基于熵權(quán)的TOPSIS 模型的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹分析

何 艷，張 果，朱 弋，尹麗瓊

（1.聯(lián)勤保障部隊(duì)第920 醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，昆明650032；2.昆明理工大學(xué)，昆明650504；3.武鋼集團(tuán)昆鋼股份安寧公司，昆明650302）

0 引言

隨著醫(yī)療技術(shù)水平的飛速發(fā)展，監(jiān)護(hù)儀的使用越來越廣泛，其在醫(yī)療診斷工作中的作用至關(guān)重要。目前，國內(nèi)并沒有多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀維護(hù)保養(yǎng)的官方標(biāo)準(zhǔn)操作流程。由于工程師的短缺、醫(yī)療設(shè)備種類及數(shù)量繁多，醫(yī)療設(shè)備基本處于不壞不修、壞了才修的維修狀態(tài)，維修后的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)、質(zhì)量控制檢測工作并沒有得到有效的開展，這是各級醫(yī)院都存在的共性問題。而醫(yī)療設(shè)備的維護(hù)工作在現(xiàn)代醫(yī)院的管理中舉足輕重，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）保障設(shè)備開機(jī)率；（2）防止過度維修；（3）降低醫(yī)療風(fēng)險，保障設(shè)備性能。

本文以多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀為研究對象，采用基于熵權(quán)的逼近理想解排序（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）模型的故障樹分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）法對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的維修記錄進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果得出維護(hù)建議，以期在維護(hù)保養(yǎng)方面為工程師提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

對我院多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀共412 條維修記錄進(jìn)行統(tǒng)計，其中顯示故障、心電模塊故障、血壓模塊故障、血氧模塊故障、開機(jī)故障是發(fā)生頻次較高的故障，詳見表1。

表1 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀主要故障分布

1.2 評價方法

1.2.1 FTA

本文采用FTA 對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障進(jìn)行深度分析。FTA 以其研究的系統(tǒng)為對象，以圖形的方式進(jìn)行描述[1]，建立故障樹，通過邏輯運(yùn)算，對引起頂事件的各個基本事件進(jìn)行定性、定量分析，是分析系統(tǒng)可靠性的一種方法[2-4]。通過FTA 可以幫助工程師快速地排查、解決故障[5]。FTA 主要包含定性分析和定量分析2 個方面：（1）定性分析：求解最小割集，找出導(dǎo)致多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障發(fā)生的規(guī)律是其主要任務(wù)。（2）定量分析：①基本事件的定量分析主要是在基本事件發(fā)生概率為已知的條件下計算頂事件發(fā)生的概率，基本事件是彼此獨(dú)立的。其中，基本事件的發(fā)生概率為已知條件，然后求解頂事件的發(fā)生概率。②計算各底事件的重要度，即對頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)度。當(dāng)一個部件發(fā)生故障時，對頂事件的貢獻(xiàn)程度稱為重要度。不同的需求有不同類型的重要度，如概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度和關(guān)鍵重要度等[6]。以下介紹結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度3 個概念[7-9]：

（1）結(jié)構(gòu)重要度：基本事件的發(fā)生概率不作為考慮因素的情況下，分析底事件在系統(tǒng)架構(gòu)中所處位置的重要度。

（2）概率重要度：基本事件發(fā)生概率的變化對頂事件發(fā)生概率的影響，減少發(fā)生概率高的基本事件就可以有效降低頂事件的發(fā)生概率。

（3）關(guān)鍵重要度：各個底事件對頂事件發(fā)生概率影響程度的大小。

1.2.2 基于熵權(quán)的TOPSIS 模型構(gòu)建

FTA 雖然在故障診斷分析中應(yīng)用廣泛，可以較為直觀地分析故障原因，但對于解決故障判斷、故障推理和高效率維修方面尚有缺陷。TOPSIS 法由Hwang和Yoon 在1981年提出，是一種解決多目標(biāo)問題的多屬性決策方法[10]。TOPSIS 法雖然能夠解決FTA 存在的不足，但存有指標(biāo)權(quán)重主觀性較大的問題。故本文引入熵權(quán)來增加指標(biāo)權(quán)重的客觀性。

熵屬于熱力學(xué)概念，是克勞斯提出的應(yīng)用于度量系統(tǒng)的無序程序，這一概念被香農(nóng)應(yīng)用于通信工程形成信息論后，被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等多個領(lǐng)域[10]。在多目標(biāo)的評價分析體系中，熵越小，所提供的信息量就越大，則分析指標(biāo)的權(quán)重就越高，反之亦然[11]。

