基于故障數(shù)據(jù)的消化道內(nèi)鏡可靠性分析*

李 庚 楊 濤 郭 銳 夏 婷 張 虹 夏慧琳*

醫(yī)用內(nèi)窺鏡用以介入人眼不能直接觀察或不方便觀察的腔體內(nèi)進(jìn)行疾病的診斷與治療,具備無創(chuàng)診斷、微創(chuàng)治療的特點(diǎn),可以加快診療的進(jìn)程,減少患者由于診療過程帶來的痛苦.正因如此醫(yī)用內(nèi)窺鏡正越來越廣泛地應(yīng)用于各級(jí)醫(yī)院的多種診療中,極大促進(jìn)了醫(yī)學(xué)事業(yè)的不斷發(fā)展.醫(yī)用內(nèi)窺鏡是一種光學(xué)、機(jī)械、電子及信息相結(jié)合的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高風(fēng)險(xiǎn)和高價(jià)值的醫(yī)療設(shè)備[1].消化道內(nèi)鏡是指用于消化道疾病診療的一種醫(yī)用內(nèi)窺鏡,一般包括胃鏡、結(jié)腸鏡、十二指腸鏡、小腸鏡和膽道鏡[2].

目前,醫(yī)院在消化道內(nèi)鏡的應(yīng)用與維護(hù)過程中多數(shù)會(huì)遇到各種問題,諸如對(duì)內(nèi)鏡的測(cè)漏工作不夠重視,不能做到每例測(cè)漏、每日測(cè)漏,導(dǎo)致小故障變大故障,數(shù)百元維修費(fèi)可以解決的則要變成數(shù)萬元;有的醫(yī)院對(duì)消化道內(nèi)鏡不能進(jìn)行有效的維護(hù)與保養(yǎng),無法準(zhǔn)確判斷故障,無法發(fā)揮設(shè)備的自身價(jià)值;有的醫(yī)院臨床工程師基本承擔(dān)了內(nèi)窺鏡護(hù)士的工作,每日忙于內(nèi)窺鏡的洗消,對(duì)內(nèi)窺鏡的維護(hù)保養(yǎng)分身乏術(shù)[3].為此,本研究通過分析消化道內(nèi)鏡的大量故障數(shù)據(jù),找到其故障分布規(guī)律,有針對(duì)性的進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng),為提高消化道內(nèi)鏡的使用效率和降低故障頻率提供支持.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究對(duì)象數(shù)據(jù)來源于奧林巴斯公司提供的《2005-2015年一款消化道內(nèi)鏡維修數(shù)據(jù)集》(簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)集),數(shù)據(jù)集中完整記錄了自2005-2015年間的全國各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的一款消化道內(nèi)鏡的原廠維修情況,共計(jì)902家醫(yī)院,2213條內(nèi)窺鏡,8098條維修記錄.

1.2 數(shù)據(jù)整理

根據(jù)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、缺失值填充、錯(cuò)誤改正等方面的整理工作;將數(shù)據(jù)集中消化道內(nèi)鏡按序列號(hào)進(jìn)行分類,再將每條內(nèi)窺鏡按故障發(fā)生時(shí)間的先后順序進(jìn)行排列,最后得到故障間隔時(shí)間.數(shù)據(jù)集記錄形式見表1.

表1 2005-2015年H260型消化道內(nèi)鏡維修記錄

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

對(duì)該款消化道內(nèi)鏡故障數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析,得到其故障率(λ)、可靠度[R(t)]及平均故障間隔時(shí)間(mean time between failures,MTBF)等可靠性相關(guān)指標(biāo)[4].

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用常見的兩參數(shù)威布爾分布、三參數(shù)威布爾分布、正態(tài)分布、指數(shù)分布及伽馬分布等方法對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合,并進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn),通過顯著性指標(biāo)判斷其是否接受假設(shè).

2 數(shù)據(jù)可靠性分析結(jié)果

2.1 故障數(shù)據(jù)

在分析數(shù)據(jù)庫的8098條數(shù)據(jù)中,剔除只有一條記錄數(shù)據(jù)的內(nèi)鏡后,得到有效故障間隔數(shù)據(jù)5890條.

2.1.1 分布擬合

對(duì)5890條數(shù)據(jù)進(jìn)行分布擬合[5]發(fā)現(xiàn),顯著性指標(biāo)P值均遠(yuǎn)<0.05,無法擬合為已知常用分布,故假設(shè)以恒定故障率進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)計(jì)算[6].兩條以上故障記錄數(shù)據(jù)分布擬合情況見圖1.

