醫用穿戴式腦電設備技術審評規范分析

李國勇，夏文龍，肖杰，陳歐，耿友軍

1.山東省食品藥品審評查驗中心，山東 濟南 250014；2.山東大學 護理與康復學院，山東 濟南 250012

引言

腦電圖通過腦電極記錄腦神經細胞在大腦皮層或頭皮表面的自發性、節律性電生理活動[1]。醫用穿戴式腦電設備用于對患者頭皮腦電信號的提取、放大、濾波、記錄、分析、回放等，與傳統腦電設備相比具有硬件集成度高、智能化程度高、便攜性好、可長期實時檢測等特點[2]，可應用于精神性疾病、神經障礙、腦卒中康復等疾病的長期監測、輔助診斷，已成為國內外關注的熱點。Martins等[3]、Cao等[4]、Taufique等[5]利用可穿戴腦電設備對偏頭痛發作前后的生理變化進行研究，實現了對患者病情的預測和早期干預。Ryu等[6]、Sopic等[7]利用腦電進行癲癇疾病的監測研究；Rohani等[8]利用頭戴式腦電進行抑郁癥的研究；Bhagat等[9]、Kong等[10]利用穿戴腦電設備進行偏癱和腦卒中患者的康復訓練。

經查詢國內外藥品監管機構官方網站，發現近幾年來，美國已陸續批準了多款醫用穿戴式腦電產品上市，用于睡眠監測、腦卒中患者康復訓練、癲癇監測等領域，國內獲批的同類產品還非常少。總體來看，目前該類產品仍主要集中于科學研究領域，獲得醫療器械注冊證并進行臨床應用的產品較少。主要原因為該類產品目前尚沒有相應的國家標準、醫藥行業標準，國內外也沒有相應的審評規范，致使該產品注冊上市、質量控制均存在一定難度。尤其是該產品技術創新性強、迭代升級快，在應用轉化過程中，研究者對監管法規了解不深，缺乏必要指導，造成對產品的驗證、確認不充分，致使注冊周期長、難度大。本文從技術審評角度出發，圍繞審評工作的主要評價指標，如產品結構組成、主要風險、性能要求、臨床評價等，開展詳細闡述及分析，以期為該類產品的設計開發、生產、注冊、使用、上市后監管提供依據。

1 產品情況概述

1.1 工作原理

醫用穿戴式腦電設備主要利用穿戴式電極采集患者皮膚表面的腦電信號，經過濾、放大、數模轉化后，通過無線等方式傳送至移動終端，然后再經移動終端傳送到云端或服務器端，利用軟件算法實現對信號的分析處理，并將分析結果反饋給患者或醫療機構。該產品可實現對腦電信號的實時提取、長期監測和在線分析。產品也可以由上述功能模塊的部分單元組成，原理圖如圖1所示。

圖1 產品原理圖

該類產品根據《醫療器械分類目錄》[11]，其分類編碼為07-03-06，適用范圍為對患者精神性疾病和腦部實質性病變的分析診斷、腦功能狀態評估等。該產品雖然與傳統的腦電圖機在同一個目錄下，但產品的工作原理、結構組成、性能指標、臨床評價等方面都存在較大差異，詳細闡述如下。

1.2 結構組成

該產品通常由腦電電極、腦電導線、腦電放大模塊、無線通信模塊、軟件等組成，或將其中的幾個模塊集成為1個模塊，申報中應依據產品的實際情況予以說明，具體如下：

（1）腦電電極：實現皮膚表面腦電信號的實時采集。應明確電極的類型、材質、通道數量、穿戴方式，如干電極還是濕電極，單通道還是多通道，佩戴于頭部、耳朵還是其他位置。腦電電極也可單獨注冊，其分類編碼為07-10-03，管理類別為Ⅱ類。

