區(qū)域性CT設(shè)備質(zhì)量控制的節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方法

李莉芳

(深圳市康寧醫(yī)院設(shè)備辦，廣東 深圳 518000)

0 引言

當(dāng)前， CT設(shè)備的質(zhì)量控制已引起全國各醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)和管理部門的廣泛重視，但對 CT設(shè)備的質(zhì)量控制方法還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。 CT設(shè)備作為目前最好的診斷設(shè)備之一，在使用過程中受到溫度和環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)老化。在其他檢測設(shè)備共同作用下設(shè)備會因干擾而產(chǎn)生診斷不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，因此保證設(shè)備的質(zhì)量控制可以使設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行，使患者受益最大。然而許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)對CT設(shè)備的質(zhì)量控制重視程度較差，影響設(shè)備的質(zhì)量與節(jié)能效果，對此，如何對設(shè)備節(jié)能優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為目前亟待解決的問題。同時，我國擁有大量醫(yī)療設(shè)備，設(shè)備的質(zhì)量控制一般是由檢測中心集體管控調(diào)節(jié)，并且均由人工完成，導(dǎo)致工作人員任務(wù)繁重，應(yīng)用時間長，不利于患者治病看病的需求。因此，本文提出對CT設(shè)備質(zhì)量控制方案，使用新的方法，依靠現(xiàn)代科技手段，對設(shè)備快速實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制檢測，加強(qiáng)圖像清晰度，便于診斷疾病，提高檢測效率，節(jié)省使用成本。

1 優(yōu)化控制參數(shù)

在CT設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控中，一些人為或者是機(jī)器自身因素均會使設(shè)備能量消耗嚴(yán)重并且縮短設(shè)備壽命，因此有必要對設(shè)備質(zhì)量采取保護(hù)措施，對設(shè)備進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行，利于工作使用，為此對節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計，以達(dá)到質(zhì)量控制的目的[1-6]。

由于CT設(shè)備工作持續(xù)時間較長，并且一直保持開機(jī)狀態(tài)，設(shè)備各方面能量損失比較嚴(yán)重，需要對設(shè)備系統(tǒng)的能量損耗情況進(jìn)行分析計算。度日法是對設(shè)備工作當(dāng)日能量總和的計算，假設(shè)限定工作時間為τB，受到周圍其他檢查儀器和磁場影響，設(shè)備消耗的總能量比單獨(dú)正常工作時更多，因此，如果運(yùn)用此方法計算，需要排除其他設(shè)備的干擾，了解其使用時間及次數(shù)、以及當(dāng)日天氣溫度，使設(shè)備消耗能量保持平衡。設(shè)備耗能系數(shù)為CEC，對CEC進(jìn)行計算，可以預(yù)估設(shè)備全天耗能指標(biāo),其公式為

(1)

P為全年消耗能量；QC為負(fù)荷能量；QH為溫度；QL為新負(fù)荷值。

CEC作為設(shè)備1年之內(nèi)的熱量消耗和風(fēng)能消耗總和，除以工作時間的總和，得出全年新負(fù)荷，而當(dāng)消耗能量持續(xù)降低時，通過耗能系數(shù)可以預(yù)判設(shè)備節(jié)能的范圍，因此，對CTDI的數(shù)值進(jìn)行測量是優(yōu)化控制參數(shù)和節(jié)能設(shè)計的重要步驟。首先，選擇1個常用長桿電離室，安置到CT設(shè)備中的指定位置，設(shè)置成水平方向，將長桿電離室的一端與CT測試儀相連接，在此條件下對模型進(jìn)行掃描，提前測量模型頭部中心C各個方向的CTDI數(shù)值，并且記錄對比。計算公式為：

(2)

(3)

下標(biāo)3、6、9、12代表4個方向；CTDIP為X射線掃描能量；CTDIC為掃描中心；CTDIW為X射線掃描層數(shù)。

2 目標(biāo)函數(shù)設(shè)計

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)上述控制參數(shù)優(yōu)化方法，設(shè)計三要素的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，包括設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。其中，設(shè)計變量是最佳設(shè)計的維度，優(yōu)化時將影響設(shè)備能耗較大的指標(biāo)作為優(yōu)化的設(shè)計變量[7-11]，將設(shè)計變量用X表示，其矩陣形式為

