基于熵权的TOPSIS 模型的多参数监护仪故障树分析

何 艳，张 果，朱 弋，尹丽琼

（1.联勤保障部队第920 医院医学工程科，昆明650032；2.昆明理工大学，昆明650504；3.武钢集团昆钢股份安宁公司，昆明650302）

0 引言

随着医疗技术水平的飞速发展，监护仪的使用越来越广泛，其在医疗诊断工作中的作用至关重要。目前，国内并没有多参数监护仪维护保养的官方标准操作流程。由于工程师的短缺、医疗设备种类及数量繁多，医疗设备基本处于不坏不修、坏了才修的维修状态，维修后的预防性维护保养、质量控制检测工作并没有得到有效的开展，这是各级医院都存在的共性问题。而医疗设备的维护工作在现代医院的管理中举足轻重，主要体现在以下几个方面：（1）保障设备开机率；（2）防止过度维修；（3）降低医疗风险，保障设备性能。

本文以多参数监护仪为研究对象，采用基于熵权的逼近理想解排序（technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS）模型的故障树分析（fault tree analysis，FTA）法对多参数监护仪的维修记录进行分析，根据分析结果得出维护建议，以期在维护保养方面为工程师提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

对我院多参数监护仪共412 条维修记录进行统计，其中显示故障、心电模块故障、血压模块故障、血氧模块故障、开机故障是发生频次较高的故障，详见表1。

表1 多参数监护仪主要故障分布

1.2 评价方法

1.2.1 FTA

本文采用FTA 对多参数监护仪故障进行深度分析。FTA 以其研究的系统为对象，以图形的方式进行描述[1]，建立故障树，通过逻辑运算，对引起顶事件的各个基本事件进行定性、定量分析，是分析系统可靠性的一种方法[2-4]。通过FTA 可以帮助工程师快速地排查、解决故障[5]。FTA 主要包含定性分析和定量分析2 个方面：（1）定性分析：求解最小割集，找出导致多参数监护仪故障发生的规律是其主要任务。（2）定量分析：①基本事件的定量分析主要是在基本事件发生概率为已知的条件下计算顶事件发生的概率，基本事件是彼此独立的。其中，基本事件的发生概率为已知条件，然后求解顶事件的发生概率。②计算各底事件的重要度，即对顶事件发生的贡献度。当一个部件发生故障时，对顶事件的贡献程度称为重要度。不同的需求有不同类型的重要度，如概率重要度、结构重要度和关键重要度等[6]。以下介绍结构重要度、概率重要度和关键重要度3 个概念[7-9]：

（1）结构重要度：基本事件的发生概率不作为考虑因素的情况下，分析底事件在系统架构中所处位置的重要度。

（2）概率重要度：基本事件发生概率的变化对顶事件发生概率的影响，减少发生概率高的基本事件就可以有效降低顶事件的发生概率。

（3）关键重要度：各个底事件对顶事件发生概率影响程度的大小。

1.2.2 基于熵权的TOPSIS 模型构建

FTA 虽然在故障诊断分析中应用广泛，可以较为直观地分析故障原因，但对于解决故障判断、故障推理和高效率维修方面尚有缺陷。TOPSIS 法由Hwang和Yoon 在1981年提出，是一种解决多目标问题的多属性决策方法[10]。TOPSIS 法虽然能够解决FTA 存在的不足，但存有指标权重主观性较大的问题。故本文引入熵权来增加指标权重的客观性。

熵属于热力学概念，是克劳斯提出的应用于度量系统的无序程序，这一概念被香农应用于通信工程形成信息论后，被广泛应用于工程技术、医疗卫生等多个领域[10]。在多目标的评价分析体系中，熵越小，所提供的信息量就越大，则分析指标的权重就越高，反之亦然[11]。

本文利用熵权法来确定各指标权重，其步骤如下[12]：

（1）FTA 中设有m 个底事件，每个底事件对应n个指标，通过数据采集计算这n 个指标的值。设第i个底事件的第j 个指标值为xij，其中i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，得到的初始决策矩阵X 为

（2）对初始决策矩阵X 做标准归一化处理，得到标准化矩阵Y：

（3）计算第j 个指标的熵值ej：

（4）计算第j 个指标的权重wj：

TOPSIS 法的原理是通过确定分析对象与正理想解、负理想解的距离来进行排序，判定分析对象的优劣。在本文中，若离最优解最近的直接故障原因事件离最劣解最远，那么这个直接原因事件为最优先排除对象。上述基于熵权的TOPSIS 模型构建如下：

（1）建立初始矩阵并做归一化处理，得到标准化矩阵Y（此处标准化矩阵Y 采用上述熵权标准化矩阵）；

（2）构建加权规范矩阵R：

（3）根据各指标确定正理想解S+和负理想解S-：

（4）计算各评价对象到正理想解S+与负理想解S-的欧氏距离：

（5）计算底事件的相对贴近度Ci：

2 应用实例

2.1 建立多参数监护仪故障树

本文以多参数监护仪故障为例，建立故障树（如图1 所示），并找出引起顶事件发生的故障原因。

图1 多参数监护仪故障树

根据故障树建立步骤，由上而下，逐层分析A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7事件的发生原因，分别建立中央监护工作站故障故障树（如图2 所示）、显示故障故障树（如图3 所示）、血压模块故障故障树（如图4 所示）、血氧模块故障故障树（如图5 所示）、心电模块故障故障树（如图6 所示）、开机故障树（如图7 所示）以及其他故障故障树（如图8 所示）。