（2）電極線：主要用于電極與放大模塊的連接。明確電極線的材質、形式，如夾式、盤式、帽式等。電極線也可單獨注冊，分類編碼為07-10，管理類別為I類。

（3）腦電放大模塊：實現腦電信號的濾波、放大、數模轉化等功能。應明確是否與電極、電極線為一體式設計。

（4）無線通信模塊：實現腦電監測數據的傳輸，應明確無線通信方式，如藍牙、Wi-Fi、4G/5G、ZigBee等。說明通信的具體路由，通過移動終端轉發，還是直接與遠端通信。

（5）軟件：實現信號的預處理、特征提取、分類識別等功能。應明確產品包含的軟件類型及發布版本號，如嵌入式軟件、移動端軟件、服務器端或云端軟件等。獨立軟件常單獨注冊，按照其預期用途、算法成熟度等因素[12]，其分類編碼可為21-03-02，管理類別為Ⅱ類或分類編碼為21-04-02，管理類別為Ⅲ類或Ⅱ類。

2 技術審查要點

2.1 主要風險

產品風險管理可參照YY/T 0316-2016《醫療器械風險管理對醫療器械的應用》[13]的要求，并結合申報產品的具體特征，對風險進行詳細識別、分析、控制及監測。一般常見的風險審評要點如表1所示。

表1 常見的風險審評要點

2.2 主要性能研究

2.2.1 主要性能確定依據

（1）產品適用標準研究。目前該類產品尚沒有相關的國家標準、醫藥行業標準，只有醫用電氣設備的基本安全標準，產品應當符合適用的電氣安全強制性標準。JJF 1388-2013《數字腦電圖機及腦電地形圖儀型式評價大綱》[14]、JJG 954-2019《數字腦電圖儀檢定規程》[15]與該產品具有相關性，但為計量行業標準，主要用于產品上市后使用中的檢定、校準，但JJG 954-2019不適用于動態腦電記錄儀。確定產品性能指標時可參考上述標準的適用條款。

（2）腦電信號的采集處理研究。腦電信號具有信號形態多、幅度小、噪聲強、隨機性強、非線性等特點[13]，因此信號的采集、去噪、特征提取、特征分類與產品性能密切相關，應有相應的驗證、確認。

腦電信號頻率為 0.5～100 Hz，幅度大多為 5～200 μV[1]，很容易受到其他信號的干擾，如人體運動、環境噪聲、工頻干擾、面部肌肉動作、心電、肌電等。產品必須具有抗干擾設計，信號處理分析前，必須進行預處理，降低噪聲、去除偽差。應明確產品抗干擾設計的具體參數，如輸入阻抗、共模抑制比、帶通濾波器的截止頻率、幅頻特性、耐極化電壓等，是否有陷波濾波消除工頻的干擾[16]等。腦電信號的頻率低至0.5 Hz以下，應說明時間常數的確定原則，既要有足夠的低頻特性，又要兼顧電容等元器件的選取。明確測量準確性的參數，如準確度、信號靈敏度。產品采樣頻率越高，頻譜越豐富，可提取的特征量就越多，但數據處理、數據傳輸的負荷則越重，處理時間也越長，應根據產品的設計，合理確定產品適用的采用頻率及設定依據。

（3）腦電電極研究。電極相當于產品的信號源，電極的特性與測量的準確性密切相關。腦電電極與心電電極具有一定相似性，性能指標可參照YY/T 0196-2005《一次性使用心電電極》[17]制定，如電極的阻抗、極化特性、穩定性、微生物要求等指標。因為該產品需要長期佩戴，穩定性指標除要明確1 min后的直流失調、5 min后的復合失調不穩定性外，還需要制定至少8 h內的偏置電流耐受度指標。還應明確電極的材質，如Ag/AgCl、鍍金、鍍銀、合金等，說明電極的類型，如圓盤電極、帽式電極、干電極、織物電極。說明電極的通道數、導聯方式。說明采用電極的優缺點、使用原因，如Ag/AgCl干電極具有成本低、佩戴舒適、檢測方便、耐極性化高等優勢，但是易受毛發的干擾[18]，故常與高輸入阻抗放大器配合使用。若濕電極與導電膏等配合使用，應在說明書中詳細說明操作過程，明確導電膏類型，注意皮膚過敏等。明確電極的放置方式，10-20標準方式還是自定義方式，明確各電極之間的放置位置、參考電極等，若采用自定義方式應提供相應的理論依據。應說明導線的材質、阻抗，如銅線、銀鉑絲等，導線是否與電極預連接等。

