Medische productie: AI, automatisering & 3D-printen drijven innovatie

AM, AI, automatisering en meer drijven vooruitgang in medische productie.

Diep in de 21e eeuw, staat de medische industrie voor een reeks intrigerende uitdagingen, van vergrijzende bevolkingen tot een groeiende reeks gepersonaliseerde en thuisdiagnostische en zorggededines – allemaal tegen de achtergrond van toenemende digitale verzameling, overdracht en opslag van gevoelige patiëntdata.

Medische fabrikanten passen zich snel aan deze nieuwe realiteit aan. Additieve productie, of 3D-printen, wordt opgeschaald naar hogere productieniveaus voor een reeks medische apparaatonderdelen. Meer apparaten zijn ontworpen om gemakkelijk te zijn voor patiënten, cruciale informatie verzamelend en overdragend voor remote diagnose en monitoring. Dit leidt medische merkeigenaren tot het implementeren van een reeks beveiligingspraktijken om te ontwerpen voor en data te beheren binnen de groeiende Medical Internet of Things (MIoT).

Een enquête onder experts op het gebied van medische productie illustreerde het exponentieel uitbreidende repertoire van productiepraktijken en verantwoordelijkheden die leiden tot innovaties in gezondheidszorglevering.

Kansen managen

Als het gaat om het navigeren van opkomende kansen in medische productie, weet consultant Mark Bonifacio uit eerste hand de complexe berekening die betrokken is bij het behouden van de juiste productmix en kwalificaties in de zich altijd veranderende industrie. Dit wordt nog belangrijker naarmate de discussie opwaart over waarde-gebaseerde versus vergoeding-voor-dienst-modellen van gezondheidszorglevering.

Bonifacio richtte zijn eigen medische contractproductiefirma, APEC, op in 1997 en verkocht het in 2007 aan Freudenberg Medical, Carpinteria, Calif. Nu begeleidt zijn Bonifacio Consulting Services, Boston, bedrijven variërend van eenmans-contratfabricanten tot Fortune 500 OEM's terwijl ze strategiëren over hoe winstgevendheid te maximaliseren in een industrie waar componenten zoals botschroeven steeds meer gecommoditiseerd raken en hun marges smalen.

"Er is een grote divergentsie gaande tussen de commodity-kant van gezondheidszorg in medische apparaten versus de innovatieve kant" van Klasse 3 apparaten zoals cathetters en hartkleppen, die onderhevig zijn aan het hoogste risico tijdens gebruik en aan de strengste FDA-regelgeving onderhevig zijn. "We herinneren onze klanten dat in deze nieuwe wereld het van nature veel beter is om in die high-tech-kant van de apparaatwereld te spelen vanuit een marge-perspectief", adviseerde Bonifacio.

Het benutten van de eigen kernproductiecompetenties op nieuwe manieren is de sleutel, voegde hij toe – vooral naarmate de medische apparaat-supply chain geconsolideerd wordt en goedgekeurde leverancierslijsten uitbreiden of inkrimpen. Overname van complementaire technologieleveranciers of leveranciers die in de buurt van een medisch merkeigenaar's assemblage-faciliteiten opereren, is een steeds meer haalbare tactiek.

"We adviseren sommige bedrijven dat ze misschien hun weg in moeten overnemen" om toegang te krijgen tot een gegeven apparaatruimte of klant, zei hij. "OEM's vragen soms een leverancier om meer te doen, om misschien een paar sub-tier leveranciers te managen" in plaats van simpelweg te vertrouwen op specialisatie in alleen injectiegieten, extruderen of metalbewerking.

Het principe van slimme capaciteitsuitbreiding illustrerend is dit jaar de overname van Arcor Laser, Suffield, Conn., door medische contractfabrikant Cadence, Staunton, Va., die nu aan klanten laserlassen, boren, snijden en markeren kan aanbieden.

"Het is zeker een verkopersmarkt", zei Bonifacio. En, "als je iets hogere-ends doet wat andere mensen in dat med-tech-ecosysteem niet kunnen doen – iets aanbieden wat je gaat laten opvallen – ga je bijna geen keuze geven aan die OEM om je toe te voegen" aan hun roster.