圖1 兩條以上故障記錄數(shù)據(jù)分布擬合情況

2.1.2 MTBF計(jì)算

在5890條有效故障間隔數(shù)據(jù)中,最大值為2947,最小值為0,對(duì)其進(jìn)行計(jì)算得到其MTBF為281 d.

2.1.3 故障率及可靠度計(jì)算

(1)MTBF 281d的故障率(λ)為0.00359.

(2)MTBF 281 d的可靠度為R(t)=e-0.00359t,可靠度函數(shù)見圖2.

圖2 可靠度函數(shù)R(t)圖

2.2 故障數(shù)據(jù)篩選

由于故障數(shù)據(jù)分析中按恒定故障率進(jìn)行分析,其分析結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際情況存在較大誤差,故采取改進(jìn)方法進(jìn)行可靠性分析:①按照醫(yī)院故障記錄次數(shù)由多到少排序,再按照醫(yī)院內(nèi)窺鏡序列號(hào)排序;②按故障發(fā)生時(shí)間先后排序,計(jì)算MTBF,挑選故障記錄20條以上的內(nèi)窺鏡.由以上規(guī)則篩選出302條內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù),其中最大值691,最小值1.

2.2.1 分布擬合

分析篩選出的302條內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù),進(jìn)行分布擬合發(fā)現(xiàn),兩參數(shù)威布爾分布和三參數(shù)威布爾分布的P值均>0.05,表明此數(shù)據(jù)與威布爾分布擬合較好[7].302條內(nèi)窺鏡數(shù)據(jù)故障記錄數(shù)據(jù)分布擬合情況見圖3.

圖3 302條故障記錄數(shù)據(jù)分布擬合情況

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)求出兩參數(shù)威布爾分布的兩個(gè)參數(shù):形狀參數(shù)(β)、尺度參數(shù)(η)[8].302條故障記錄數(shù)據(jù)參數(shù)估計(jì)見表2和圖4.

表2 參數(shù)估計(jì)值

圖4 302條故障記錄數(shù)據(jù)參數(shù)估計(jì)圖

2.2.2 假設(shè)檢驗(yàn)

對(duì)302條故障記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)得到P值,P=0.163>0.05,接受原假設(shè),符合兩參數(shù)威布爾分布[9](圖5).

圖5 數(shù)據(jù)假設(shè)檢驗(yàn)圖

2.2.3 指標(biāo)相關(guān)計(jì)算

對(duì)302條故障記錄數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.

(1)計(jì)算MTBF:

(2)故障概率密度函數(shù)f(t):

(3)累積故障分布函數(shù)F(t)(不可靠度):

(4)可靠度R(t),見圖6:

圖6 可靠性相關(guān)函數(shù)圖

2.3 關(guān)鍵部件

從5890條故障數(shù)據(jù)中選出故障頻次最高的5個(gè)部件進(jìn)行分析,得到其平均故障前時(shí)間(mean time to failure,MTTF)[10]見表3.

表3 部件平均故障間隔時(shí)間

3 結(jié)論

通過兩種方式計(jì)算得到兩個(gè)MTBF數(shù)值,281 d和140 d,前者在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)將同一條內(nèi)鏡發(fā)生兩次以上故障的數(shù)據(jù)均納入分析,在這種情況下,可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果比實(shí)際值偏大的情況,這是因?yàn)楣收蠑?shù)據(jù)少的內(nèi)鏡,可能存在故障數(shù)據(jù)缺失的情況.而后者選取了故障記錄完整的醫(yī)院的故障數(shù)據(jù),從而避免了最后的分析結(jié)果與實(shí)際偏差較大的情況,但也可能存在比實(shí)際情況偏小的問題,因?yàn)檫x取的20條以上故障記錄的醫(yī)院是內(nèi)鏡用量非常大的醫(yī)院,比一般醫(yī)院使用更頻繁,故障率也會(huì)更高,這有待于在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行對(duì)比分析.

內(nèi)鏡故障頻率較高的5個(gè)部件分別為開關(guān)和(或)按鈕、彎曲橡皮、鉗子管道、水氣管道和電氣接口,針對(duì)不同部件的MTBF,可以制定針對(duì)部件的預(yù)防性維護(hù)方案,針對(duì)電氣接口故障可以采用每隔9個(gè)月的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行一次徹底的檢查,視情況而定是否需要更換,而無需每次點(diǎn)檢時(shí)都去檢查.

本研究對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了多種常見分布的數(shù)據(jù)擬合,通過剔除無效數(shù)據(jù)后對(duì)剩余數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)其符合威布爾分布,并對(duì)威布爾分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)及擬合優(yōu)度檢驗(yàn),得到故障間隔時(shí)間以及可靠度等指標(biāo),提出了對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的具體方法,為日后進(jìn)一步的可靠性研究奠定了基礎(chǔ).