醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)維修技術(shù)的可行性探討

孫曉

上海市兒童醫(yī)院 設(shè)備部，上海 200062

醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用狀態(tài)維修技術(shù)的可行性探討

孫曉

上海市兒童醫(yī)院 設(shè)備部，上海 200062

隨著醫(yī)院的發(fā)展及醫(yī)療設(shè)備數(shù)量的增加，現(xiàn)行維護(hù)策略明顯遇到人力、財(cái)力等方面問題。本文首先對(duì)現(xiàn)行醫(yī)療設(shè)備維護(hù)模式存在的問題進(jìn)行了分析，繼而引入了狀態(tài)維修的概念。狀態(tài)維修最早被應(yīng)用于航天領(lǐng)域，后引入至電力行業(yè)。該技術(shù)涉及傳感器、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)等原理，能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測分析，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和分析診斷結(jié)果安排維修時(shí)間和項(xiàng)目。因而，本文分析了狀態(tài)維修在醫(yī)療設(shè)備檢修中的實(shí)施思路與實(shí)施策略，并進(jìn)一步分析了狀態(tài)維修在醫(yī)療設(shè)備檢修中的可行性。

狀態(tài)維修；定期維修；在線監(jiān)測；巡檢；預(yù)防性維修；醫(yī)學(xué)數(shù)字成像

引言

狀態(tài)維修（Condition Based Maintenance，CBM）是指根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的異常，預(yù)知設(shè)備的故障，在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修的方式，也稱“預(yù)知維修”或“視情維修”。其最早應(yīng)用于航天領(lǐng)域，后引入至電力行業(yè)，實(shí)現(xiàn)與定期維修（Time Based Maintenance，TBM）優(yōu)勢互補(bǔ)。但在衛(wèi)生行業(yè)，目前醫(yī)療設(shè)備維護(hù)中的巡檢與預(yù)防性維修（Inspection and Preventive Maintenance，IPM）中通常采用定期維修方式，即制定IPM周期，按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行維護(hù)工作，但隨著醫(yī)院規(guī)模的擴(kuò)大及醫(yī)療設(shè)備數(shù)量的增加，該模式執(zhí)行中遇到的問題也逐步顯現(xiàn)出來。

1 醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)行維護(hù)模式遇到的問題

醫(yī)療設(shè)備現(xiàn)行維護(hù)模式主要遇到的是人力、財(cái)力、物力及時(shí)間上的問題。

1.1 預(yù)防性維護(hù)未全面開展

從最近一次調(diào)研282家醫(yī)院IPM覆蓋率數(shù)據(jù)來看，36.4%的醫(yī)院開展IPM的覆蓋率＜10%，能覆蓋30%以上的為41.5%，覆蓋90%～100%僅為10.6%[1]。該數(shù)據(jù)表明僅IPM工作，醫(yī)院就無法完全開展。主要原因之一就是開展IPM會(huì)耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力性[2]。

1.2 巡檢量大、任務(wù)重

由于巡檢工作針對(duì)范圍較大的正常設(shè)備，因此工作量將非常大。以急救類設(shè)備中監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)為例，監(jiān)護(hù)儀使用率通常在60%[3]，呼吸機(jī)使用率通常在78%[4]，因此被檢率分別在40%及22%。

按設(shè)備使用率及工程師工作效率計(jì)算巡檢耗時(shí)對(duì)比表，見表1。從表1中可得知，若按使用率來計(jì)算，完成一次呼吸機(jī)巡檢周期需4.5個(gè)工作日，完成一次監(jiān)護(hù)儀周期巡檢需2.5個(gè)工作日；按每位工程師工作效率來計(jì)算，完成一次呼吸機(jī)巡檢周期需6.25個(gè)工作日，完成一次監(jiān)護(hù)儀周期巡檢需7.6個(gè)工作日。

表1 按設(shè)備使用率及工程師工作效率計(jì)算巡檢耗時(shí)對(duì)比表

因此，即使按最短巡檢周期計(jì)算，僅呼吸機(jī)耗費(fèi)4.5個(gè)工作日/月，監(jiān)護(hù)儀耗費(fèi)2.5個(gè)工作日/月，兩者合計(jì)7個(gè)工作日；而提高巡檢人員數(shù)量，理論上能縮短巡檢周期，但會(huì)影響到儀器正常使用，耽誤正常診療時(shí)間。