In termen van specialiseren, merkte hij het geval op van Phillips-Medisize, Hudson, Wis., overgenomen door Molex, Lisle, Illinois, dat "zijn vlag plantte" met zijn mogelijkheden in high-end geneesmiddelverabreding – bijvoorbeeld in koude-ketenvoorziening, waarbij geneesmiddelen in apparaten worden gebracht op een productiefaciliteit.

Een ander opkomend gebied is kunstmatige intelligentie (AI) voor medische diagnose, een van de veel potentiële digitale zorgleveringstechnologieën in ongeveer dezelfde sfeer als Intuitive's da Vinci chirurgische robots, waarmee chirurgen minimaal-invasieve procedures op afstand uitvoeren met de robots' verhoogde bewegingsbereik. AI is de thuisdiagnose-marketingetreden, bijvoorbeeld met het diabetesmanagementsysteem van One Drop, New York. Het systeem's Bluetooth-glucosemeter gecombineerd met sensoren en een app om de bloedsuikerniveaus van een gebruiker te monitoren, niveaus over de komende 24 uur te voorspellen, en manieren voor te stellen om ze te managen.

Uiteindelijk, met commodity medische artikelen, stelde Bonifacio voor dat fabrikanten misschien moeten toegeven "dat schip heeft gevaren", dat "er niet veel innovatie daar is (en) de marge zal zijn wat het is en waarschijnlijk nog verder gecomprimeerd zal worden." Nu meer dan ooit is het tijd voor medische fabrikanten om gesprekken te beginnen, hetzij intern of met externe adviseurs, om "te denken over wat voor je ligt en misschien uit drie tot vier jaar."

Gepersonaliseerde zorg navigeren

Groeigebieden voor fabrikanten omvatten thuis-patiëntdiagnose en aangepaste patiëntenzorg, aangedreven door 3D-geprinte custom implants en chirurgische gidsen; digitaal verbonden monitoringapparaten; en meer geavanceerde genanalyse. Ontwikkelingen in deze gebieden creëren nieuwe kansen en partnerschappen.

"We zien veel integratie tussen de medische apparaat- en farmaceutische industrieën", merkte Allyson Hein op, medische apparaat-industrie-lead voor Clarkston Consulting, Durham, N.C. Het bedrijf ontvangt meer verzoeken voor "combinatie"-producten en ziet farmabedrijven medische apparaten toevoegen aan hun portefeuilles.

Gegeven de uiteenlopende regelgeving die farmaceutische of biotech-producten en medische apparaten regelt, wordt het verfijnen van kwaliteitsmanagementsystemen voor fabrikanten cruciaal.

Clarkston beoordeelt "elke hoek" van de QM-systemen van haar klanten om te bepalen of ze de passende maatregelen hebben "die een inspecteur voor een medische apparaatregelgeving gaat bekijken die misschien niet zoveel prioriteit had voor iemand uit de farmaceutische industrie komend", legde Hein uit. "Hoe je een medisch apparaat ontwerpt is anders dan hoe je een nieuw farmaceutisch of biotechnologieproduct op de markt brengt."

Deze zich ontwikkelende combinatie-apparaten zullen fabrikanten vereisen hun controlesystemen uit te breiden om regelgeving specifiek voor de ISO of CFR standaarden of FDA Corrective and Preventive Actions board review aan te pakken. Het benutten van enterprise resource planning (ERP)-software is essentieel, bijvoorbeeld, om uw supply chain te meten en te monitoren, van verwerving van grondstoffen tot opslag, testen en uiteindelijk verzenden. Makers van combinatie-apparaten moeten ook afstemmen welke regelgeving de leidende is en waar vereiste unieke apparaatidentificaties of serialisatienummers gemarkeerd zullen worden.

Kortom, rekening houden met elke stap van het medische productieproces, van leverancier tot eindgebruiker, zorgt niet alleen voor patiëntveiligheid maar beschermt ook fabrikanten door de integriteit van hun processen te codificeren. Dit geldt zelfs voor mobiele apps of andere software die misschien als entertainment oorsprong vinden maar evolueren naar iets waar patiënten en zelfs artsen op kunnen vertrouwen om beslissingen te nemen. In dergelijke gevallen, "wordt je een de facto medisch apparaat. Alleen omdat het digitaal is betekent niet dat het geen medisch apparaat is", waarschuwde Hein.