本文利用熵權(quán)法來確定各指標(biāo)權(quán)重，其步驟如下[12]：

（1）FTA 中設(shè)有m 個底事件，每個底事件對應(yīng)n個指標(biāo)，通過數(shù)據(jù)采集計算這n 個指標(biāo)的值。設(shè)第i個底事件的第j 個指標(biāo)值為xij，其中i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，得到的初始決策矩陣X 為

（2）對初始決策矩陣X 做標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y：

（3）計算第j 個指標(biāo)的熵值ej：

（4）計算第j 個指標(biāo)的權(quán)重wj：

TOPSIS 法的原理是通過確定分析對象與正理想解、負(fù)理想解的距離來進(jìn)行排序，判定分析對象的優(yōu)劣。在本文中，若離最優(yōu)解最近的直接故障原因事件離最劣解最遠(yuǎn)，那么這個直接原因事件為最優(yōu)先排除對象。上述基于熵權(quán)的TOPSIS 模型構(gòu)建如下：

（1）建立初始矩陣并做歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y（此處標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y 采用上述熵權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣）；

（2）構(gòu)建加權(quán)規(guī)范矩陣R：

（3）根據(jù)各指標(biāo)確定正理想解S+和負(fù)理想解S-：

（4）計算各評價對象到正理想解S+與負(fù)理想解S-的歐氏距離：

（5）計算底事件的相對貼近度Ci：

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 建立多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹

本文以多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障為例，建立故障樹（如圖1 所示），并找出引起頂事件發(fā)生的故障原因。

圖1 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹

根據(jù)故障樹建立步驟，由上而下，逐層分析A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7事件的發(fā)生原因，分別建立中央監(jiān)護(hù)工作站故障故障樹（如圖2 所示）、顯示故障故障樹（如圖3 所示）、血壓模塊故障故障樹（如圖4 所示）、血氧模塊故障故障樹（如圖5 所示）、心電模塊故障故障樹（如圖6 所示）、開機(jī)故障樹（如圖7 所示）以及其他故障故障樹（如圖8 所示）。

圖2 中央監(jiān)護(hù)工作站故障故障樹

圖3 顯示故障故障樹

圖4 血壓模塊故障故障樹

2.2 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹的定性和定量分析

2.2.1 定性分析

以頂事件為起點(diǎn)，自上而下逐級分解，求解最小割集。由于多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹的邏輯門都為或門，所以頂事件的布爾運(yùn)算表達(dá)式為

2.2.2 定量分析

圖5 血氧模塊故障故障樹

圖6 心電模塊故障故障樹

圖7 開機(jī)故障故障樹

圖8 其他故障故障樹

頂事件的發(fā)生概率Fs計算如下：Fs=1-（1-FX1）（1-FX2）…（1-FX36）（1-FX37）=0.643 0。

以圖2 中央監(jiān)護(hù)工作站故障樹為例，計算出各底事件的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度，詳見表2。

表2 定量分析結(jié)果

2.3 基于熵權(quán)的TOPSIS 模型的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀FTA分析

根據(jù)基于熵權(quán)的TOPSIS 模型分析步驟，通過MATLAB 依次計算得到相對貼近度Ci，詳見表3。根據(jù)Ci值的大小，對各底事件排序，得到X6=X16＞X7＞X10=X19＞X22＞X8＞X26＞X25＞X11＞X31＞X23=X28＞X3=X20＞X17＞X15=X37＞X18=X29＞X2=X21=X9＞X1=X24=X27=X35＞X30=X33=X36＞X4=X14=X34＞X5=X12=X13=X32。排序靠前的底事件為優(yōu)先排除故障，當(dāng)Ci值相等時，優(yōu)先考慮故障范圍大的事件。如X6高壓板故障和X16血氧探頭故障的計算結(jié)果相等，但由于高壓板影響的是監(jiān)護(hù)儀的屏幕顯示，如果監(jiān)護(hù)儀已發(fā)生顯示故障，那將會影響到其他故障的排查。故在顯示故障與其他故障同時發(fā)生時，要優(yōu)先排除顯示故障。

由表3 可知，排序靠前的故障主要是高壓板故障、血氧探頭故障、燈管老化、袖帶故障、導(dǎo)聯(lián)線故障和路由器故障。其中高壓板故障和燈管老化屬于顯示故障，在日常維護(hù)中，對顯示器的維護(hù)常以事后維修為主。血氧探頭、袖帶和導(dǎo)聯(lián)線是多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的附件，屬于易損件，是消耗性耗材，其損壞多見于自然老化和人為損壞。

表3 各底事件相對貼近度Ci

3 討論

本文以結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度為分析指標(biāo)，各底事件為分析對象，通過基于熵權(quán)的TOPSIS 模型的綜合分析，得出各底事件的相對貼近度Ci，并進(jìn)行排序。通過排序，得出了在FTA 結(jié)構(gòu)中占有重要位置的底事件，再結(jié)合多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的主要故障占比率，可以根據(jù)實(shí)際情況，在故障高發(fā)方面有針對性地加強(qiáng)日常預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)，延長設(shè)備壽命周期，具體維護(hù)建議如下：

