医用内窥镜产品的设计要素与注册技术审评关注点

金若男，贺伟罡

国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心，北京市，100081

0 引言

在医疗机构中，医用内窥镜是微创外科手术中的常用器械，也广泛应用于各临床科室的常规检查中。内窥镜的基本功能是观察成像，有些产品根据预期用途含有器械通道，因此在手术中，内窥镜可以配合一些手术器械、高频电极、激光光纤一同使用。

从临床应用角度，市场上现有的内窥镜覆盖了人体很多部位的应用，如腹腔镜、关节镜、消化道镜、椎间盘镜、宫腔镜、鼻咽喉镜、耳镜等。从成像原理的角度，市场上的内窥镜大体可分为光学内窥镜、电子内窥镜。光学镜基于几何光学成像原理，通过应用光学镜片组及光路设计实现成像功能。电子镜基于光电信息转换及图像处理方法，通过应用电子元器件，结合光学元件实现成像。根据功能的不同，结合应用的部位，有些内窥镜是刚性的，不可弯曲的，如硬性光学腹腔镜；也有些内窥镜是柔性的，可弯曲的，如电子上消化道内窥镜。

内窥镜的医学应用有相当长的历史，特别是光学内窥镜。微创手术使得手术的创口相对于常规手术，有可能更小，也给人体一些特殊部位的观察提供了可能性。随着柔性元器件的发展，软性电子镜在消化道观察和治疗中有着广泛的应用。结合一些成像的技术，内窥镜与图像处理单元配合，可实现荧光显示、三维立体视觉等功能。

在医用内窥镜的发展过程中，有几项对临床使用有重大意义的技术更新，一是“霍普金斯棒状镜”的发明。英国的Hopkins H.H 教授在20世纪50年代末发明了棒状镜[1]，在内窥镜领域，替代了之前的小薄镜片按照一定次序排列的光路系统，提高了通光口径和装配的同轴性，使得成像质量有了很大的提升。二是冷光源及光导纤维的应用。采用导光纤维外接冷光源的技术，使得内窥镜的照明有了很大的改善，使用安全性及成像的效果都有提高。三是电荷耦合器件（Charged Coupled Device,CCD）的发明。1983年，WelchAllyn公司将CCD引入内窥镜[1]，产生了早期的电子内窥镜，将图像信息转换为电信号并传输至图像处理单元，由显示器显示。借助此项技术，使得内窥镜能够摄像、贮存图像及进行计算机管理。

医用内窥镜产品在我国的医疗器械注册管理中，管理类别以三类和二类为主。在医疗器械的分类目录[2]中，内窥镜类产品主要属于编码06“医用成像器械”，其中通过建立创口进入人体的光学内窥镜管理类别为第三类；通过人体自然孔道的光学内窥镜管理类别为第二类；电子内窥镜管理类别为第三类。此外，在分类目录中编码18“妇产科、辅助生殖和避孕器械”中，包含了宫腔镜等妇产科使用的内窥镜。

笔者将从注册技术审评的角度，讨论与内窥镜产品相关的三个设计开发要素及审评关注点。

1 医用硬性光学内窥镜的密封技术

医用硬性光学内窥镜，比如腹腔镜，在使用后需要进行常规清洗、消毒和灭菌的程序。高温高压蒸汽灭菌是公认的比较有效的灭菌方式，也被内窥镜的厂家确定为推荐灭菌方式。但是，并非所有的硬性光学内窥镜都能够采用这种方式灭菌。原因很大程度来源于内窥镜的生产工艺，特别是所采用的密封技术。

市场上，有些内窥镜制造商采用激光焊接的方式密封，也有一些制造商选择胶粘的方式密封。激光焊接对设备和工艺水平的要求相对高，固定和密封的牢固度相对好，耐用性较好；而胶粘的方式工艺比较原始，对操作工人手工能力要求较高，所用粘接剂的性质也非常重要。内窥镜中镜片之间、镜片与金属外管之间、金属材料之间都有需要固定和密封的要求，采用何种方式和材料，使用何种生产工艺操作，对终产品的性能有至关重要的影响。两种密封方式对内窥镜性能的影响体现在密封的效果、耐高温寿命、生物相容性、可重复使用次数、消毒灭菌方式等方面。