（4）無線通信研究。應明確無線通信的具體類型、無線通信的路由，分析無線通信對功耗的影響、對腦電信號的影響。

（5）生物相容性研究。因產品的電極等部件與人體接觸，應明確產品與人接觸部分的部件名稱、部件材料名稱、接觸部位和接觸時間，按照GB/T 16886.1-2022《醫療器械生物學評價 第1部分：風險管理過程中的評價與試驗》[19]進行評價。該產品一般為與完好皮膚短期接觸，因此至少需要提供與人體接觸部件的細胞毒性、致敏反應的驗證資料。

（6）消毒滅菌工藝研究。確定產品適用的消毒滅菌方法、參數及驗證資料，如環氧乙烷滅菌、濕熱滅菌等。明確電極的提供方式，一次性使用還是重復使用，無菌使用還是微生物控制后使用。若電極可重復使用，應研究消毒滅菌對電極的影響，與電極材質的適用性，確定可允許的使用次數。

2.2.2 產品技術要求

產品的主要性能應包含信號采集處理性能、電極性能、安全要求、軟件功能等，產品技術要求中制定的性能指標應與2.2.1研究資料相一致。其中軟件功能在2.3中描述。

（1）信號的采集處理性能：主要考慮抗干擾與去噪性能、測量結果的準確性。抗干擾性能與去噪包括輸入阻抗、共模干擾的抑制、耐極化電壓、噪聲電平、幅頻特性、高低頻的濾波性能、時間常數等；測量結果的準確性包括標準信號的準確度、信號靈敏度等。

（2）電極性能：若產品采用自制電極或購買無醫療器械注冊證的產品，還應對電極制定相應評價指標，如交流阻抗、直流失調電壓、復合失調不穩定性和內部噪聲、偏置電流耐受度、微生物限度/無菌、環氧乙烷殘留等指標。建議技術要求附錄中明確電極和導線的材質、腦電極的放置方式等。

（3）安全要求：產品應符合強制性國家標準和行業標準的要求。如電氣安全應符合GB 9706.1-2020《醫用電氣設備第1部分：基本安全和基本性能的通用要求》[20]，電磁兼容應符合YY 9706.102-2021（YY0505-2012）《醫用電氣設備第1-2部分：基本安全和基本性能的通用要求 并列標準：電磁兼容 要求和試驗》[21]。穿戴式產品一般為內置電源，電磁兼容一般只檢驗輻射發射、靜電放電、射頻輻射抗擾、工頻磁場項目。若產品僅為腦電電極不帶電極線，電磁兼容可以豁免。若具有報警功能，還應符合YY 9706.108-2021《醫用電氣設備第1-8部分：基本安全和基本性能的通用要求 并列標準：通用要求，醫用電氣設備和醫用電氣系統中報警系統的測試和指南》[22]的要求。若產品可用于家用，還應符合YY 9706.111-2021《醫用電氣設備 第1-11部分：基本安全和基本性能的通用要求 并列標準：在家庭護理環境中使用的醫用電氣設備和醫用電氣系統的要求》[23]的要求。另外，因該產品與傳統的腦電圖機有明顯差異，所以GB 9706.226-2021《醫用電氣設備 第2-26部分：腦電圖機的基本安全和基本性能專用要求》[24]適用范圍中明確“動態腦電圖記錄器”等產品不適用，故該產品不采納此標準。

2.3 軟件研究

2.3.1 產品軟件和網絡安全研究

該產品可包含多個軟件，如嵌入式軟件、移動終端軟件、服務器端軟件等。嵌入式軟件運行在腦電設備中，為設備的必要組成部分，實現腦電數據的采集、初處理等功能；移動終端軟件和服務器端軟件實現腦電信息的處理、分析、顯示、傳輸，應明確產品包含的軟件類型。

