generation stage is where the product takes shape and innovations and value-added features are created. It is important to allow time for the designers to uncover the real user needs, define the ideal user experience, and create designs that address these needs in the best possible way. This typically takes place in the first month or two of the project and sets the direction for the whole development. Rushing this and making poor decisions or missing opportunities has implications for the rest of the project and the whole life of the product. “If you think good design is expensive – try bad design” To accelerate the development, some other activities can happen in parallel and once there is an agreed product vision and design concept, then the medical device development can proceed at full speed.

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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