基于關鍵部件的PET/CT使用期限研究

【作 者】李楠，魯文濤，張尉強，鄒金林

1 東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，沈陽市，110167

2 上海市醫(yī)療器械檢驗研究院，上海市，201318

3 廣州然因普電子科技有限公司，廣州市，510610

0 引言

國產大型高端醫(yī)學影像設備的功能設計已達到或超過同類進口產品，但可靠性和使用中的有效性表現還有待證明。2019年5月，國家藥品監(jiān)督管理局提出了《有源醫(yī)療器械使用期限注冊技術指導原則》（以下簡稱《指導原則》），要求醫(yī)療器械注冊申請人需申明產品的使用期限，并在方法論層面提出了評價產品使用期限的建議，但對正電子發(fā)射及X射線計算機斷層成像系統(tǒng)（positron emission and X-ray computed tomography system,PET/CT）這種大型有源醫(yī)學影像設備的使用期限的具體驗證方法仍然處于探索階段，有必要專門進行研究。由于系統(tǒng)復雜、批量小、單個產品價值昂貴、設備龐大等特點，以PET/CT整機系統(tǒng)為對象，用試驗的方式開展壽命指標的評價不易實現。所以，本研究對PET/CT的使用期限的研究基于《指導原則》中的評價路徑2，通過將產品（系統(tǒng)）分解為不同子系統(tǒng)/部件的方式進行。

1 使用期限的概念與評估方法

從《指導原則》中預期使用期限的概念來看，預期使用期限是指產品安全有效使用的預期期限，在該期限內產品能夠維持其適用范圍。可見預期使用期限是設計階段對產品未來表現的預期，從評價的角度來看，“期限”是一個時間（或壽命）概念，需要對應一個具體設備安全有效要求的能力概率限定，顯然，這是典型的可靠性工程中的可靠壽命評估的一類。將“預期使用期限”，簡稱為“使用期限 ”。

本研究著重于從可靠性的角度對預期使用期限評價方法進行研究，不研究有關風險評估的問題。所描述的評價方法以《指導原則》中評價路徑2為基本技術方向，具體為：①定義PET/CT整機的使用期限要求；②系統(tǒng)分解和指標分解；③子系統(tǒng)/部件的可靠性指標評價；④綜合分析經評價所得的PET/CT使用期限是否滿足廠家定義PET/CT整機的使用期限的要求。

2 PET/CT的使用期限要求

由于PET/CT為可維修產品，使用期限關心的是在此時間內整機系統(tǒng)的不可維修故障和影響安全有效性的故障的概率。

根據用戶調查、同類產品的經驗數據，定義東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司生產的某型號PET/CT的使用期限為10年。其可靠壽命的內涵為t0.75>10年，即整機系統(tǒng)在10年內發(fā)生不可維修和出現影響安全有效性的故障的總概率低于25%。

3 PET/CT系統(tǒng)分解和指標分解

3.1 系統(tǒng)分解

PET/CT是一個比較復雜的系統(tǒng)，主要由圖1所示子系統(tǒng)/部件組成。

圖1 PET/CT的組成（PET主機包含探測器和前端電子系統(tǒng)）Fig.1 Composition of PET/ CT (PET Gantry includes detector and front end electronic system)

3.2 子系統(tǒng)/部件的可靠性特征

各子系統(tǒng)/部件的可靠性特征具體見表1。

為了評價PET/CT整機系統(tǒng)的使用期限，我們重點關注兩類子系統(tǒng)/部件，一是不可維修子系統(tǒng)/部件，二是其故障會引起整機出現安全有效性風險的子系統(tǒng)/部件，具備這兩種特征中的任意一種，即可以定義為影響PET/CT整機系統(tǒng)的使用期限的關鍵子系統(tǒng)/部件。從表1中可以看出，我們主要需對CT、PET主機架、掃描床、電路板、探測器等幾類子系統(tǒng)/部件展開評價即可。

表1 各子系統(tǒng)/部件的可靠性特征Tab.1 Reliability characteristics of each subsystem/ component

3.3 子系統(tǒng)/部件的可靠性指標要求

各子系統(tǒng)/部件與PET/CT整機系統(tǒng)的故障邏輯關系為串聯模型，按重要度分配方法，將PET/CT整機系統(tǒng)的可靠壽命要求分配給各關鍵子系統(tǒng)/部件，考慮到不同部件發(fā)生故障的后果不同，各部件的重要度排序：PET主機架>CT子系統(tǒng)>電路板>探測器>掃描床，所以按重要度對可靠度進行了差異化的分配，具體要求見表2。

表2 各關鍵子系統(tǒng)/部件的可靠性指標要求Tab.2 Reliability index requirements of key subsystems/ components