制造商通常需要考虑上述灭菌方式的差异，在产品的设计开发中充分考量这些因素，设置合理的性能参数并采用合理的方式进行验证和确认。例如，在生物相容性评价中，考虑粘接剂的因素。应明确预期与人体接触的粘接剂的种类、接触性质和时间，确定评价的项目，通过生物学试验进行验证时注意通常情况下应对终产品进行试验；在推荐消毒灭菌方法时，采用合理的方式，评估产品是否能够承受高温高压灭菌方式以及验证能够经受的灭菌周期的次数；在确定产品可重复使用次数时，结合产品本身特性和消毒灭菌方式及使用特点，确定科学、合理的使用期限，给使用者必要的指导和提示；在性能参数的设计中，除主要的光学性能和机械性能，还需关注密封性的设计和验证。密封性还与内窥镜的防水特性相关，不同情形下使用的内窥镜，对防水特性的要求也有差异。通常情况下，在手术室中使用的设备和器械对防水特性的要求相对较高。应综合考量产品特性、使用环境等因素进行设计。

2 三维立体成像技术（3D)

相对于传统的二维成像，三维成像可以使使用者获得立体视觉。除了图像信息之外，使用者还能获得物体深度或形状的信息。三维内窥镜是近年来在医用内窥镜领域比较热门的产品。市场上，有三维光学内窥镜，还有三维电子内窥镜。特别是在手术机器人系统中，均是采用三维内窥镜。

考虑设计要素时，在成像性能方面，三维成像除了基本的光学成像评价指标之外，由于其采用两个成像光路，还需要对两路的成像效果的一致性进行评价。除此之外，对于深度和形状的成像效果应有相关的设计验证和确认。在直观上，三维内窥镜能够使得成像效果更加逼真，就技术角度而言，成像的真实性是需要考量的重要因素。真实性一方面体现在颜色的真实性，还体现在物体形状和空间位置的真实性。这两方面直接影响医生的诊断和操作。

手术机器人系统中的内窥镜，从成像原理及应用上，与传统内窥镜没有差异。由于与手术机器人系统配合使用，需要验证配合性能，也涉及人因工程（可用性）的相关设计要素。

内窥镜的消毒灭菌方式也是应该关注的，特别是在使用一次性灭菌罩的情况下，应考量无菌罩的设计是否达到必要的灭菌水平以及应对内窥镜使用的安全性、有效性进行验证和确认。比如，当无菌罩包裹整个镜体的情形下，应对产品成像效果的影响进行分析和评估。此时，无菌罩的前端应视为影响成像的光学元件。同时，无菌罩的装配方式和可用性亦会影响临床使用效果。另一方面，无菌罩本身的耐用性也应考量，特别是在使用过程中的耐用性，也涉及到装配方式是否科学、合理，甚至应评价异常情况出现的风险和影响，比如断裂会直接导致无菌屏障失效，碎片还可能对人体造成损伤。

3 高分辨率成像技术

随着CCD的发展，显示图像的清晰度不断提高。分辨率水平是反映图像清晰程度的指标，分辨率越高，图像显示就越清晰，能够包含更多的细节。在医疗器械领域，内窥镜配合图像处理装置的显示清晰度也在提高，市场上逐渐出现“高清”“全高清”“超高清”的概念。这些词汇表达的内容是分辨率的提高，或者说是像素的提高。近年来，比较常见的“4K”概念，指的是图像具有4倍于1080P图像的数据量。

就CCD本身而言，像素是CCD晶片上的光敏单元。最高像素是感光器件上的所有像素，有效像素是参与成像的感光元素。那么，制造商宣称的像素值是否能够体现真实的分辨率是需要判定的，制造商如何验证实际的分辨率是需要考量的。就使用的特定型号的CCD而言，其像素值是确定的，中间的图像处理过程包括软件的设计，可能对最终的真实分辨能力产生影响。因此，应采用科学、合理的方式评价有效的像素值或者最终显示的清晰程度。

作为医疗器械的成像部件的产品名称建议不包含“高清”“全高清”“超高清”的描述。原因是如前所述，这个概念本质是分辨率，只是分辨率值的大小不同，反映出清晰程度不同，并非是一个全新的特点或者要素；另外，目前市场上对这些概念还未统一标准，存在一些差异，因此不适合以此进行分类和标示。从通用的医疗器械命名的原则出发，也不建议包含“高”“全”“超”这类有一定修饰作用的描述。

医疗器械的技术审评关注设计开发的过程，也体现出好的产品一定是从好的设计开始的。

内窥镜的应用在医疗史上，是具有里程碑式的进展。无数患者通过此项技术受益，很多新技术，诸如手术机器人的发展，也基于内窥镜产品。随着技术的不断发展，国产内窥镜产品也迎来高速发展的时期。从上述三个方面的讨论中可以看到，在内窥镜产品设计开发过程中提前考虑内窥镜产品审评的相关要求，并将其作为生产质量体系的一部分，能够有助于产品上市并提升产品质量，使其在疾病的诊疗方面发挥更重要的作用。