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設備維修策略在醫療領域的現狀分析與發展

來源 : 中國醫療設備雜誌2018年第8期
update : 2018/10/11

引言
隨著醫療技術的飛速發展,該領域內設備已呈現集成化、複雜化發展的新趨勢[1]。這一切使得設備內部的部件與部件之間的相互依賴性更緊密,易產生因小部件性能的逐步劣化而關聯其它關鍵部件退化,最終致使系統癱瘓。醫療領域在實際維修中由於設備故障種類繁多,工程師在設備檢測與排查過程中可能僅發現已產生的故障,並處於被動解決問題的狀態,很難發現因其故障而導致的潛在問題。因此,採取有效的維修策略和管理是保證醫療設備可靠運行的關鍵手段,是將故障遏制于萌芽階段的有效途徑。到目前為止,維修工作往往被管理人員視為輔助性工作而不予重視[1],學術領域關於醫療設備維修策略的研究工作也不多。

1故障分類與維修策略概述
1.1 故障類型
設備的故障從故障發生的時間歷程可分為積累型故障和突發性故障。積累型故障是由於系統部件的逐步劣化所引起( 具有損耗性如部件磨損、老化、堵塞等問題),一般在有效壽命的後期凸顯出來, 具有可預測性。突發性故障主要由於外界各因素對設備本身造成衝擊所致,故障前不具有明顯的徵兆(具有隨機性)。本文關於設備維修策略的闡述主要針對醫療設備積累型故障進行論述。

1.2 維修策略介紹
目前, 設備故障維修策略主要分為故障後維修(Corrective MaintenanceCM)及預防性維修(Preventive MaintenancePM),構架見圖1。前者根據設備出現故障而無法正常運行時才進行維修,但設備發生故障的時間無法預知。預防性維修是以診斷、檢測為主,根據設備實際使用情況制定相應維修計畫可分為定期維修與視情維修。

圖1 設備維修的策略結構

定期維修是按規定的間隔時間點對設備進行全面檢查、維修等,並對故障或磨損較嚴重的部件進行修復或更換。根據更換策略的不同又分為年齡更換與成批更換策略。其中年齡更換適用於價格昂貴的設備及其部件[2],指當設備工作時間達到指定的常數Te 時仍未發生故障時(若繼續使用存在安全隱患),進行預防更換,如醫用微泵、腹腔鏡光源燈泡等。成批更換策略是指系統在固定的時間點kT 上(T為固定值,k=123...)進行週期性更換,或系統在其他時間點發生故障,則立即進行故障後更換。該維修策略可擴展為多週期性預防性維修[2],適用於價格較低、數量較多的零部件,如清洗消毒設備的篩檢程式、彈簧按鈕等。

視情維修(Condition Based MaintenanceCBM)是利用控制限規則[2],依據傳感技術對系統或設備狀態進行連續或間斷的監測,評斷其性能劣化程度(“健康”水準)與發展趨勢,可估計系統部件劣化狀態和剩餘使用壽命,盡可能使設備在失效前進行維修。

2 當前醫療設備維修策略現狀
雖然維修策略和技術在過去的20 年裡得到了顯著的提高,但相比于精密、智慧的醫療設備發展技術,該領域內的維修策略仍處於較落後的現狀[3]。大多數醫院和醫療保健機構並沒有像其他行業受益於維修的優勢,而不必要的和過度的設備維修造成了資源損失。當前事後維修和定期維修[4-5] 仍是醫療領域最為主流的兩種設備維修方式。

2.1 傳統維修策略
傳統定期維修是以維修週期為基礎,其理念認為設備維修內容越多越佳,週期越短越好,但過頻繁的維修會帶來維修費用增加和資源浪費。目前,大多數醫院針對設維修週期的確定只是按照廠商建議或工程師經驗對設備的安全性能進行週期性檢查。例如,對與急救類密切相關的搶救設備如麻醉機等根據間隔時間6~12 個月不等進行操作性能、外觀及清潔等保養工作。對特定類型設備如消毒機等易堵部件按壽命期限進行定期更換。對電動手術床等機械部分檢查是否有鬆動、傳動部件潤滑及易損耗部件是否良好,電路部分測定感測器是否偏移等[6-8]

