打破醫(yī)療耗材伽馬屏障的新記憶

第一臺(tái)用于醫(yī)療器械滅菌的伽馬輻照器是在 1960 年代初開(kāi)發(fā)的。自從伽馬輻照被引入醫(yī)療行業(yè)以來(lái)，伽馬輻照的靈活性、可靠性和多功能性使其成為一次性醫(yī)療器械的首選滅菌方法。根據(jù)國(guó)際輻照協(xié)會(huì)（iia）的數(shù)據(jù)，伽馬加工目前至少占全球所有一次性醫(yī)療器械和用品滅菌的40%。盡管伽馬輻照與其他用于設(shè)備滅菌的物理和化學(xué)方法相比具有一些優(yōu)勢(shì)，但從歷史上看，伽馬輻照與采用浮柵存儲(chǔ)器技術(shù)的半導(dǎo)體設(shè)備不兼容。

本應(yīng)用筆記比較了伽馬輻射與其他滅菌技術(shù)，并介紹了Maxim Integrated使用DS28E80和DeepCover?安全認(rèn)證器DS28E83和DS28E84克服這種不兼容性的解決方案。

介紹

當(dāng)今的醫(yī)療器械及其支持設(shè)備通常包含一次性消耗性傳感器、電纜、探頭和/或其他外圍設(shè)備，以確保在與患者接觸之前無(wú)菌。在許多情況下，這些耗材可以直接受益于添加非易失性（NV）存儲(chǔ)器，用于嵌入制造特性、操作參數(shù)、標(biāo)識(shí)或使用監(jiān)控。這種增加的電子功能允許對(duì)醫(yī)療器械的耗材進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。它還通過(guò)記錄、限制甚至防止不衛(wèi)生的重復(fù)使用來(lái)確保產(chǎn)品的質(zhì)量。

不幸的是，當(dāng)伽馬輻照是生產(chǎn)所需的滅菌方法時(shí)，這些不同的好處在歷史上并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)橘ゑR輻射與傳統(tǒng)上采用NV存儲(chǔ)器中使用的浮柵存儲(chǔ)器技術(shù)的半導(dǎo)體器件（IC）直接不兼容，例如可擦除可編程只讀（EPROM），電可擦除可編程只讀（EEPROM）和閃存。暴露于伽馬高電離輻射會(huì)破壞這些存儲(chǔ)器中的邏輯位值，因此無(wú)法保留伽馬滅菌之前編程的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，設(shè)計(jì)人員被迫在嵌入式存儲(chǔ)器提供的附加功能和其產(chǎn)品的首選滅菌方法之間做出選擇。

為什么要進(jìn)行伽馬滅菌？

那么，這些醫(yī)用耗材的目標(biāo)滅菌水平是多少，為什么醫(yī)療OEM會(huì)選擇使用伽馬輻照而不是其他可用的滅菌方法，如環(huán)氧乙烷（EtO），電子束（E-beam）或X射線？為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先定義滅菌。

對(duì)于醫(yī)用耗材，滅菌是從物體表面減少導(dǎo)致疾病的病原生物（例如病毒、細(xì)菌、朊病毒、真菌和原生動(dòng)物）的過(guò)程。對(duì)于穿透或以其他方式接觸人體已經(jīng)無(wú)菌部位的消耗品，定義的低無(wú)菌保證水平（SAL）通常至少減少10-6或<>萬(wàn)到（基本上）零這些微生物群。如果使用得當(dāng)，這里提到的所有四種滅菌方法都可以通過(guò)破壞DNA鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)SAL，從而破壞這些微生物的繁殖能力。然而，伽馬為大容量一次性耗材提供了明顯的優(yōu)勢(shì)。

首先，伽馬輻照的過(guò)程是暴露于鈷-60源，這是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)流程，使其既可預(yù)測(cè)又可重復(fù)（即可靠）。更常見(jiàn)的間歇式生產(chǎn)流程要么需要對(duì)其滅菌源進(jìn)行啟動(dòng)和停止，要么需要日常維護(hù)和驗(yàn)證。要充分理解，請(qǐng)考慮上次購(gòu)買油漆或瓷磚的生產(chǎn)批號(hào)之間的細(xì)微差異。連續(xù)流有助于最大限度地減少生產(chǎn)中可能發(fā)生的這些差異。其次，除電子束外，伽馬的總處理時(shí)間更短。輻照材料可以在暴露完成后立即運(yùn)輸，而無(wú)需環(huán)氧乙烷通常需要額外的預(yù)處理、曝氣或后驗(yàn)證。除了這種更短和更簡(jiǎn)單的處理周期外，高能光子（伽馬射線）的高穿透力、寬發(fā)射角特性和最小的溫度效應(yīng)能夠在廣泛的產(chǎn)品材料、密封包裝類型和包裝尺寸上進(jìn)行滅菌。無(wú)需擔(dān)心殘留放射性、有毒殘留物，也無(wú)需在暴露后進(jìn)一步驗(yàn)證滅菌。

