医療機器の開発・設計のための決定版ガイド

シュリニード・ジョシ、フリーランス 医療機器コンサルタント on Kolabtree, provides a definitive guide to 医療機器 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).しかし、多くの場合、規制要件の見直しにより、医療機器の根本的な再設計が必要であることがすぐに判明し、医療機器メーカーは開発の多くをやり直さなければならないことに気付きます。

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. 医療機器におけるユーザビリティとは何か？
2. なぜヒューマンファクターが重要なのか？
3. 医療機器の設計で陥りやすいミス
4. 医療機器開発での最大の失敗は何ですか？
5. デリバリーに集中するには

1.医療機器におけるユーザビリティとは何か？

ジョンズ・ホプキンス大学の最近の研究によると、米国では毎年25万人以上の人が医療ミスによって死亡しており、医療ミスは世界で最も深刻な問題です。 死亡原因の第3位 心臓病や癌の後 [1]To err is human: Building a saferent health system [2]. According to the WHO (World Health Organization)’s website, similar trends exist for European ヘルスケア systems, with estimates that 8 to 12 percent of hospitalizations involve adverse events and that as many as 患者の18％が 医療ミスによる問題を経験したことがあると答えた人 [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].

ユーザビリティは、医療機器の製品要求仕様書（PRS）と一致させる必要があります。PRSは、製品に関するすべてを定義するものです。開発の最初から最後まで関わるので、おそらく開発全体にとって最も重要な文書です。規制の観点からも非常に重要ですが、商業的、実用的な観点からも不可欠なものです。製品仕様がユーザビリティを念頭に置いて定義されていない場合、プロジェクト遅延の最大の原因となる可能性があります（チームとの問題とも関連します）。ユーザビリティスタンダード。 IEC 62366また、「ユーザビリティ」とは、「有効性、効率性、およびユーザの満足度を確立するUIの特性」と定義されています。そのため、ユーザのミスや使用上のリスクを最小限に抑えるためには、ユーザビリティエンジニアリング（UE）プロセスを用いて、合理的なユーザビリティを実現する必要があります。 (IEC 62366:2007およびA1:2014).

FDAによると、ヒューマンファクター/ユーザビリティエンジニアリングを医療機器に適用することで得られる具体的な有益な成果は以下の通りです。

• より使いやすいデバイス
• 機器の部品や付属品（電源コード、リード線、チューブ、カートリッジなど）をより安全に接続することができる。
• より見やすい操作系と表示系。
• 機器の状態や操作に対するユーザーの理解度が向上する。
• 患者さんの現在の病状をより深く理解することができます。
• より効果的なアラーム信号
• デバイスのメンテナンスや修理が容易になります。
• ユーザーのマニュアルへの依存度を低減。
• ユーザートレーニングや再教育の必要性が減少
• 使用ミスのリスクを低減。
• 有害事象のリスクを低減し、かつ
• 製品リコールのリスクを低減。

なお、ユーザビリティ規格であるEN 62366:2008およびNF EN 62366-1:2015では、ユーザビリティエンジニアリングとヒューマンファクターエンジニアリングという言葉が同義に扱われています。 [5]また、米国FDAの「Introduction to Human Factors in Medical Devices」によると、ユーザビリティの高い機器を実現するためのプロセスとして、「Human Factors Engineering」「Usability Engineering」「Eergonomics」という言葉がよく使われます。

しかし、ヒューマンファクターとは、「ユーザー集団の能力に適合したハードウェアおよびソフトウェアの設計により、機器の使用における人間のパフォーマンスを向上させようとする学問」と定義されている（US FDA, An Introduction to Human Factors in Medical Devices, Dec. 1996）。 [6].

