基于FTA的磁共振成像设备可靠性研究

贾 琳， 王 红， 易凯婷， 秦东旭， 时松和， 程敬亮， 张贺伟，罕迦尔别克·库锟， 翟树佳， 贾文霄

(1新疆医科大学第二附属医院影像科， 乌鲁木齐 830063； 郑州大学2公共卫生学院， 3第一附属医院影像科， 郑州 450000；4郑州新益华医学科技有限公司， 郑州 450000； 5新疆医科大学， 乌鲁木齐 830011； 6新疆医科大学第一附属医院影像中心， 乌鲁木齐 830054)

现阶段国内MRI设备型号众多，设备可靠性评价多依赖于生产厂家自身的评价，缺乏客观的第三方评价规范的实际情况。由于MRI设备构造复杂，设备包含多个系统，每个系统又包含许多部件，不同的系统、部件之间又存在着复杂的关系。而MRI设备的正常运转是精准的诊疗和精确的科研教学实现的前提，当任何一个环节出现问题都有可能产生严重的后果[1-2]。因此，对MRI设备故障的诊断和维修是一个急需重视且较为复杂的任务。MRI设备的故障诊断由专业维修人员根据经验或相关知识进行，其缺点在于诊断故障的精确程度较低，维修时间和成本较高。为实现故障的快速诊断，研究了一种基于故障树最小割集和最小路集的MRI设备故障快速诊断决策方案，从而缩短诊断时间，提高诊断准确率。

1 故障树分析法

故障树分析法(fault tree analysis,FTA),又称事故树分析，由美国贝尔电话实验室Watson首先提出，后逐步发展成为一整套的计算和科学分析方法，是一种将系统故障形成的原因由总体到部件按树状逐级细化的分析方法[3-5]。常用于复杂系统的可靠性分析，目的是判明基本的故障模式，确定故障的潜在原因，估计故障发生的概率[6-7]。

首先应在了解所研究系统的结构、功能及相关技术指标的前提下，确定顶事件(即输出事件)，进一步确定导致输出事件的所有下一级输入事件，分析输入事件与输出事件之间的逻辑门关系，画出故障树，确定故障树规范，完成故障树建模。通过对故障树进行定性分析，确定故障树的最小割集，找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式。在此基础上利用最小割集对故障树进行定量分析，以最小割集出现概率为基础数据计算出顶事件发生的概率、设备的平均无故障时间等[8]，并确定最小割集的发生对顶事件的影响程度，从而分析出系统的薄弱环节，用于指导故障诊断，进而改进使用和维修方案[9]。

最小割集：假设故障树有n个底事件x1，x1，…，xn，C={xi1，xi2，…，xim}表示其中部分底事件的一组集合，若该集合内所有底事件均已发生，或称集合C发生，顶事件必定发生，集合C则是该故障树的一个割集。如果集合C是某一故障树的割集，当集合C中任意一个底事件被去掉后，余下的集合不再是该故障树的割集时，则集合C就被定义为最小割集。

最小路集：故障树的路集是与故障树的割集相对应的另一个基本概念，假设集合P={xi1，xi2，…，xik}由一系列底事件组成，如果集合P内的每一个底事件均未发生，那么顶事件一定不会发生，则称集合P是故障树的一个路集。当集合P中任意去掉一个底事件以后，余下的集合就不再是故障树的路集时， 该集合P就被定义为故障树的最小路集。

2 MRI设备故障树构建

磁共振成像(MRI)设备是由磁体系统、射频系统、梯度系统、计算机与控制系统、检查辅助系统及制冷系统这6大子系统组成。磁体子系统的主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。梯度子系统的主要作用为产生线性变化的梯度磁场，从而进行组织空间定位和选层。射频子系统有发射射频脉冲和接收MRI信号两个基本功能。计算机与控制系统一方面具有控制磁共振的射频脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示的功能，另一方面又具有控制各模块协同工作的功能。检查辅助系统则主要具有检查时承载患者并进行定位、检查时方便医务人员与患者沟通、给设备中的所有电器元件供电、连接各模块等多项功能；而制冷系统则是MRI设备的低温保障装置。

根据故障发生部位及相应影响的区别，依照故障树建立原则，将MRI设备整机系统故障作为故障树的顶事件，将各子系统的故障作为中间事件，将不同子系统的故障模式作为底事件，建立MRI设备故障树的可靠性分析模型。把故障树中的事件均用代码表示，建立了MRI设备故障事件及其相应代码表，如表1所示。将故障树中的事件用代码表示的MRI设备故障树如下图1所示[10]。

3 MRI设备故障树的最小割集和最小路集

3.1最小割集故障树最小割集的求法有多种，本文选取了其中较为简便易行的下行法来求取MRI设备故障树的最小割集。

表1 MRI设备故障事件及其相应代码

下行法又称Fussell-Vesely法[11-13]，其基本原理就是从故障树的顶事件开始，由上而下进行，区别不同逻辑关系分别表示，在故障树中，若逻辑门是“与门”，则仅增加割集的容量，若逻辑门是“或门”，则增加割集的数量。每一步按上述原则由上而下排列，直到全部的逻辑门都置换为底事件的集合为止，然后运用布尔代数运算法则，求出故障树的最小割集。

由于MRI设备故障树中只有“或门”且简化后的故障树无重复事件，所以故障树的所有底事件就是MRI设备故障树的最小割集。得出故障树的最小割集为{D01}、{D02}、{D03}、{D04}、{D05}、{D06}、{D07}、{D08}、{D09}、{D10}、{D11}、{D12}、{D13}、{D14}、{D15}、{D16}、{D17}、{D18}、{D19}、{D20}、{D21}、{D22}、{D23}、{D24}、{D25}、{D26}、{D27}、{D28}、{D29}、{D30}、{D31}、{D32}。