X=[X1,X2,…,Xn]T

(4)

基于該模型，設(shè)計約束條件，由于在優(yōu)化過程中不能任意取值變量，受到許多約束條件的影響，因此稱之為約束條件，其表達(dá)式為

(5)

m為不等式約束的數(shù)目；P為相等約束的數(shù)目。

同時，建立目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)也稱為評價函數(shù)，將目標(biāo)函數(shù)表示為

F(x)=F(x1,x2,…,xn)

(6)

x1、x2、xn分別為目標(biāo)函數(shù)。

以目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，直接反映設(shè)備中各設(shè)計變量的變化。

3 建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在對設(shè)備耗能測量與目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種控制設(shè)備消耗節(jié)能的基礎(chǔ)框架，明確控制目標(biāo)，計算控制參數(shù)，使設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化節(jié)能，便于操作。其流程如圖1所示。

圖1 節(jié)能控制框架

從圖1可知，在設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，可以確定控制參數(shù)，預(yù)測消耗能量，排除影響設(shè)備運(yùn)行的因素，對系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)作，并優(yōu)化系統(tǒng)，使其耗能達(dá)到最小。電流和電壓有變化時，也會使控制目標(biāo)產(chǎn)生不確定性，需實(shí)時檢測電壓開關(guān)，當(dāng)電壓開關(guān)因電量過大而發(fā)生故障時，系統(tǒng)應(yīng)立即切換成報警狀態(tài)，短暫維持電流通過，保障機(jī)器立即關(guān)閉，使能量損失減小。

在電壓和電流穩(wěn)定傳輸中，建立電量與設(shè)備質(zhì)量控制的函數(shù)關(guān)系，其公式為

(7)

K與G(s)為用電系數(shù)；C(s)為電流量；R(s)為設(shè)備所用電流量。而當(dāng)電量的輸入與輸出出現(xiàn)延遲狀態(tài)，則電流會出現(xiàn)慣性關(guān)系，其表達(dá)式為

(8)

τ為用電常數(shù)；t為時間常數(shù)；d為距離；C為電流量；r為指標(biāo)參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，采用遺傳算法優(yōu)化CT節(jié)能運(yùn)行，對其存在的問題進(jìn)行排序編碼，得到數(shù)學(xué)目標(biāo)函數(shù)。具體優(yōu)化設(shè)計的流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化流程

利用選擇、交叉等運(yùn)算方法挑選出適用的類似染色體的信息，選擇與其匹配的優(yōu)化方法。遺傳算法[12-14]可以使問題由難變簡，使一些復(fù)雜的難題經(jīng)過排列挑選達(dá)到最佳狀態(tài)，并且利用區(qū)域方式查找，其消耗的時間與效率都遠(yuǎn)勝于其他方法，限制條件也較少。因此，具體包括以下幾個步驟：

a.選擇排列順序，將1個染色體問題按照從大到小的順序轉(zhuǎn)化成遺傳算法中染色體的排序方式，確定染色體搜索空間。

b.建立函數(shù)關(guān)系，對所求問題建立函數(shù)關(guān)系，排除周圍環(huán)境對染色體的影響因素，也是解決問題的目標(biāo)函數(shù)。

c.選擇合適策略，被選中的適應(yīng)值越大，則概率越大。使用的方法常為適應(yīng)比例法，染色體分裂的后代與其適應(yīng)值成正比，并且染色體保持前后數(shù)量相同。

d.遺傳算法不受其他限制，需要計算的參數(shù)包括排列順序、染色體的長度、交叉與突變的方式。

e.遺傳算子，選擇適合的交叉變化順序，考慮到染色體的變異情況，設(shè)計遺傳算子。

f.當(dāng)最大進(jìn)化代數(shù)出現(xiàn)時，或適應(yīng)值達(dá)到某一級別時，算法停止變化。

從其遺傳算法的設(shè)計特點(diǎn)來看，其屬于最佳優(yōu)化節(jié)能方法，減少設(shè)備損耗。設(shè)備系統(tǒng)的控制目標(biāo)要在避免周圍其他檢測儀器的前提下，減少能量損耗。因此建立設(shè)備系統(tǒng)控制目標(biāo)函數(shù)為