Consument-gebaseerde gezondheidszorg zal veel meer gepersonaliseerde apparaten drijven, concludeerde ze. "Als consumenten hebben we een grotere vraag naar iets dat specifiek voor ons is", zei ze. "Mensen vragen, 'Waarom moet ik naar het dokterskantoor gaan als er telemedicine kan zijn, of ik een apparaat in mijn huis kan hebben dat data en resultaten kan communiceren naar mijn arts?'"

Productie opschalen

De vraag naar medische producten neemt op zo'n tempo toe dat fabrikanten hulp zoeken om hun productie op te schalen van, bijvoorbeeld, 10.000 diagnostische cartridges per maand naar één miljoen, zei Etoli Wolff, vicepresident van sales voor Owens Design, Fremont, Calif.

Voor de meeste van zijn 35 jaar richtte Owens Design zich op high-tech productie, zoals harde schijven, halfgeleiders, schone energie en opkomende technologieën, legde Wolff uit. Echter, door de cyclische aard van dat bedrijf, diversifieerde het bedrijf ongeveer vijf jaar geleden in de life sciences.

Veel van Owens' klanten zijn in de Bay Area en richten zich op point-of-care diagnostische apparaten, die veel verbruikcomponenten vereisen, voornamelijk de cartridges die gebruikt worden om tests uit te voeren. Naarmate de vraag naar die apparaten groeit, roepen bedrijven Owens in om hun uitbreidende productievereisten te managen.

"Veel van onze klanten hebben niet de interne middelen om op snelheid te komen en snel een ramp-up oplossing te bedenken", legde Wolff uit. Sommige klanten zijn nog niet in productie en hebben hulp nodig om productie te starten om een product op de markt te brengen.

Voor gevestigde fabrikanten, repliceert Owens eerst hun exacte productiemethoden om te beoordelen hoe ze uitgebreid kunnen worden zonder een nieuwe FDA-goedkeuring te vereisen. Voor startups moet handmatige assemblage in het lab vertaald worden naar een geautomatiseerd proces. Owens ontwerpt en bouwt een automatiseringssysteem, en klanten voeren een proefdraai uit in Owens' faciliteit voordat de assemblage lijn naar de klant wordt verzonden.

Deze pick-and-place lijnen inspecteren onderdelen met visiesystemen, voegen chemische reagentia toe die pathogenen diagnosticeren, en assembleren meerdere injectie-gegoten onderdelen tot de finale cartridge. Deze volledig custom systemen kunnen doorvoer versnellen van ongeveer één deel per minuut naar één deel elke 10 tot 20 seconden en produceren niet alleen diagnostische apparaten maar dingen zoals applicators.

Owens is een cruciale partner voor medische productie dankzij zijn expertise in het ontwerpen van gecontroleerde processen voor halfgeleiders, waar precisiemachines toleranties tot op micron- en submicron-niveau moeten halen, zei hij, met de opmerking dat biomed-technologie misschien ongeveer 10 jaar achter halfgeleidertechnologie loopt – maar snel inhoudt.

"Elke van die klanten heeft een goed gedefinieerd proces nodig" aan het begin, adviseerde hij, "want als hun proces foutief is, zal automatisering het niet repareren." Uiteindelijk is de medische markt "gigantisch", met meer kansen die in Azië en de Derde Wereld komen. En, "het is minder cyclisch dan ik in andere industrieën heb gezien" due in no small part aan FDA-regelgeving die een constant tempo afdwingt.

3D-printen komt op snelheid

In iets meer dan zes jaar is GE Healthcare's additieve productieteam in Waukesha, Wis., gegroeid van de verkennende stadia naar het bouwen van een 3D-printcultuur waarin ontwerpers welverstand in diverse processen in engineering-teams over het bedrijf heen zijn ingebed.

Jimmie Beacham, chief additive engineering leader voor GE Healthcare, leidt die opmars, hoewel er een hoop uitdagingen zijn – zoals het feit dat "99 procent" van de ingenieurs van het bedrijf AM niet in college bestudeerden en de meeste ingenieurs' perceptie ervan ontwikkeld werd door het verkennen van simpele rapid prototyped kunststofonderdelen.

"Additief is redelijk nieuw wanneer het gaat om functioneel printen", legde hij uit, in termen van "de mogelijkheid om onderdelen te printen die de kracht en functionaliteit hebben die we nodig hebben om apparaten te maken."