2 狀態(tài)維修的概念及優(yōu)勢

狀態(tài)維修是指以設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測、分析，并對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行診斷，最后根據(jù)設(shè)備狀況而安排實(shí)際檢查和維修工作。而醫(yī)療設(shè)備的故障除了使用操作不當(dāng)外，主要是機(jī)械故障與電子損壞類故障，而預(yù)防性維護(hù)對(duì)機(jī)械故障較為有效。電子損壞類故障屬于偶發(fā)故障，是隨機(jī)發(fā)生的，但從微觀上講，若能對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行檢測，則就能在其發(fā)生重大故障之前進(jìn)行適當(dāng)維修。因此，若能有效地應(yīng)用數(shù)據(jù)采集、診斷技術(shù)，就能判斷構(gòu)成設(shè)備的元件是否接近產(chǎn)生故障的時(shí)期。所以能夠把TBM轉(zhuǎn)換成CBM。

CBM的節(jié)約費(fèi)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：延長設(shè)備使用壽命、減少停機(jī)時(shí)間、減少維修人工、減少備件庫存[5-6]。定期維護(hù)、CBM維護(hù)和事后維護(hù)3種維護(hù)方式費(fèi)用對(duì)比，見圖1[7]。根據(jù)圖中定期維護(hù)、CBM維護(hù)及事后維護(hù)在維護(hù)費(fèi)用上的曲線可以看出，CBM在各種維護(hù)模式中較為經(jīng)濟(jì)，效率更高。

圖1 3種維護(hù)方式費(fèi)用對(duì)比

醫(yī)療設(shè)備若能引入CBM技術(shù)，則節(jié)約的費(fèi)用將是可觀的。首先，由于維護(hù)工作是建立在監(jiān)視設(shè)備“運(yùn)行狀態(tài)”的基礎(chǔ)上，因此可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的“潛在故障”，從而制定最優(yōu)的維護(hù)方案。設(shè)備部件的維護(hù)間隔通常由生產(chǎn)商制定，但在實(shí)際操作中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)部件實(shí)際使用壽命大于生產(chǎn)商制定的維護(hù)間隔，但又不能確認(rèn)該部件何時(shí)失效。醫(yī)院在這中間進(jìn)退兩難，完全按照設(shè)備維護(hù)手冊操作人力不夠，或買全面質(zhì)保費(fèi)用上無法接受，反之因部件突然損壞引起停機(jī)而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益損失則無法估量。引入CBM，按需進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，合理安排維護(hù)時(shí)間，減少因預(yù)防性維護(hù)更換未到實(shí)際使用壽命部件的費(fèi)用損失。

其次，采用“在線監(jiān)測”技術(shù)，全面或部分覆蓋設(shè)備巡檢項(xiàng)目，從而減少人員現(xiàn)場巡檢的次數(shù)及檢查時(shí)間，節(jié)省人力，減少因巡檢導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備的正常工作時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 如何實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修

3.1 狀態(tài)維修的實(shí)現(xiàn)方法

狀態(tài)維修是通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、實(shí)時(shí)診斷、評(píng)估監(jiān)測對(duì)象性能的衰退程度、預(yù)測更換時(shí)間、執(zhí)行維修或更換這5個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測是使用傳感器選擇必要的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集，并通過有線或無線通訊技術(shù)傳輸并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫，在建立報(bào)警限值后，進(jìn)行分析及診斷[8]。評(píng)估性能的衰退程度及預(yù)測更換時(shí)間（診斷與預(yù)測）則需要一種算法（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法、模型法或混合法[9]），其目的是評(píng)估監(jiān)測對(duì)象的剩余壽命，也就是對(duì)維護(hù)方案產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響維修人工、備件庫存等維護(hù)費(fèi)用[10]。

另外在決策層面，首先我們應(yīng)考慮下列問題[11]：選擇要監(jiān)測的參數(shù)，確定巡檢頻率，建立報(bào)警限值。其次，維護(hù)方案通常有多種，我們應(yīng)該建立維護(hù)成本模型。最后應(yīng)以設(shè)備運(yùn)行效益最優(yōu)為原則，通過比較成本模型在多種維護(hù)方案中進(jìn)行選擇，制定最終維護(hù)方案，以確保整個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.2 狀態(tài)維修的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于狀態(tài)維修技術(shù)涉及眾多學(xué)科，導(dǎo)致設(shè)備用戶很難進(jìn)行專業(yè)的診斷和維護(hù)，另外設(shè)備生產(chǎn)商推出了自己的維護(hù)產(chǎn)品和維護(hù)服務(wù)。同時(shí)，封閉的系統(tǒng)模式限制了技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，市場壟斷給設(shè)備用戶帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，限制了設(shè)備維護(hù)技術(shù)的推廣。與CBM研究相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 1232系列標(biāo)準(zhǔn)、MIMOSA CRIS標(biāo)準(zhǔn)和OSA CBM標(biāo)準(zhǔn)[12-14]。CBM標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)目的在于提供一種開放的全球廠家共享的技術(shù)規(guī)范，不同的研究機(jī)構(gòu)和公司可以發(fā)揮在各自領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，充分實(shí)現(xiàn)技術(shù)整合，用以促進(jìn)CBM策略在各行業(yè)的推廣和發(fā)展。

