基于可靠性的CT影像設備保養策略研究

□ 李玉峰 Li Yu-feng 高翔 Gao Xiang 閆亭亭 Yan Ting-ting 張璐璐 Zhang Lu-lu

醫學影像設備是醫用設備的主要部分，數字化X線攝影(digital radiography，DR)和核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)等多種影像設備已在各級醫療機構使用，為患者提供精確診斷和有效治療發揮著不可替代的作用[1]。由于構造復雜，價格昂貴，為了使設備保持良好狀態，需要制定完善的維護和管理計劃。

2019年1月，國務院辦公廳《關于加強三級公立醫院績效考核工作的意見》(國辦發〔2019〕4號)對大型醫用設備維修和保養及質控管理提出“引導醫院關注醫用設備的維修保養和質量控制，有巡檢、保養、維修等相關記錄及設備管理部門對臨床使用部門的監管、培訓記錄”的要求[2]。醫療設備的預防性維護(preventive maintenance，PM)就是通過對醫療設備定期的檢查、檢測，發現故障征兆或為防止故障發生，使其保持規定功能狀態，定期進行的各種維護活動[3]。

目前，各主流廠家對CT設備采取等周期預防維護策略，即不考慮設備使用頻率、故障次數，到期即進行保養，優點在于方便，缺點是沒有考慮設備實際使用情況，缺乏靈活性。為此本研究提出基于CT過往報修記錄，推算出其故障統計模型，得出基于可靠度的保養周期，探索基于回退因子的彈性保養周期策略。

研究方法與模型建立

從統計學角度進行可靠性分析，通過CT設備報修數據的采集及預處理，提出系統分布模型假設，利用參數估計方法，對模型的參數進行估計，進行假設檢驗及優化，求得量化指標，為后續相關分析打下基礎，見圖1。

圖1 模型建立流程

1.數據預處理分析。選取醫院2017年至2020年CT報修數據，包含報修時間、故障現象等。報修數據沒有規律和次序，須經過人工處理與分析，才能顯示出其內在的規律性。研究首先提取出故障累計時間序列，其次，計算出故障分布函數F n 的估計值由于數據較少，利用中位秩公式〔公式(1)〕計算。數據處理結果見表1。

表1 CT故障數據

2.故障分布模型選擇[4]

累積失效概率，是產品在要求的條件和要求的時間內失效的概率，其值等于1減可靠度，表示為F(t)。累積失效密度，為累積失效函數的導數，也稱累積失效密度函數。

可靠度，指產品在要求的條件下和要求的時間內完成要求功能的概率，表示為R(t)。

故障率函數，表示工作到某個時刻尚未發生故障的產品，在該時刻后，單位時間內發生故障的概率，稱為故障率，表達式

在可靠性評價中，常用兩參數威布爾分布、指數分布和正態分布進行評價，見表2。

表2 常見分布的可靠度、累積失效概率、累積失效密度

3.模型參數估計和擬合檢驗。參數估計遵守無偏性、一致性、有效性和充分性。目前常用的估計樣本總體參數方法主要有：極大似然估計、最小二乘估計(Least Squares Estimates，LSE)和矩量估計等。本研究采用最小二乘法，其求解思路為使擬合函數值與實際數據之間誤差的平方和最小。經過最小二乘法估計的參數和分布擬合，結果見表3和圖2。

圖2 各分布擬合圖

表3 LSE分布參數

本研究采用K-S檢驗法對樣本分布進行檢驗，以樣本數據的累計頻數分布與特定理論分布比較。當兩者間的差距很小時，則推論該樣本屬于特定分布族[5]，它的判斷公式如下：

4.故障分布模型選優。由于K-S檢驗時，僅考慮累積分布函數的最大誤差，未考慮概率密度函數的誤差和累積分布函數的累積誤差，很可能出現同一組測試數據的不同分布，均通過假設檢驗的情況[6]。這里就需要引入擬合優度指標，計算相關指數R來衡量分布擬合的程度，它的計算公式如下：

R∈ (0，1)，R的值越接近于1，分布函數曲線的擬合越好。最終指數分布0.9764，威布爾分布0.9847，正態分布0.9797。

可以看出，CT故障分布較好地服從威布爾分布，其次是正態分布，服從指數分布的可能性比較小。最終得到CT的故障分布函數為：

基于可靠性的保養周期

在設備保養周期的研究中，成本始終是使用單位關心的話題，其他如安全性、有效性也是需要考慮的因素，但基于大型影像設備對醫院及疾病診斷的重要性和不可替代性，往往將設備的可靠性放在首位。

在確立可靠性為優先目標后，CT設備可靠性與維護周期存在下述關系。

設定不同的可靠性參數，可以得到不同保養周期的天數。趨勢是設備可靠性水平越高，保養周期越短，見表4。但在實踐中，保養周期過短會造成設備運用效率的下降，經濟性受到影響，而保養周期過長，則可能引起設備損傷加劇或損壞，增加維修次數和時間。因此，保養周期需要醫院工程部門在設備安全使用與維修成本的平衡中做出決策。

表4 設備可靠性與保養周期的關系

基于役齡回退因子的保養周期

CT的保養工作可分為電源分配柜、操作臺、滑環、機架、掃描床、安全測試、圖像質量、定位燈和準直器、機架驅動等部分，從工作量上可分為小保養和大保養。小保養即進行圖像檢查、校正和檢查報錯信息，大保養即進行拆機除塵、更換過濾網和碳刷、機架和檢查床上油、驅動皮帶張力檢查等和所有小保養項目。在實際工作中，無論進行哪個項目或程度的保養，都不會使設備恢復如新，并出現回退現象。

根據保養工作對設備恢復程度的不同，周期性的保養作業可分為下述不同的類型[7]，見圖3。

圖3 不同保養策略對應的可靠性曲線

完美保養：保養工作可以讓設備系統恢復到初始狀態。

最小保養：保養工作不能改變設備壽命分布，只使其工作能力及技術狀況維持在保養維護前的水平。

不完美保養：保養工作雖然做不到讓設備系統恢復到初始狀態，但有助于延長設備使用壽命，使其性能回退到保養前某時刻的狀態。

惡化保養：保養工作后設備的故障率出現增加，而且運行狀況比保養工作前更加劣化。

破壞保養：保養作業后設備不能維持其原有技術狀況，使設備出現故障或不能使用。

通常CT的保養既有更換配件項目、又有加油除塵保養項目，屬于不完美保養。對于不完美保養，需要引入相關參數描述不完美保養的程度。目前，常用改善因子或役齡回退因子進行描述。1979年，Malik提出了改善因子的方法，并將其用于描述維修行為對失效率(故障率)的影響作用[8]，

圖4 不完美保養中，各保養周期內可靠性曲線變化

從表5可以看出，隨著時間推移，設備會出現老化，出現性能回退現象，為了維持較高的可靠水平，需要不斷縮短保養周期，增加維護次數，制定彈性的保養策略。

表5 不同回退因子對應的保養周期（R=0.9）

結語

CT是醫學影像學重要的檢查設備，也是新型冠狀病毒影像檢查的必備設備。它的圖像診斷質量直接影響到診斷結果。本文在分析CT廠家的保養策略基礎上，提出了基于設備工作可靠性的保養策略，并探索了基于役齡回退因子的彈性保養策略，以確保設備的正常高效使用。