图2 中央监护工作站故障故障树

图3 显示故障故障树

图4 血压模块故障故障树

2.2 多参数监护仪故障树的定性和定量分析

2.2.1 定性分析

以顶事件为起点，自上而下逐级分解，求解最小割集。由于多参数监护仪故障树的逻辑门都为或门，所以顶事件的布尔运算表达式为

2.2.2 定量分析

图5 血氧模块故障故障树

图6 心电模块故障故障树

图7 开机故障故障树

图8 其他故障故障树

顶事件的发生概率Fs计算如下：Fs=1-（1-FX1）（1-FX2）…（1-FX36）（1-FX37）=0.643 0。

以图2 中央监护工作站故障树为例，计算出各底事件的结构重要度、概率重要度和关键重要度，详见表2。

表2 定量分析结果

2.3 基于熵权的TOPSIS 模型的多参数监护仪FTA分析

根据基于熵权的TOPSIS 模型分析步骤，通过MATLAB 依次计算得到相对贴近度Ci，详见表3。根据Ci值的大小，对各底事件排序，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。排序靠前的底事件为优先排除故障，当Ci值相等时，优先考虑故障范围大的事件。如X6高压板故障和X16血氧探头故障的计算结果相等，但由于高压板影响的是监护仪的屏幕显示，如果监护仪已发生显示故障，那将会影响到其他故障的排查。故在显示故障与其他故障同时发生时，要优先排除显示故障。

由表3 可知，排序靠前的故障主要是高压板故障、血氧探头故障、灯管老化、袖带故障、导联线故障和路由器故障。其中高压板故障和灯管老化属于显示故障，在日常维护中，对显示器的维护常以事后维修为主。血氧探头、袖带和导联线是多参数监护仪的附件，属于易损件，是消耗性耗材，其损坏多见于自然老化和人为损坏。

表3 各底事件相对贴近度Ci

3 讨论

本文以结构重要度、概率重要度和关键重要度为分析指标，各底事件为分析对象，通过基于熵权的TOPSIS 模型的综合分析，得出各底事件的相对贴近度Ci，并进行排序。通过排序，得出了在FTA 结构中占有重要位置的底事件，再结合多参数监护仪的主要故障占比率，可以根据实际情况，在故障高发方面有针对性地加强日常预防性维护保养，延长设备寿命周期，具体维护建议如下：

（1）日常保养：主要是对多参数监护仪外观及附件进行除尘、清洁和消毒，此项工作由医学工程科来监督临床科室的完成情况[13-14]。

（2）一级维护保养：重点对多参数监护仪内部做除尘处理，检查监护仪参数设置，如时间设置、患者信息设置、心电设置、血压设置、血氧设置等。对有工作站的监护仪，还要检查工作站的设置是否正确，详细流程如图9 所示。

结合相对贴近度Ci的排序结果，在整个监护仪故障系统中，其他故障都是建立在电源和显示故障基础上的，只有排除了这部分故障，才有利于其他故障的排除。一级维护保养主要包括以下几个方面：

①显示器[15-16]：由于多参数监护仪的使用时间较长，其内部部分元件达到使用寿命，故以预防性维护保养和事后维修为主，其预防性维护保养主要包括：调整显示器参数，降低屏幕亮度。同时尽量避免超负荷工作，不使用时，关闭显示器电源；并避免不必要的撞击和触碰。定期进行清洁、内部除尘处理；外部清洁禁用含有氨、酒精及无机盐类成分的清洁液，清水即可；若不能达到清洁效果，可使用液晶专用清洁剂。

图9 多参数监护仪一级维护保养流程

②易损耗材：对心电导联线、血压袖带及血氧探头老化严重的耗材，要督促临床科室及时更换。

③易损部件：风扇为易损部件，对噪声大、不能正常工作的风扇及时更换，以免将监护仪故障范围扩大化。对故障高发科室，采取每半年一次预防性维护保养方案，其他科室根据使用频率，制订不同的周期性预防性维护保养计划，结合质控检测，发现问题及时处理、及时维修。

④路由器：多参数监护仪通过路由器与工作站传输数据，由于路由器处于持续工作状态，加上放置场地没有定期清洁，灰尘较多，容易造成各接口的氧化。因此，需要定期对路由器和网线放置场地进行除尘处理，网线端口用精密电子仪器清洁剂进行处理，效果较佳。

（3）二级维护保养：结合维修手册，在一级维护保养的基础上，主要对多参数监护仪进行功能检查、质量控制检测及校准（周期检测1 a 一次）。如有必要，请厂方工程师进行协助，使多参数监护仪的性能指标符合出厂要求[17]。对于故障率高、使用频率高的多参数监护仪，尤其是在ICU、CCU 及手术室使用的多参数监护仪，一级和二级维护保养不局限于1 a一次。同时，还应做到维修后就检测，并记录检测数据。

此外，还需针对新机安装、工程师技能及计量3个方面进行培训。通过这些培训，可以降低因操作不当、人为等因素带来的故障，同时可以提高使用者对计量及其重要性的认知。

4 结语

多参数监护仪是医院数量多、使用面广的医疗设备，结合监护仪使用的实际情况，制订符合实际工作的维护保养流程，才能使医疗设备始终处于最佳状态。本文以多参数监护仪为研究对象，应用FTA 建立多参数监护仪故障树，并对其进行定性、定量分析；引入基于熵权的TOPSIS 模型，使故障分析结果更加科学、贴合实际工作情况。同时，根据分析结果，提出了具有针对性的、符合实际工作情况的维护建议，在工程技术人员紧缺的情况下，对降低多参数监护仪故障率、把握多参数监护仪的故障规律具有积极作用，同时为多参数监护仪的预防性维护保养及操作指南提供了参考依据。