事後維修對故障發生的時間與問題都不可知,另外故障後某些問題需要維修配件預備方可修復。同時對於高值精密儀器的電子電路故障如B 超、腹腔鏡等,一旦出現故障在無備機提供條件下,勢必會對維修的及時性與準確性提出更高的要求,而該情勢會給工程師帶來較大負擔,對臨床工作造成影響[9-10]

定期維修與故障後維修相比在一定程度上延長了使用壽命,減小了故障影響範圍,然而定期維修中時間的計畫不夠充分多數依賴于技術人員經驗積累,缺乏對早期故障的有效的預防,導致維修費用的增加,暴露了其局限性[11-12]

2.2 大陸醫療領域的維修策略
大陸醫院依照事後維修為主,維修保養為基礎的模式實施設備維修工作[13] 已有30 餘年。陳綿康等[14] 引入了設備風險管理維修策略,給定了維修物件的週期問題。在這段時間維修策略研究雖取得了一定的積極作用,但對設備安排週期性維修,無法考慮到設備實際“健康”水準,且受到設備維修部門人力資源的約束,易產生欠維修或過維修等情況。

以可靠性為中心的維修(Reliability Centered MaintenanceRCM)策略在軍事領域、核電領域與鐵路等領域得到成功應用[15-17]。受到重要工業領域設備維修的驅使,RCM 方法在醫療領域已逐漸嶄露頭角。RCM 維修策略通過比對各種部件替代維修策略,選擇在維持設備可靠性的條件下保證成本效益最優策略。根據對設備維修需求和優先等級的分析,用更靈活的計畫取代了傳統定時維修理念[18]

常驍毅等[19] RCM 維修理論應用於麻醉機的維修中,通過分析新構建的麻醉機維修大綱可提高麻醉機的維修效率。徐鋒等[20] 提出在大型醫療設備中應用RCM 策略,並建立維修專家診斷系統,進一步提高了同類型設備的維修水準。然而,該方法強調了維修需求分析與管理,注重資料與經驗的積累,並未給出設備具體的故障時間與維修策略。因此,該維修策略的發展受到了限制,需結合其他方法予以補充。

2.3 國外醫療領域的維修策略
相比於國內醫學注重事後維修工作[9],國外對設備的維護不再滿足于製造商的建議,世界各地醫院的臨床工程部門(包括加拿大,澳大利亞和美國)已經開始採用更有效和更具成本效益的維護策略。Wang[4] 已開始開發一個獨特的資料庫,收集關於加拿大和美國各地醫院使用的最關鍵設備的庫存和維修的比較資料。該資料庫提供一個大的統計故障資料集,可以用來建立日常維修工作的最佳維修週期。

有研究提出了一種分析複雜醫療設備和缺少維修統計資料的方法[21]。對不同類型的故障進行分類,並在故障分類條件下建立系統和元件級別資料分析策略。將該策略應用於輸液泵的維修中表明瞭該方法的有效性。

Lepage[22] 20 世紀80 年代提出以風險作為評判標準決定哪些設備應該進行計劃性維修,將風險規為高—中—低三類並依據該等級實施不同間隔時間的計劃性維修。並將該方法成功運用到大多數醫療設備的預定(計畫)維修中。Fennigkoh [5] 1989 年提出利用功能、物理風險和維修需求3 個參數來分類設備,對每個參數分配一定比例,將三者結合後給出設備管理計畫。Khalaf [18] 提出了數學維修模型,根據醫療設備的維修歷史資料(次數與費用)及其使用年限,對比預防性維護與故障後維修對其生存概率的影響。利用Scilab 4 年內Draeger 麻醉機的歷史維修資料對該模型參數進行擬合,提出一種失效—成本模型可獲得設備故障次數和維修成本,結果表明該模型的模擬值與實際資料相近,對其他醫療設備的預防性維修有參考價值。Corciovǎ [23] 分析了145 台醫療設備的維護期,根據設備的使用條件和使用年限,使用邏輯回歸預測因數分析實際維護間隔。