3.3 國內(nèi)外狀態(tài)維修的應(yīng)用情況

狀態(tài)維修因其在各種維護(hù)模式中較為經(jīng)濟(jì)，效率更高的特點(diǎn)，在國內(nèi)外航空、軍工、電力等行業(yè)已廣泛使用。Tian等[15]優(yōu)化了連續(xù)監(jiān)測下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；Xenos等[16]優(yōu)化了發(fā)電廠空壓機(jī)組的狀態(tài)維修技術(shù)；鐘德超等[17]綜述了狀態(tài)維修在民航維修領(lǐng)域應(yīng)用；蔣兵兵等[18]描述了狀態(tài)維修在軍工上的應(yīng)用優(yōu)勢；Zhou等[19]運(yùn)用最小二乘算法預(yù)測航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰退的時(shí)間，豐富了狀態(tài)維修的理論算法；Gruber等[20]、胡劍波等[21]、蘇春等[22]均運(yùn)用了模型對(duì)狀態(tài)維修的優(yōu)化；王正元等[23]研究裝備中關(guān)鍵單部件狀態(tài)維修策略；唐敏杰[24]及黃磊[25]論述了基于狀態(tài)維修的飛機(jī)APU部件及氧氣系統(tǒng)的建模與實(shí)現(xiàn)。

3.4 醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的策略

3.4.1 技術(shù)前提

狀態(tài)維修其實(shí)質(zhì)是在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。由于其涉及傳感器、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)技術(shù)，因此，能實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的醫(yī)療設(shè)備需具備以下條件：① 能檢測自身運(yùn)行情況；② 運(yùn)行情況可視化；③ 具備網(wǎng)絡(luò)傳輸條件及標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議（如DICOM、HL7）。

目前，大型醫(yī)療設(shè)備通常自帶遠(yuǎn)程診斷服務(wù)，可應(yīng)用CBM技術(shù)，而普放類超聲類等設(shè)備通常含DICOM協(xié)議，因此可通過PACS系統(tǒng)查看圖像質(zhì)量、曝光參數(shù)等。應(yīng)用PACS系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)DR圖像條碼狀偽影實(shí)例，見圖2。在原始圖像中下方條碼狀偽影現(xiàn)象不明顯，但在反色處理及調(diào)整VOI曲線后，條碼狀偽影現(xiàn)象就較為明顯了。

圖2 條碼狀偽影處理前后對(duì)比

但是，在急救類設(shè)備中，目前雖能檢查設(shè)備自身狀態(tài)，但因無標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，只能做人工檢查（離線監(jiān)測）。

3.4.2 工程師做好基礎(chǔ)工作

首先應(yīng)做好各類醫(yī)療設(shè)備基礎(chǔ)管理工作，特別是設(shè)備的性能數(shù)據(jù)。主要是根據(jù)設(shè)備配置情況做好各項(xiàng)記錄、臺(tái)賬、技術(shù)資料及設(shè)備正常或故障時(shí)的運(yùn)行參數(shù)及故障信息，以備參考及比較。

3.4.3 記錄運(yùn)行參數(shù)

記錄運(yùn)行參數(shù)是狀態(tài)維修的基礎(chǔ)條件，目前采用的定期巡檢是通過人力在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行參數(shù)記錄，但由于無法實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，因此儀器的運(yùn)行狀態(tài)大部分時(shí)間由臨床儀器操作人員進(jìn)行判斷。若能采用在線監(jiān)測與故障診斷，則能做到專業(yè)人員把握儀器實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，提高巡檢效率。

從DICOM中獲取CT掃描檢查時(shí)曝光管電壓KVP、焦點(diǎn)大小、窗寬窗位參數(shù)的設(shè)置情況，見圖3。這些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)從醫(yī)院內(nèi)部任何一個(gè)工作站中獲取，因此相關(guān)技術(shù)人員只需在一個(gè)工作站上檢查不同設(shè)備的設(shè)置參數(shù)，從而大大減少了人員多點(diǎn)巡檢的時(shí)間。

圖3 檢查CT曝光KVP、焦點(diǎn)及窗寬窗位設(shè)置

3.4.4 重視數(shù)據(jù)分析工作

實(shí)行狀態(tài)維修，需重視設(shè)備運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)記錄與比對(duì)，并進(jìn)行分析。分析的內(nèi)容則是運(yùn)行時(shí)各主要電氣參數(shù)及狀態(tài)情況，對(duì)比的內(nèi)容則是設(shè)備的技術(shù)參數(shù)。因此，要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，必須優(yōu)先建立設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，主要是設(shè)計(jì)原始資料。有了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，才能與運(yùn)行維護(hù)記錄、檢修記錄、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常。