4 子系統(tǒng)/部件的可靠性指標評價

4.1 CT的可靠性指標評價

CT子系統(tǒng)主要由X射線管、限束器、高壓、探測器組成。由于CT已經有較好的歷史使用經驗數據，因此使用經驗數據評估法對其可靠性指標進行評價。

該型號PET/CT中使用的CT部分為成熟子系統(tǒng)，上市時間已超過20年。基于潛在失效模式與效應分析（potential failure mode and effects analysis,FMEA）分析結果，PET/CT中使用的CT近年來未進行可能降低其可靠性的修改。對1998年至2010年生產的2 000臺64層CT現場使用數據分析，現場使用超過10年，未發(fā)生不可修復故障，因此判斷可以滿足t0.98>10年。

4.2 PET主機架的可靠性指標評價

PET主機架的結構如圖2所示，為靜態(tài)應力承受結構。為了確定在10年內是否存在退化特征，需要結合有限元分析進行判斷。

圖2 PET主機架結構示意圖Fig.2 PET gantry structure diagram

PET機架的立板材料為鋁合金，底部支撐座為主要承力部件，采用碳鋼焊接結構。系統(tǒng)對該部件的剛度有較高要求，總體最大變形量不大于0.5 mm。對該部件進行了有限元分析，PET主機主支撐應力分析可知鋁板的屈服強度為7.5 MPa小于鋁極限屈服強度255 MPa，PET主機主支撐結構的形變是在彈性形變范圍內。理論上分析10年內不應存在疲勞的問題，即不存在退化的問題。由于PET主機主支撐結構為新設計結構，無經驗數據支撐；且其形變是彈性形變，暫無合適的加速試驗方法可以較好地評價其10年內的壽命特征，因此本研究暫不對其可靠性指標進行工程評價，留待將來有現場使用數據后再進行評估。

4.3 掃描床的可靠性指標評價

掃描床主要由驅動部件、傳動部件、支撐結構、控制系統(tǒng)等組成，其中的非金屬支撐件、運動部件、接插部件等在10年內存在退化風險，且任意部件的故障足以引起PET/CT整機的使用出現安全性風險。

掃描床的可靠性指標將按加速試驗的方式進行評價。掃描床中可能存在退化風險的部件主要因為工作頻次而產生磨損、疲勞等退化現象。雖然另一方面也會因為長時間暴露于使用場合條件而存在劣化等可能，但據前期產品的經驗數據分析看來，10年內出現這類失效機理的退化風險極低，在本研究中暫不考慮。因此試驗主要采用工作加速試驗，即模擬實際使用方式，采用事件壓縮的方法開展加速試驗。

4.3.1 故障判據

如出現不滿足以下描述的情況，即視為故障：所有線纜均無松動；無電子電器件松動、脫落等情況，電路板完好、電路板固定螺絲把接牢固；水平往復的誤差范圍－0.1 mm至 +0.1 mm；掃描床水平步進精度測量，滿足步進誤差≤±0.25 mm。

導致掃描床功能性能故障的耗損型關聯故障。掃描床功能性能要求為：水平往復運動功能且其運動誤差范圍為－0.1 mm至+0.1 mm；水平步進精度測量功能且滿足步進誤差≤±0.25 mm；升降運動功能。

4.3.2 工作加速試驗評價

基本試驗方案：掃描床的可靠性指標為t0.84>10年。為了驗證是否能滿足10年的工作強度要求，以二項分布分式N=來計算所需的樣本量，以故障數為0，置信度為0.6（考慮到掃描床樣本限制，故取此值），可靠度為0.84，則樣本量為5臺。即，應該使用5臺掃描床，進行10年工作量的試驗，如果0失效，則有0.6的置信度認為掃描床的可靠度滿足0.84的要求。

加速試驗方案：采用事件壓縮試驗來進行加速。每天檢測患者數為20例。一年中考慮節(jié)假日及設備維護時間，設備使用時間約240 d。10年內共運行次數：20×240×10=48 000次。試驗采用24 h連續(xù)測試，一次掃描的床運動總時間是194 s。床運動總時間：194×48 000/（3 600×24）≈108 d。

4.3.3 試驗結果及結論

5臺掃描床分別進行48 000次動作（約耗時108 d），無故障發(fā)生。

在0.6的置信度下，掃描床的工作狀態(tài)可靠性指標可以滿足t0.84>10年的要求。

4.4 電路板的可靠性指標評價

由于電路板設計更新較快，沒有較好的經驗數據支撐，且電路板有較好的加速理論基礎，因此針對電路板的評價采用加速試驗的方式進行。本試驗以設備中典型的前端電子電路板組件為代表。

4.4.1 工作加速實驗評價

基本試驗方案：電路板的可靠性指標為t0.97>10年。為了驗證是否能滿足10年的工作強度要求，以二項分布分式N=來計算所需的樣本量，以故障數為0，置信度為0.9，可靠度為0.97，則樣本量為76。即，應該使用76套前端電子電路板組件，進行10年工作量的試驗，如果0失效，則有0.9的置信度認為前端電子電路板組件的可靠度滿足0.97的要求。