Het uitbreiken van de bereik van 3D-printen betekent dat medische apparaatfabrikanten "veel jaren van wat ingenieurs hebben geleerd rond subtractieve productie moeten ontwarren. Ze hebben allemaal een ontwerp gehad dat ze naar een leverancier of machinewinkel stuurden, en de machinewinkel kwam terug en zei, 'Nee, je kunt dat niet doen.'"

Nu, niet alleen heeft 3D-printen zich uitgebreid voorbij de vroege dagen van rapid prototyping van vorm en pasvorm, het kan nu functie levereren, wat seriële productie van functionele onderdelen versnelt.

Bijvoorbeeld, GE Healthcare heeft een paar medische componenten die dit jaar in productie gaan die in de tienduizenden per jaar gemaakt zullen worden met selective laser sintering (SLS). Afhankelijk van deelvolumes, oppervlakteafwerkingsvereisten en de productieomgeving, zal GE ook het passende niveau van automatisering en andere geavanceerde productietechnologieën incorporeren.

"We hebben een enorme versnelling van toepassingen in additief voor onze medische apparaten gezien", voornamelijk componenten voor diagnostische apparatuur, merkte Beacham op. Aan het einde van 2020 verwacht hij meer dan 20 delen van ontwerpstadium naar productie te laten vorderen met een trechter van meer dan 100 componenten die voor AM ontworpen worden. Additief wordt de meer aantrekkelijke keuze ten opzichte van andere productiemethoden wanneer het kan tonen:

• lagere kosten, doorgaans door onderdelen te combineren en de supply chain te vereenvoudigen,
• verbeterde prestaties, zoals thermisch beheer of beeldkwaliteit, en
• verbeterde productkwaliteit, door kansen voor menselijke fouten te verminderen door de eliminatie van meervoudige-componentenassemblage.

Met meer dan 40 engineering-teams die componenten ontwerpen over GE Healthcare heen, heeft Beacham een cross-functioneel team van drie additieve programmaleiders, een additieve supply chain-strategist en procesdeskundigen die interageren met die teams over de drie business units van de organisatie heen. De design-for-additive cultuur wordt opgebouwd door regelmatige trainingsseminars en "additieve toppen", waar ingenieurs problemen aan tafel brengen die niet opgelost konden worden met traditionele productie.

Deze inspanning wordt versterkt door een procesdeskundige bij "bijna alle modaliteiten van 3D-printen" zoals metal binder jet, direct metal laser melting voor roestvrij staal, titanium, aluminium en tungsten, alsook methoden voor polymeren, inclusief fused deposition modeling, SLS, stereolithografie en poly jet.

Elektronica printen is een andere GE Healthcare-specialiteit, met behulp van het direct write-proces. Een fijn gecontroleerde aerosolstroom van nanosize metaaldeeltjes in een oplossing wordt op 3D-oppervlakken gespoten. De deeltjes gesinterd om elektrische circuits te vormen die zich aan een vorm aanpassen. Een voordeel is het kunnen printen van antennes en sensoren op unieke plekken op een manier die nooit haalbaar of kosteneffectief was.

"De perceptie van additief in het algemeen is dat het goed is voor laag-volume, high-mix onderdelen", stelde Beacham. "De realiteit verandert snel", vooral naarmate 3D-printer OEM's de snelheid van hun apparatuur verhogen. Kunststofprinten naderen injectiegietvolumes, voegde hij toe. In termen van het reguleren van 3D-geprinte producten voor patiëntveiligheid, "is de FDA erg proactief geweest in het proberen het te begrijpen (en) extra risico's te vermijden" – met name in het geval van het monitoren van een hoop unieke, patiënt-specifieke implants ten opzichte van massaprogeproduceerde componenten.

Uiteindelijk is additief "als elk ander proces", concludeerde hij. "We moeten de juiste ontwerprigor en procescontroles uitoefenen (zoals poedermonitoring en het printproces) om te verifiëren dat elk product of deel dat we maken veilig en effectief is en voldoet aan klantvereisten en FDA-richtlijnen."