(9)

P為CT消耗能量；PMV為熱量損失；Y為質(zhì)量系數(shù)；t為溫度；α、β、γ分別為能量消耗參數(shù)、舒適系數(shù)和消耗參數(shù)。

利用以上公式對設(shè)備系統(tǒng)功能進(jìn)行檢測耗能預(yù)測，制定節(jié)能設(shè)計函數(shù)，獲得控制參數(shù)最優(yōu)值，以此制定節(jié)能設(shè)計計劃。

以上流程完成設(shè)備的節(jié)能設(shè)計，最后為保證設(shè)備的質(zhì)量，需要定期檢查和維護(hù) CT機(jī)，定期評估設(shè)備性能和照片的質(zhì)量，主要檢查內(nèi)容如圖3所示。

圖3 質(zhì)量重點(diǎn)檢查內(nèi)容

同時，建立完整的檔案和質(zhì)量保證控制手冊，方便后期的查閱和修改。說明記錄中存在的問題，并及時解決和避免，完成對CT機(jī)的質(zhì)量控制。

4 實(shí)驗對比

為驗證所研究優(yōu)化方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗。此次實(shí)驗以某醫(yī)院的CT設(shè)備為實(shí)驗對象，并與傳統(tǒng)優(yōu)化方法做對比，對比2個方法優(yōu)化后的設(shè)備情況。

4.1 節(jié)能設(shè)計后運(yùn)行成本對比

對比傳統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行方法與本文方法后，設(shè)備的運(yùn)行成本對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 節(jié)能設(shè)計后運(yùn)行成本對比

通過分析圖4可知，本文方法在節(jié)能設(shè)計后有效減少運(yùn)行成本，并且明顯少于傳統(tǒng)方法的運(yùn)行成本，說明此次研究的優(yōu)化方法能夠有效降低設(shè)備能耗，從而減少設(shè)備的運(yùn)行成本。

4.2 節(jié)能設(shè)計后設(shè)備故障次數(shù)對比

設(shè)備是否發(fā)生故障也是衡量設(shè)計有效性的重要指標(biāo)，為證明節(jié)能設(shè)計的有效性，對2種方法設(shè)計后的設(shè)備故障次數(shù)進(jìn)行對比。通過對比可知，本文方法在完成節(jié)能設(shè)計后，沒有發(fā)現(xiàn)故障情況。說明本文的優(yōu)化方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能，還能夠保證節(jié)能設(shè)計的準(zhǔn)確性，具有較好的優(yōu)化效果。節(jié)能設(shè)計后設(shè)備故障次數(shù)對比如表1所示。

表1 節(jié)能設(shè)計后設(shè)備故障次數(shù)對比

4.3 優(yōu)化后設(shè)備工作實(shí)時性對比

設(shè)備工作的實(shí)時性是設(shè)備應(yīng)用效果的重要體現(xiàn)，傳統(tǒng)優(yōu)化方法與本文優(yōu)化方法的工作實(shí)時性對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后設(shè)備工作實(shí)時性對比

通過分析圖5可知，本文的優(yōu)化方法在節(jié)能優(yōu)化后，也能夠保證工作的實(shí)時性，而傳統(tǒng)的方法在優(yōu)化后，工作的實(shí)時性較差，較本文優(yōu)化方法優(yōu)化效果差。

5 結(jié)束語

本文主要對CT設(shè)備質(zhì)量控制節(jié)能運(yùn)行方法進(jìn)行設(shè)計，運(yùn)用遺傳算法分析設(shè)備信息和圖像，確保質(zhì)量控制檢測過關(guān)，診斷結(jié)果準(zhǔn)確，在設(shè)備安全穩(wěn)定工作的同時，構(gòu)建耗能函數(shù)模型，分析影響設(shè)備耗能原因，降低能量損失，并且構(gòu)建節(jié)能框架，在設(shè)備診斷結(jié)果準(zhǔn)確的條件下，達(dá)到節(jié)約資源和解決患者求醫(yī)困難的效果。實(shí)驗結(jié)果表明，采用此次研究方法優(yōu)化后，能有效減少設(shè)備的運(yùn)行成本與發(fā)生故障的情況，并提高設(shè)備工作的實(shí)時性。