（1）軟件的管理類別：可參照《人工智能醫用軟件產品分類界定指導原則》[12]并結合軟件的預期用途、算法成熟度等因素進行綜合判定。若軟件功能可實現對病變的自動識別等輔助決策且算法在醫療應用中成熟度低，一般按照第三類醫療器械管理；若軟件功能僅為數據的分析處理、傳輸等非輔助決策，一般按照第Ⅱ類醫療器械管理；若軟件模塊為Ⅲ類，則整個產品也按Ⅲ類申報。

（2）軟件的風險程度：醫療器械軟件的風險程度采用軟件的安全性級別進行描述，可根據產品的預期用途、核心功能等進行綜合判斷。該軟件實現信號的預處理、特征提取、分類識別等功能，其核心功能、核心算法具有一定復雜性，不是簡單的操作類、流程類功能，處理結果可能會對患者間接產生輕微傷害，一般建議不低于中等級別。

（3）軟件的通用功能研究：產品的所有軟件都應參照《醫療器械軟件注冊技術審查指導原則》[25]、《醫療器械網絡安全注冊技術審查指導原則》[26]、《人工智能醫療器械注冊審查指導原則》[27]的要求提交軟件研究報告、網絡安全研究報告等資料，研究資料中需包含需求分析、測試計劃、測試報告、追溯性分析報告、核心功能等。若使用了人工智能，應提供算法研究報告等；若具有網絡控制功能，應提供數據完整性和可得性的測試報告；若使用云計算服務，應根據云計算類型提交相應研究資料，并在運行環境中明確云計算的名稱、服務模式、部署模式、配置以及云服務商的名稱、住所、服務資質。還應參照GB/T 25000.51-2016《系統與軟件工程系統與軟件質量要求和評價（SQuaRE）第51部分：就緒可用軟件產品(RUSP)的質量要求和測試細則》[28]提供軟件質量的測試報告。

（4）軟件分析性能研究：腦電信號與心電、肌電、眨眼等人體生理信號的頻譜非常接近，且具有很強的隨機性、非線性特性，使信號的特征提取、分類識別具有很大挑戰性，也是目前該領域的重要研究熱點。特征提取可能會包含時域特征、頻域特征、幅值特征等，應明確各過程采用的算法，如自回歸、獨立變量分析、快速傅里葉變換、小波變換、功率頻譜分析等。明確能識別的特征類別，詳細說明識別的依據和采用的算法[29-30]，如K最近鄰算法、基于決策樹、支持向量機、卷積神經網絡等，提供識別的敏感度、特異性、準確性等性能的驗證資料。若具有自動分析功能，應詳細說明軟件的具體功能和驗證方法，明確軟件分析結果是否需要人工復核，并在說明書中進行說明。

2.3.2 產品技術要求的軟件性能

軟件主要性能指標：軟件的全部核心功能、性能效率、接口、訪問控制、運行環境等。軟件核心功能包括波形或數值的顯示、存儲、回放、功率譜幅度、功率譜密度及分析功能等，應與產品的適用范圍相匹配。性能效率包括響應時間、并發量、資源利用率等。臨床評價中應對產品的主要性能和適用范圍進行確認。

技術要求附錄中建議提供軟件的體系結構圖、用戶界面關系圖與主界面圖示、物理拓撲圖。體系結構圖描述軟件的主要軟件模塊功能、必備軟件、云計算等。

2.4 產品穩定性研究

產品使用期限研究可參照《有源醫療器械使用期限注冊技術審查指導原則》[31]進行，研究方法可采用加速老化試驗、實時老化試驗、同類產品的經驗數據、可靠性評估分析、理論仿真等方式。實時老化為產品使用期限研究提供了最佳數據，但評價周期太長。為確保加速老化研究能代表產品真實老化情況，建議實時老化研究與加速老化研究同步進行。若產品采用鋰電池等內部電源供電，應對電池進行評價，評價報告中建議關注電池的工作條件、標稱電壓、電壓波動范圍、充放電次數、電池維護等。軟件的使用期限即為軟件的全生命周期，可通過商業因素進行確定。