De Medical Internet of Things beveiligen

Toen Steve Abrahamson GE Healthcare's senior director voor productcybersecurity werd, was hij de enige persoon die er ongeveer drie jaar aan werkte. In de rol dienend voor ongeveer negen van zijn 22 jaar bij GE, is Abrahamson nu onderdeel van een bedrijfsbrede kader van meer dan 100 product security leaders (PSLs) en product security representatives (PSRs) die zich door de organisatie heen uitstrekken, ervoor zorgend dat databeveiliging top of mind is van productconcept tot ontwerp tot productie.

"We moeten nadenken over risico's voor patiëntveiligheid omdat beveiligingskwesties een impact kunnen hebben op patiëntenzorg", legde hij uit. "We moeten rekening houden met dataprivacy en apparaatbeschikbaarheid."

GE Healthcare's interne beveiligingsexperts opereren onder GE Healthcare's Design Engineering for Privacy and Security (DEPS)-proces, dat zorgt dat "we de juiste beveiligingseisen bepalen om in de specificatie van het ontwerp te bouwen" van alle toepasselijke GE-medische apparaten. PSLs interageren direct met hun toegewezen engineering-teams, terwijl PSRs functioneren binnen die productengineering-teams om DEPS-praktijken te garanderen.

DEPS stipuleert gedetailleerde analyse van medische apparaatrisico's door factoren aan te pakken zoals of een apparaat beschermde patiëntinformatie opslaat, hoeveel, en of er een gedefinieerd doel is voor het verzamelen van die data.

"Op basis van die risiconiveaus integreren we in de ontwerpspecificaties functies die beveiligingscontroles heten", die, bijvoorbeeld, gebruikers kunnen authenticeren of ervoor zorgen dat ze het passende toegangsniveau hebben tot specifieke apparaatfuncties.

Toevoegend aan de delicatesse van het managen van opkomende MIoT-kwesties is de reeks regulerende instanties die risico's monitoren langs het spectrum van patiëntenzorg. De FDA en zijn equivalenten over de hele wereld reguleren patiëntveiligheid. Maar in het geval van het beschermen van patiëntinformatie en dataprivacy, bijvoorbeeld, dwingt het U.S. Office for Civil Rights van het Health and Human Services-departement de Health Insurance Portability and Accountability Act (HIPAA) af.

Niet alleen dat, maar "we werken ook met het Department of Homeland Security bij het aanpakken van algemene beveiligingskwesties die misschien niet direct betrekking hebben op patiëntveiligheid of dataprivacy, maar meer impactvol kunnen zijn vanuit een nationale veiligheid en kritieke infrastructuurperspectief."

Fabrikanten moeten handig zijn in het managen al die "risicodomeinen" en afstemmen op de verwachtingen van die organisaties.

"Ons ontwerpproces is heel apparaatspecifiek en risicogebaseerd. Wanneer we door productontwikkeling gaan, kijken we naar alle risicofactoren geassocieerd met hoe we verwachten dat het apparaat gebruikt gaat worden en zorgen we ervoor dat we de passende controles implementeren."

Datacontroles worden geïmplementeerd op basis van of apparaten in ziekenhuizen en klinieken of thuis gebruikt worden, en of ze data naar de cloud streamen. Plannen om een gegeven apparaat door zijn hele nuttige leven te ondersteunen, rekening houdend met de software die gebruikt wordt, zijn vermogen om geüpdatet te worden, en potentiële kwetsbaarheden. Na productie kan apparaatprestaties ten opzichte van beveiligingsrisico's tijdens gebruik gemonitord worden.

Een MIoT-beveiligingsmindset door alle fasen van medische apparaatproductie heen verspreiden is taak nr. 1, stelde Abrahamson. Verschillende jaren geleden implementeerde GE Healthcare bijvoorbeeld beveiligingseisen in zijn sourcing-proces om te garanderen dat leveranciers passende beveiligingsprogramma's hebben. "We willen geen componenten met achterdeurtjes of verborgen malware en software in onze supply chain of productieproces laten kruipen."

Op bredere schaal concludeerde hij, is medische apparaatbeveiliging heel erg een industriebrede inspanning.

"We willen niet concurreren (met andere merkeigenaren) op veiligheid en beveiliging, dus er is een hoog niveau van samenwerking. Ik ken alle productcybersecurity-mensen bij de andere grote fabrikanten. We delen informatie en best practices, en we werken met de FDA om hun richtlijnen fijn af te stellen. We hebben ook erg goede werkrelatingen met onze klanten. We bouwen naar meer standaardpraktijken."