3 醫療設備維修策略的發展趨勢
綜上所述,定期維修所推薦的時間間隔的最佳性值得商榷。建立並獲取從現場設備資料,分析得出的迴圈檢查或維修方案至關重要。國外在該領域的相關研究成果較合理,通過維修資料統計給定了維修間隔時間,該方法有助於預防性維護週期的制定,但未對設備性能劣化程度(“健康”水準)進行預估,獲知其剩餘使用壽命。結合視情維修理念,在系統或設備的狀態監測、故障預測基礎上,根據故障給出最佳維修時機(時間單位可精確到天/ 小時),同時提前採購配件,實現預知式維修,將故障損失將至最低。基於此提出了基於閾值指標維修策略和基於劣化狀態維修策略。

3.1 基於閾值指標維修策略
基於閾值指標維修策略可細分為兩類:時間閾值策略和失效率閾值策略。其中前者通過對某故障模式如磨損部件的某劣化指標值進行即時監測,間隔固定時間提取一次監測,利用神經網路、支援向量機等計算智慧方法預報,若結果超過一定閾值即認為相應時刻可能出現故障,實施相關維修。其他研究也報導了基於時間閾值指標維修的相關研究成果[24-25]

失效率閾值維修是將設備監測的參數資料與可靠性相結合,利用遺傳演算法、粒子群演算法等對目標函數(期望風險、維修費用等)的決策變數(故障率、維修間隔等)進行優化。Camci[26] 以故障率Pf 為決策變數根據採集的特徵信號建立期望風險與故障率之間的關係,並以期望風險最小為優化目標,當該值達到Pf 時進行設備維修(圖2)。將維修策略與事後維修進行對比,維修後在t 時刻下的閾值維修故障率明顯低於事後維修(陰影部分),設備可靠性得到有效改善。

2 基於故障率閾值策略維修方法

3.2 基於劣化狀態維修策略
視情維修的必要前提是能夠對設備劣化狀態進行評估與監控,然而當前設備維修分析只是簡單把設備工作狀態分為正常與故障兩種形式,而系統性能的劣化過程無法預知。醫療設備中的積累型故障是由於長期在某種負載下運行,隨著時間推移其性能是逐漸降低直至失效,見圖3。基於劣化狀態估計的故障維修將系統劣化過程分為1,2,…,g,其中1 表示全新,g 表示失效狀態。通過當前或歷史的狀態資料對系統建立多個獨立或相關的劣化模型(機器學習過程),對連續或間斷採集的信號進行狀態識別,實現全壽命週期的劣化規律預測,並依據預測值制定相應時間內的維修(小修、大修或更換等)。徐宇亮等[27] 針對電子設備老化問題,提出了劣化狀態評估與故障預測方法,並將其應用於某型導彈電子設備的狀態評估。


3 基於劣化狀態維修策略的說明

4 總結
本文在查閱相關文獻與工作積累基礎之上,對醫療設備維修策略進行了較全面的論述。總結了傳統維修策略的不足,通過闡述醫療領域維修現狀的同時,比較了當前國內外醫療領域的維修策略和相關研究成果。最後,針對當前醫療設備現存維修策略的不足,結合視情維修與傳感技術,引入了基於閾值指標維修策略和基於劣化狀態維修策略。該策略的應用可評估設備性能劣化程度,進一步給定最佳維修時間,避免維護過程中的維修不足或過度維修狀況。

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