3.4.5 做好新引入設(shè)備驗(yàn)收

維護(hù)人員對(duì)新引入設(shè)備的運(yùn)行情況及技術(shù)特性通常不熟悉，因此判斷是否正常運(yùn)行時(shí)底氣不足。因此在驗(yàn)收時(shí)做好清點(diǎn)配置、功能性驗(yàn)收、技術(shù)資料收集就顯得尤為重要了。清點(diǎn)配置是對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的熟悉過程；功能性驗(yàn)收則是對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的了解與熟悉；技術(shù)資料收集則是對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)與保障。因此，新引入設(shè)備做好驗(yàn)收工作是實(shí)現(xiàn)狀態(tài)維修的基礎(chǔ)條件。

4 總結(jié)

就CBM技術(shù)的在其它行業(yè)的應(yīng)用而言，產(chǎn)生的效果是較為滿意的：有效地降低設(shè)備的故障率；在發(fā)生重大故障前提前預(yù)判，減少停機(jī)；可保持設(shè)備的狀態(tài)在平穩(wěn)的水平上；可已使設(shè)備用戶更好的執(zhí)行維護(hù)計(jì)劃，減少或取消不必要的巡檢，延長定期維護(hù)間隔[26]；從孟光等[27]的研究中可得知，設(shè)備故障失效后的維護(hù)費(fèi)用將數(shù)倍高于采用CBM技術(shù)的費(fèi)用，“投入1～2萬美元，有望節(jié)省50萬美元的維護(hù)費(fèi)用”；另“僅因采用CBM技術(shù)，美國國內(nèi)僅設(shè)備使用率提高這一項(xiàng)可節(jié)省50億美元”。因此，對(duì)于整個(gè)醫(yī)療設(shè)備行業(yè)－特別是設(shè)備使用率高的場所，若能引入CBM技術(shù)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益是巨大的。

但是，引入CBM技術(shù)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)商、設(shè)備使用者都有較高要求。首先，如同本文3.4.1節(jié)所描述的那樣，設(shè)備的運(yùn)行情況能夠被監(jiān)測，進(jìn)而開發(fā)診斷及預(yù)測故障程序，這將使生產(chǎn)商的投資成本較高，從Hashemian[28]的文獻(xiàn)中得知，約有30%的工業(yè)設(shè)備并未從CBM技術(shù)中獲益。其次，對(duì)設(shè)備使用人員的培訓(xùn)難度也將大大增加。最后，基于狀態(tài)維修的策略是否能與使用者的生產(chǎn)戰(zhàn)略相適應(yīng)也將是一個(gè)問題。

CBM技術(shù)側(cè)重于實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，這要求我們能了解設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段提高診斷效率。就目前醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展情況，實(shí)現(xiàn)全面“在線”監(jiān)測并不可行。但隨著電子技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，CBM技術(shù)將發(fā)揮其應(yīng)有的作用。相信在不久的將來，我們能應(yīng)用先進(jìn)的維護(hù)策略，結(jié)合醫(yī)療安全生產(chǎn)戰(zhàn)略，使設(shè)備故障在發(fā)生之前得到有效預(yù)防，減少維修工作量，提高設(shè)備的使用率，節(jié)約維修成本，降低危險(xiǎn)，確保醫(yī)療生產(chǎn)安全。

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本文編輯 王婷

Discussion on Feasibility of Condition Based Maintenance Technology for Medical Equipment

SUN Xiao

Department of Equipment, Children’s Hospital of Shanghai, Shanghai 200062, China

With the development of hospital and the increasing number of medical equipment, the current maintenance strategy obviously meets the problems of insufficient manpower and the shortage of financial resources. Firstly, this paper analyzed the existing problems of current maintenance strategy of medical equipment, and then the concept of condition based maintenance (CBM) was introduced. CBM is first applied in aerospace field, then it is introduced into the power industry. The CBM involves several technical principles including sensors, signal processing, computer and so on. CBM is able to detect and analyze the running state of medical equipment, then the maintenance time and projects are scheduled according to the equipment status and diagnosis results. So, this paper analyzed the implementation idea and the implementation strategy of CBM in maintenance of medical equipment, and the feasibility of the CBM in maintenance of medical equipment was further analyzed.

condition based maintenance; time based maintenance; on-line monitoring; inspection; preventive maintenance; medical digital imaging

R197.39; TH77

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.028

1674-1633(2017)08-0104-04

2017-01-23

2017-05-13

作者郵箱：sunxiaod@126.com