應提供產品環境試驗驗證資料，參照GB/T 14710-2009《醫用電器環境要求及試驗方法》[32]氣候環境試驗Ⅱ組、機械環境試驗Ⅱ組的要求，驗證產品在高溫、低溫、濕熱、振動、碰撞等條件下的性能。應提供產品運輸穩定性和包裝研究資料，以證明在規定的運輸包裝條件下，保證產品的包裝和穩定性能滿足要求。

2.5 臨床評價研究

腦電圖機、腦電地形圖儀、數據處理軟件產品已經列入《免于臨床評價醫療器械目錄》[33]中，若產品不含自動分析功能，且與目錄中描述相一致，可以按照《列入免于臨床評價醫療器械目錄產品對比說明技術指導原則》[34]要求，提供對比資料，證明與目錄中產品具有等同性，可豁免臨床評價。

若產品為無線穿戴式且電極采集信號的位置未采用國際10-20系統電極位置或具有自動分析功能，產品明顯與豁免目錄產品不同，則需通過同品種醫療器械比對路徑或臨床試驗路徑進行評價。

若通過同品種比對的方式進行臨床評價，應按照《醫療器械臨床評價技術指導原則等5項技術指導原則》[34]中《醫療器械臨床評價技術指導原則》《醫療器械臨床評價等同性論證技術指導原則》論證申報產品與對比產品在適用范圍（適應證、適用人群、適用疾病階段等）、技術特征（工作原理、產品性能、軟件特性、核心算法等）、生物學特性方面具有廣泛相似性，并收集同品種產品的臨床文獻數據、臨床經驗數據、臨床試驗數據等臨床數據，經分析評價，形成臨床評價報告。

若采取臨床試驗路徑進行臨床評價，應根據產品風險、適用范圍、自動分析功能等合理確定試驗類型、入組標準、主要評價指標、樣本量等，并提交倫理批件、臨床試驗方案、臨床試驗報告等，臨床試驗應符合《醫療器械臨床試驗質量管理規范》[35]的要求。若產品可用于家用，還應充分考慮用戶的認知、操作能力。

3 審評關注點

該產品與傳統的腦電圖機具有很大不同，建議在審評中重點關注以下方面：① 產品結構組成是否明確，應明確產品所有主要組件，明確所含軟件的類型，是否含分析軟件、云計算等；② 產品的適用范圍是否與軟件的主要功能相一致，是否在臨床評價資料中進行了確認；③ 產品技術要求是否執行了強制標準，軟件臨床功能、網絡安全要求是否制定了相應要求；④ 產品軟件是否具有自動分析功能，是否用于輔助決策，核心算法在醫療應用中是否為成熟算法，并根據以上信息確認產品管理類別和臨床評價路徑是否合理；⑤ 產品臨床試驗樣本選取、主要評價指標是否合理，試驗結論是否明確，是否能夠確認產品的適用范圍；⑥ 產品的主要風險是否已經充分識別并經過了驗證；⑦ 產品若用于家用，應充分考慮非醫療環境、非專業人士使用的風險，應對非專業人士認知能力、操作能力進行確認。

4 結論

本文構建了一套適用于醫用穿戴式腦電設備技術審評的評價規范，基于安全、有效的基本要求，對產品的結構組成、主要風險、性能指標、臨床評價等方面的注冊要求進行了詳細闡述，以期提高產品質量、滿足臨床需求，實現產品盡快上市。但目前腦科學、人工智能技術發展迅速，軟件的自動分析能力也在不斷提高。下一步將對軟件自動分析功能的臨床評價，提供更詳細的建議；對數據標注、數據質控、系統的準確度和靈敏度等要求進行更深入的研究，使規范更具有指導性；同時人工智能算法的訓練往往需要大樣本的數據庫，下一步將對數據庫樣本數量、分布及用戶隱私保護等進行更詳細的分析研究。