In nutshell, 製品開発 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.医療機器の設計においてヒューマンファクターが重要なのはなぜですか？

航空宇宙、原子力、石油化学、エネルギー、輸送などの危険性の高い産業では、潜在的なリスクを最小限に抑えるために人的要因の原則が長年にわたって適用されてきました。最近では、ライフサイエンス業界におけるヒューマンファクターも重要なテーマとして認識されるようになってきました。人間工学は、以前は複雑なユーザーインターフェースを持つ電気医療機器にのみ必要とされていましたが、現在では世界中の医療製品の大半の開発に必要とされる必須の設計項目にまで発展しています。

多くの医療機器が患者の重要なモニタリングに使用されていますが、患者に危害を加えるような使用上のエラーは、メーカーと患者の双方にとって大きな問題となってきています。このようなエラーの原因は、特に複雑なユーザーシステムが存在する場合、機器のユーザーインターフェースの設計不良に起因することが多い。

輸液ポンプ、人工呼吸器、自動電子除細動器、および薬剤とデバイスの組み合わせ製品（自動注射器など）は、過剰投与や薬剤投与の危険な遅延や困難などの深刻な危険をもたらす可能性のあるユーザーインターフェース関連の問題を抱えていると認識されています。医療機器の機能はますます多様化しており、新たな気晴らしや専門的なトレーニングを必要とする多忙な環境で使用される頻度が高くなっています。患者のケアが進化し、個人宅や公共の場に移されていく中で、患者や介護者を含む、あまり熟練していない、あるいは熟練していないユーザーが、これらの複雑な機器を安全に使用できるようにしなければなりません。

UIに起因する有害事象が増加していることから、FDAでは、市場前承認プロセスの一環として、CDRH（Center for Devices and Radiological Health）のデバイス評価局（Office of Device Evaluation）において、HF/UE（Human Factor/User Experience）レビューを定期的に実施するようになりました。 [7].

同様に、国際的な規制当局は、このような状況を踏まえて IEC 62366, 医療機器 - ユーザビリティエンジニアリングの医療機器への適用また、米国以外の国では、承認プロセスの一部として使用されています。FDA の HF/UE ガイダンスおよび IEC 62366 は、機器の開発期間中の活動を含むプロセスの概要を示しており、最終的には、最終的な UI デザインを使用環境をシミュレートして検証テストを行います。HF/UEの活動は、大きく3つのフェーズに分類されます。

• 予備的な分析。
• ユーザーインターフェースの設計・評価を行います。
• 疑似使用テスト（バリデーション）。

読者の皆様には、以下のような追加リソースをご案内します。 AAMI HE75:2009, ヒューマンファクターエンジニアリング - 医療機器の設計としています。 ISO 14971 [8].

3.医療機器設計時のコモンエラー

医療機器会社が不確実性の要素を考慮し忘れてしまうと、医療機器の設計は道から外れ、迷走してしまうことがあります。不確実性はリスクにつながるため、リスクを減らすためには、プロジェクトのできるだけ早い段階で不確実性の領域を特定し、答えを得ることが重要です。そのためには、次のような質問をするのが最も効果的です。

1. まだ知らないことがあるのでは？
2. 現在、一般的に行われていることとは異なることを計画しています。

例えば、最近、私のクライアントから、呼吸器系疾患のための吸入器のデザインを依頼されました。このクライアントは、重要な質問をするという戦略によって、目的を素早く達成することができました。ここで重要なのは、プロジェクトのビジョンを見ることから始めることです。この質問の答えをトップレベルのビジョン・ステートメントに入れます。そのクライアントの場合、この簡単なエクササイズで次のようなものが得られた。

"もし、市場で入手可能なほとんどの薬剤に汎用的に適合する吸入器を作ることができ、また、定義された機能を持つ既存のかさばるスペーサー装置を置き換えることができ、確認された価格で利益を上げて販売でき、12ヶ月以内に米国市場で入手できるならば、彼らは年間販売できることを知っています "と述べています。

これにより、いくつかの重要な疑問が生じた。

1. 呼吸器系の患者さん（ターゲットユーザー）が、この仕事をするためのデバイスを望んでいると確信しているのか？
2. スペーサー装置と現在の吸入器を使い続けることを希望するか？
3. そのようなデバイスに対して（もしそのようなデバイスを望むのであれば）、どのくらいの金額を支払う覚悟があるのだろうか？
4. 吸入器とスペーサーの組み合わせは簡単ですか？
5. ユニバーサルな吸入器を作ることができる技術ですか？
6. 市場規模はどのくらいですか？

So, rather than start designing, the first phase of work for this client was focused on answering these questions which naturally led to a リサーチ 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.