（1）日常保養(yǎng)：主要是對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀外觀及附件進(jìn)行除塵、清潔和消毒，此項(xiàng)工作由醫(yī)學(xué)工程科來監(jiān)督臨床科室的完成情況[13-14]。

（2）一級維護(hù)保養(yǎng)：重點(diǎn)對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀內(nèi)部做除塵處理，檢查監(jiān)護(hù)儀參數(shù)設(shè)置，如時間設(shè)置、患者信息設(shè)置、心電設(shè)置、血壓設(shè)置、血氧設(shè)置等。對有工作站的監(jiān)護(hù)儀，還要檢查工作站的設(shè)置是否正確，詳細(xì)流程如圖9 所示。

結(jié)合相對貼近度Ci的排序結(jié)果，在整個監(jiān)護(hù)儀故障系統(tǒng)中，其他故障都是建立在電源和顯示故障基礎(chǔ)上的，只有排除了這部分故障，才有利于其他故障的排除。一級維護(hù)保養(yǎng)主要包括以下幾個方面：

①顯示器[15-16]：由于多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的使用時間較長，其內(nèi)部部分元件達(dá)到使用壽命，故以預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)和事后維修為主，其預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)主要包括：調(diào)整顯示器參數(shù)，降低屏幕亮度。同時盡量避免超負(fù)荷工作，不使用時，關(guān)閉顯示器電源；并避免不必要的撞擊和觸碰。定期進(jìn)行清潔、內(nèi)部除塵處理；外部清潔禁用含有氨、酒精及無機(jī)鹽類成分的清潔液，清水即可；若不能達(dá)到清潔效果，可使用液晶專用清潔劑。

圖9 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀一級維護(hù)保養(yǎng)流程

②易損耗材：對心電導(dǎo)聯(lián)線、血壓袖帶及血氧探頭老化嚴(yán)重的耗材，要督促臨床科室及時更換。

③易損部件：風(fēng)扇為易損部件，對噪聲大、不能正常工作的風(fēng)扇及時更換，以免將監(jiān)護(hù)儀故障范圍擴(kuò)大化。對故障高發(fā)科室，采取每半年一次預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)方案，其他科室根據(jù)使用頻率，制訂不同的周期性預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)計劃，結(jié)合質(zhì)控檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理、及時維修。

④路由器：多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀通過路由器與工作站傳輸數(shù)據(jù)，由于路由器處于持續(xù)工作狀態(tài)，加上放置場地沒有定期清潔，灰塵較多，容易造成各接口的氧化。因此，需要定期對路由器和網(wǎng)線放置場地進(jìn)行除塵處理，網(wǎng)線端口用精密電子儀器清潔劑進(jìn)行處理，效果較佳。

（3）二級維護(hù)保養(yǎng)：結(jié)合維修手冊，在一級維護(hù)保養(yǎng)的基礎(chǔ)上，主要對多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行功能檢查、質(zhì)量控制檢測及校準(zhǔn)（周期檢測1 a 一次）。如有必要，請廠方工程師進(jìn)行協(xié)助，使多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的性能指標(biāo)符合出廠要求[17]。對于故障率高、使用頻率高的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，尤其是在ICU、CCU 及手術(shù)室使用的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，一級和二級維護(hù)保養(yǎng)不局限于1 a一次。同時，還應(yīng)做到維修后就檢測，并記錄檢測數(shù)據(jù)。

此外，還需針對新機(jī)安裝、工程師技能及計量3個方面進(jìn)行培訓(xùn)。通過這些培訓(xùn)，可以降低因操作不當(dāng)、人為等因素帶來的故障，同時可以提高使用者對計量及其重要性的認(rèn)知。

4 結(jié)語

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀是醫(yī)院數(shù)量多、使用面廣的醫(yī)療設(shè)備，結(jié)合監(jiān)護(hù)儀使用的實(shí)際情況，制訂符合實(shí)際工作的維護(hù)保養(yǎng)流程，才能使醫(yī)療設(shè)備始終處于最佳狀態(tài)。本文以多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀為研究對象，應(yīng)用FTA 建立多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障樹，并對其進(jìn)行定性、定量分析；引入基于熵權(quán)的TOPSIS 模型，使故障分析結(jié)果更加科學(xué)、貼合實(shí)際工作情況。同時，根據(jù)分析結(jié)果，提出了具有針對性的、符合實(shí)際工作情況的維護(hù)建議，在工程技術(shù)人員緊缺的情況下，對降低多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀故障率、把握多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的故障規(guī)律具有積極作用，同時為多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)及操作指南提供了參考依據(jù)。