加速試驗方案：采用GB/T 34986—2017中B類和C類試驗相結合的方式進行加速，即先核算10年前端電子電路板組件的實際工作時間，再在此基礎上施加額外應力。

10年前端電子電路板組件的實際工作時間概算為t=240×24×10=57 600 h。

另外，參考MIL-HDBK-338B Electronic Reliability Design Handbook一書中的表8.7.1描述，以及東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司的試驗經驗，使用高溫作為主要的加速應力，電路板的壽命與溫度的關系遵循阿侖尼茲方程：

其中：L為產品壽命

A為一個常數，通過對產品的試驗確定；

e為自然對數的底；

E為激活能，每種失效機理，激活能都不同；

k為Bolzman常數，8.62×10-5eV/K；

T為溫度（Kelvin）。

在選用高溫作為加速應力時，加速因子的計算公式如下：

因此，在給定加速試驗的高溫值和已知常規(guī)溫度值的情況下，為了求得加速因子，就須確定激活能E值。根據東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司對各類電路板的高溫加速老化試驗中所得的數據：在70 ℃以內不會明顯改變失效機理，且不同溫度應力的加速符合阿侖尼茲方程；MIL-HDBK-338B的表8.7.1中給出了電子電路產品中常見的失效機理及其建議的激活能范圍，這些失效機理大部分都可能在前端電子電路板組件的高溫加速老化試驗中發(fā)生，在本試驗方案中，將激活能E值定義為中等偏下的相對保守的0.6。

高溫值：查閱前端電子電路板組件所用元器件及材料的最高溫度的規(guī)范值，均在70 ℃以上，故在本試驗中，保留一定余量，高溫值選擇為60 ℃。由于常規(guī)溫度條件為22 ℃，按式（2）計算得加速因子AF=exp{0.6×[1/(273+22)-1/(273+60)]/0.000 086 2)}=14.77 。

試驗時間：為了驗證10年的使用期限，高溫60 ℃的加速老化試驗時間為：L=57 600/14.77=3 900 h。

4.4.2 試驗結果及結論

76套前端電子電路板組件分別在60 ℃的高溫條件下開展工作狀態(tài)加速老化試驗3 900 h，無故障發(fā)生。

在0.9的置信度下，前端電子電路板組件可靠性指標可以滿足t0.97>10年的要求。

4.5 探測器的可靠性指標評價

根據工程經驗，對影響探測器壽命的關鍵因素進行分析，由于γ射線輻照是導致探測器的晶體、反射物質、膠層發(fā)生退化的主要應力。

4.5.1 工作加速實驗評價

基本試驗方案：探測器的可靠性指標為t0.95>10年。為了驗證是否能滿足10年的工作強度要求，以二項分布分式N=來計算所需的樣本量，以故障數為0，置信度為0.6（考慮到探測器的樣本量限制，故取此值），可靠度為0.95，則樣本量為18個。即，應該使用18個探測器件，進行10年工作量的試驗，如果0失效，則有0.6的置信度認為探測器的可靠度滿足0.95的要求。

輻照加速試驗：準備探測器模塊并測試記錄性能。將探測器block置入棒源井輻照環(huán)境，將放射棒源貼緊于探測器晶體表面，封存棒源井輻照環(huán)境，防止射線外漏；測試時間結合臨床實際情況，進行推導，考慮到實際條件下的操作誤差及放射源的衰減，總射線量應按照理論計算1.2倍執(zhí)行。10年時間探測器將接受到的γ射線輻照射線量=10年壽命周期內累計接受射線數約為6.9×1013，則試驗需要接收的總射線量=6.9×1013×1.2 ≈ 8×1013（射線數）。

基于蒙特卡羅方法Geant4的仿真模型，給出活度為2 mCi的放射性棒源，置于探測器表面，以探測器所接收到的累計粒子數量計算，需要的試驗時間為t=44.4 d。

4.5.2 試驗結果及結論

18只探測器經歷輻照50 d，無故障發(fā)生。

在0.6的置信度下，探測器的可靠性指標可以滿足t0.95>10年的要求。

5 結論

以上各影響PET/CT整機系統(tǒng)的預期使用期限的關鍵子系統(tǒng)/部件的評價結論都符合整機系統(tǒng)分配給相應子系統(tǒng)/部件的可靠性指標要求，因此，PET/CT整機系統(tǒng)預期使用期限可以滿足10年的要求。

本研究采用《指導原則》中評價路徑2進行評價，將PET/CT整機系統(tǒng)的預期使用期限分解為子系統(tǒng)/部件的量化可靠性指標要求，根據各子系統(tǒng)/部件的特點，使用了經驗數據法、加速試驗法等方法評價了各子系統(tǒng)的可靠性指標，再綜合評價PET/CT整機系統(tǒng)的預期使用期限是否滿足預先提出的要求。探索的復雜大型醫(yī)療器械使用期限的具體評價方法在滿足統(tǒng)計學和物理學的基礎上，給出了具體的實施實例，對行業(yè)相關技術研究具有一定的參考價值。