3.2最小路集最小路集的求法是将故障树转化为对偶的成功树，也就是将原来故障树中的与门换成或门，或门换成与门，各类事件发生换成不发生，即将全部事件代码上方加上符号“-”。然后求成功树的最小割集，即原故障树的最小路集。

故障树全部最小路集的完整集合，代表了顶事件不发生的可能性，给出了系统正常运行模式的完整描述。据此，可以进行系统可靠性及特征量的分析。

4 MRI设备的故障分析

为探讨国产与进口以及场强对MRI设备可靠性的影响，本次研究调查收集2015-2017年MRI设备237台，其中有151台MRI设备具有2015-2017年这3年的故障数据，有45台MRI设备具有其中2年的故障数据，另外的41台MRI设备则仅有其中1年的故障数据，因此共有584条故障数据。按国产与进口进行分组则国产有126条故障数据、进口有458条故障数据；按场强进行分组则1.5T有235条故障数据，3.0T有349条故障数据。

将本次研究调查收集的所有故障数据按照国产和进口进行分组，比较各组MRI设备故障事件发生概率，见表2。

采用连续型两独立样本比较的秩和检验，得出32个底事件中有6个事件发生概率在国产组与进口组之间比较差异有统计学意义(P<0.05)。6个中间事件中有2个事件故障发生概率在国产组与进口组之间比较差异有统计学意义(P<0.05)。而其余25个底事件、4个中间事件以及顶事件MRI设备整机系统故障的发生概率在国产组与进口组之间比较差异均无统计学意义(P>0.05),结果见表2。

将本次研究调查收集的所有故障数据按照场强进行分组，即将其分成3.0T组和1.5T组，进行不同场强的MRI设备故障事件发生概率比较，见表3。

采用连续型两独立样本比较的秩和检验，得到32个底事件中有6个事件发生概率在3.0T组与1.5T组之间比较差异有统计学意义(P<0.05)。而其余26个底事件、6个中间事件以及顶事件MRI设备整机系统故障的发生概率在3.0T组与1.5T组之间比较差异均无统计学意义(P>0.05)，结果见表3。

表2 国产与进口MRI设备故障比较

表3 国产与进口MRI设备故障比较

5 讨论

MRI设备作为医院重要的临床医学影像设备器具有提供的信息量大、诊断结果可靠等优势。但是因为各种因素，医院MRI设备常常出现各种故障，从而影响了正常使用，因此分析该设备的常见故障具有重要意义。本次研究通过比较国产与进口MRI设备的故障数据发现磁场飘移、射频放大器故障、图像数据库故障、心电指脉呼吸门控故障这4种故障事件，进口MRI设备发生的概率高于国产MRI设备。原因可能是MRI设备使用的频率和年限所决定的，因为研究发现国产的MRI设备主要集中分布在基层医院，而进口的MRI设备主要集中分布在三甲医院中，而且三甲医院相对于基层医院而言，每天所检查的患者量要更多，使用时间更长，对于MRI设备这样结构精细复杂的大型医疗设备，高频长时间的使用，很容易出现故障。另外MRI设备的核心技术主要掌握在GE、西门子和飞利浦等国外公司,国内很少具有原创性的MRI产品, 一些部件也是在国外技术基础上进行研发，或从国外直接购买进行组装[1]，如梯度子系统，在这样的基础上，使用频率和时间就起着至关重要的作用。国产MRI设备发生对讲系统及急停故障和传导板故障的概率高于进口MRI设备，这两个故障事件都属于检查辅助系统的底事件，由于国产公司起步较晚，在研发技术和维护服务上可能存在不足，加之医务人员保养意识的高低的差别，以致易出现故障。

由于人们对成像质量要求提高，加快了高场磁共振的发展，推动1.5T的MRI设备向3.0T的MRI设备的转变。本次研究发现，不同场强MRI设备在部分常见故障事件的发生概率上存在差异，对于射频电源故障、射频放大器故障、射频控制器故障、检查床故障、心电指脉呼吸门控故障这5种故障事件，场强为3.0T的MRI设备发生故障的概率高于场强为1.5T的MRI设备。原因可能是虽然3.0T MRI设备相对于1.5T的MRI设备在信噪比、对比噪声比、空间-时间分辨率以及光谱分辨率等方面都有了较大的改善，但是在磁场和射频系统等子系统的工艺设计上要求更高，要求有更高的质量以满足在高场强下设备正常运行的功能，延长使用寿命，再加上3.0T的MRI设备在医院中使用频率更高，所以故障发生概率就更高。另外场强为1.5T的MRI设备发生床板线圈故障的概率又高于场强为3.0T的MRI设备。床板线圈故障属于射频子系统的底事件，MRI设备中床板线圈设置在射频发射线圈上并可在超导磁体的通孔内沿着通孔的中心线方向运动，国产的磁共振主要是1.5T的，且此次调查的磁共振中1.5T所占比重较大，加上国产的MRI研发公司在研发技术上与进口公司存在一定差距，在其他条件相当而日常维护又不到位时，就容易发生故障。

研究建立故障树，确定引起MRI设备出现故障的最小割集为32个，最小路集为1个，有助于快速找到发生故障的原因，提高了故障诊断的准确率，进一步了找出国产与进口MRI设备之间的差别以及不同场强的MRI设备之间的差异，为进一步探究不同MRI设备差别的原因、完善改进措施，提高设备可靠性提供依据。