同樣，電子束和X射線都減少了處理步驟，沒(méi)有殘留毒素，也不需要后驗(yàn)證。然而，與伽馬輻射不同，電子束不能支持相同水平的穿透，因此更適合低密度、均勻的產(chǎn)品（例如，小型傳感器和導(dǎo)管）。此外，電子束明顯更高的計(jì)量速率需要嚴(yán)格計(jì)時(shí)，以避免過(guò)多的熱量積聚或?qū)Ρ粶缇牧袭a(chǎn)生其他不利影響。雖然X射線過(guò)程利用定向到X射線轉(zhuǎn)換器上的電子束來(lái)產(chǎn)生所需的高穿透光子，但與伽馬相比，將電子轉(zhuǎn)換為光子的過(guò)程效率低下。所有這些使得X射線比伽馬射線更昂貴。參見(jiàn)圖1。

圖1.滅菌技術(shù)比較。

伽馬輻照最初是在 1960 年代初引入醫(yī)療行業(yè)的。幾十年來(lái)，這些多功能性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)使 gamma 在領(lǐng)先的醫(yī)療設(shè)備制造商中持續(xù)流行，用于對(duì)沒(méi)有嵌入式存儲(chǔ)器的一次性耗材（例如注射器、針頭、套管）進(jìn)行滅菌。

抗伽馬存儲(chǔ)器保留可編程數(shù)據(jù)

幸運(yùn)的是，如今有用戶可編程的NV存儲(chǔ)器IC，它們采用了非浮柵技術(shù)，并且對(duì)伽馬輻射的高能光子轟擊具有很強(qiáng)的抵抗力。像Maxim Integrated的DS28E80 1-Wire存儲(chǔ)器這樣的抗伽馬存儲(chǔ)器保證其用戶編程數(shù)據(jù)超過(guò)醫(yī)療行業(yè)滅菌所需的20kGy至30kGy（千格雷）劑量水平。除了非浮柵NV存儲(chǔ)器外，DS28E80還采用了新的布局技術(shù)，以減輕對(duì)敏感電路的損壞，同時(shí)使用專有的不可逆氧化物狀態(tài)變化來(lái)確保用戶數(shù)據(jù)不受伽馬暴露的影響。使用這些抗伽馬存儲(chǔ)器，制造商可以在包裝和運(yùn)送到滅菌設(shè)施之前對(duì)其耗材的嵌入式存儲(chǔ)器進(jìn)行編程。?

除了伽馬輻射抗性外，這些存儲(chǔ)器還可以集成獨(dú)特的工廠編程識(shí)別碼、帶寫保護(hù)選項(xiàng)的用戶可重新編程存儲(chǔ)器模塊等功能，對(duì)于DS28E83和DS28E84，還可以通過(guò)橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）和安全哈希算法（SHA-256）進(jìn)行安全使用管理和防偽保護(hù)。Maxim Integrated的DS28E80、DS28E83和DS28E84等抗伽馬輻射存儲(chǔ)器具有電子電子功能優(yōu)勢(shì)，具有存儲(chǔ)器的靈活性、高伽馬電阻和可用的安全認(rèn)證功能，以及伽馬輻照為滅菌提供的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。記憶正在打破伽馬屏障。

1線抗輻射IC

DS28E80、DS28E83和DS28E84均為采用高度抗伽馬和電子束輻射的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元技術(shù)的IC，非常適合需要在封裝和對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行輻照滅菌之前對(duì)嵌入式存儲(chǔ)器進(jìn)行編程的應(yīng)用。此外，DS28E83和DS28E84提供對(duì)稱密鑰SHA-256和公鑰ECDSA安全認(rèn)證，保護(hù)患者免受不合格假冒設(shè)備或可能偶然的過(guò)度使用或重復(fù)使用的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

這些器件通過(guò)Maxim單觸點(diǎn)1-Wire總線進(jìn)行通信，每個(gè)器件都有自己保證的唯一64位序列號(hào)，該序列號(hào)由工廠編程到芯片中。憑借序列化、存儲(chǔ)器靈活性、高抗輻射性和安全認(rèn)證，這些器件不僅支持一次性醫(yī)療設(shè)備的存儲(chǔ)器需求，而且在必須最小化互連時(shí)通過(guò)單個(gè)專用觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

主要共享功能包括：

抗輻射高達(dá) 75kGy（千灰）

單觸點(diǎn)1線接口最大限度地減少了傳感器和儀器之間的互連 可編程非易失性用戶存儲(chǔ)器

靈活的多重保護(hù)選項(xiàng)，用于使用內(nèi)存

唯一的工廠編程 64 位標(biāo)識(shí)號(hào)

DS28E83和DS28E84的附加特性：

ECC-P256 計(jì)算引擎

FIPS 186 ECDSA P256 非對(duì)稱簽名和驗(yàn)證

ECDH密鑰交換，用于建立可選的會(huì)話密鑰

經(jīng) ECDSA 身份驗(yàn)證的可配置內(nèi)存 R/W

SHA-256 計(jì)算引擎

FIPS 180 SHA-256 數(shù)字簽名

用于安全下載/啟動(dòng)的 FIPS MAC

FIPS 198 HMAC 用于雙向身份驗(yàn)證和可選的 GPIO 控制

TRNG 與 NIST SP 800-90B 兼容熵源，具有讀出功能

審核編輯：郭婷