まとめると、開発プロセスを阻害する最大の課題は、適切な特許調査やレビューによる競合他社のIPの回避など何でもよいのですが、重要なリスク領域は、ユーザーベース、技術ベース、コストベースの組み合わせになります。

4. 医療機器開発で陥りやすい最大のミス

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.

医療機器のイノベーションには、2種類の財務上の課題があります。1つは、イノベーションの開発資金を調達すること、もう1つは、イノベーションによって得られた製品やサービスに対して誰がどれだけ支払うかを決定することです。一つ目の問題は、新しい医療機器の開発には長い投資期間が必要なことです。デ・ノボ または 510 (k))でFDAの承認が必要なもの [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 ヘルスケア 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.デリバリーに注力する方法 

製品のビジョンが定義され、リスクが理解されて軽減され、デザインコンセプトが視覚化されて選択されると、すべての関係者は開発計画にコミットし、合意された製品を提供する必要があります。この時点では、製品を発売するまでに完了しなければならないすべての活動に集中しなければなりません。プロジェクト計画は定期的に見直し、更新し、潜在的な遅延の原因を特定し、緩和策を計画する必要があります。意思決定の遅れは非常に一般的な問題であり、特に中小企業や新興企業では（企業環境であっても）、すべての関係者が出席できる会議をスケジュールすると、数週間の遅れが生じることがあります。数ヶ月前に会議を事前に予約したり、代理の人を配置することで、このような遅延を抑えることができます。

この段階では、プロジェクトを推進するチームの主要メンバーは、プロジェクトに集中しなければなりません。日々の活動に追われているスタッフは、どうしてもプロジェクトから離れてしまい、必然的に遅れてしまう。このような段階では、チームメンバーを追加して計画を加速させることができる場合があります。その際には、新機種の開発に特化したメンバーを加えるのが理想です。万が一、開発に問題が発生した場合でも、プロジェクトのビジョンを実現することに専念しているチームは、より献身的で、困難を解決するための迅速なアクションプランを作成することができます。献身的でやる気のあるチームは、バラバラで気の抜けたチームが2年間で達成するよりも、1年間でより多くのことを達成することができます。

結論から言うと

• ユーザビリティとヒューマンファクターは、医療機器の使いやすさと安全性を確保するために、製品開発プロセスの重要な一部となっています。
• 世界中の規制機関は、メーカーがユーザビリティエンジニアリング規格に準拠しているかどうかを体系的に監視およびレビューするプロセスを開始しました。FDA（米国食品医薬品局）の市販前の機器審査プロセスでは、人的要因によるリスク評価と、意図したユーザーによる機器のUIの検証テストが定期的に行われています。
• イノベーション、高周波、およびUEの活動は、予備的なタスクおよびリスク分析、UIの設計および評価、最終的なシミュレーションによる総括的な検証テストなど、デバイスの設計および開発のすべての段階で実施する必要があります。
• 焦点は、医療機器企業のビジョン・ステートメントと一致させるための重要な質問をすることです。

次回は、医療機器開発の重要な柱である医療機器の概要と規制についてご紹介します。

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著者の採用

Shrinidh Joshi has over 10+ years of experience in pharmaceutical, clinical, regulatory and メディカルライティング. 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 ホワイトペーパー, research papers and a book chapter.
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リファレンス＆リソース

• 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. and 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, June 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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