【作 者】李楠，魯文濤，張尉強(qiáng)，鄒金林

1 東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，沈陽(yáng)市，110167

2 上海市醫(yī)療器械檢驗(yàn)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(guó)產(chǎn)大型高端醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的功能設(shè)計(jì)已達(dá)到或超過(guò)同類進(jìn)口產(chǎn)品，但可靠性和使用中的有效性表現(xiàn)還有待證明。2019年5月，國(guó)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(cè)技術(shù)指導(dǎo)原則》（以下簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)原則》），要求醫(yī)療器械注冊(cè)申請(qǐng)人需申明產(chǎn)品的使用期限，并在方法論層面提出了評(píng)價(jià)產(chǎn)品使用期限的建議，但對(duì)正電子發(fā)射及X射線計(jì)算機(jī)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(xué)影像設(shè)備的使用期限的具體驗(yàn)證方法仍然處于探索階段，有必要專門(mén)進(jìn)行研究。由于系統(tǒng)復(fù)雜、批量小、單個(gè)產(chǎn)品價(jià)值昂貴、設(shè)備龐大等特點(diǎn)，以PET/CT整機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象，用試驗(yàn)的方式開(kāi)展壽命指標(biāo)的評(píng)價(jià)不易實(shí)現(xiàn)。所以，本研究對(duì)PET/CT的使用期限的研究基于《指導(dǎo)原則》中的評(píng)價(jià)路徑2，通過(guò)將產(chǎn)品（系統(tǒng)）分解為不同子系統(tǒng)/部件的方式進(jìn)行。

1 使用期限的概念與評(píng)估方法

從《指導(dǎo)原則》中預(yù)期使用期限的概念來(lái)看，預(yù)期使用期限是指產(chǎn)品安全有效使用的預(yù)期期限，在該期限內(nèi)產(chǎn)品能夠維持其適用范圍。可見(jiàn)預(yù)期使用期限是設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品未來(lái)表現(xiàn)的預(yù)期，從評(píng)價(jià)的角度來(lái)看，“期限”是一個(gè)時(shí)間（或壽命）概念，需要對(duì)應(yīng)一個(gè)具體設(shè)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(píng)估的一類。將“預(yù)期使用期限”，簡(jiǎn)稱為“使用期限 ”。

本研究著重于從可靠性的角度對(duì)預(yù)期使用期限評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，不研究有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的問(wèn)題。所描述的評(píng)價(jià)方法以《指導(dǎo)原則》中評(píng)價(jià)路徑2為基本技術(shù)方向，具體為：①定義PET/CT整機(jī)的使用期限要求；②系統(tǒng)分解和指標(biāo)分解；③子系統(tǒng)/部件的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)；④綜合分析經(jīng)評(píng)價(jià)所得的PET/CT使用期限是否滿足廠家定義PET/CT整機(jī)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(chǎn)品，使用期限關(guān)心的是在此時(shí)間內(nèi)整機(jī)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(jù)用戶調(diào)查、同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，定義東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司生產(chǎn)的某型號(hào)PET/CT的使用期限為10年。其可靠壽命的內(nèi)涵為t0.75>10年，即整機(jī)系統(tǒng)在10年內(nèi)發(fā)生不可維修和出現(xiàn)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(biāo)分解

3.1 系統(tǒng)分解

PET/CT是一個(gè)比較復(fù)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(jī)包含探測(cè)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(jiàn)表1。

為了評(píng)價(jià)PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的使用期限，我們重點(diǎn)關(guān)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(huì)引起整機(jī)出現(xiàn)安全有效性風(fēng)險(xiǎn)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(jī)系統(tǒng)的使用期限的關(guān)鍵子系統(tǒng)/部件。從表1中可以看出，我們主要需對(duì)CT、PET主機(jī)架、掃描床、電路板、探測(cè)器等幾類子系統(tǒng)/部件展開(kāi)評(píng)價(jià)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(biāo)要求

各子系統(tǒng)/部件與PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的故障邏輯關(guān)系為串聯(lián)模型，按重要度分配方法，將PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的可靠壽命要求分配給各關(guān)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(jī)架>CT子系統(tǒng)>電路板>探測(cè)器>掃描床，所以按重要度對(duì)可靠度進(jìn)行了差異化的分配，具體要求見(jiàn)表2。

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

4 子系統(tǒng)/部件的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

4.1 CT的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

CT子系統(tǒng)主要由X射線管、限束器、高壓、探測(cè)器組成。由于CT已經(jīng)有較好的歷史使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估法對(duì)其可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

該型號(hào)PET/CT中使用的CT部分為成熟子系統(tǒng)，上市時(shí)間已超過(guò)20年。基于潛在失效模式與效應(yīng)分析（potential failure mode and effects analysis,FMEA）分析結(jié)果，PET/CT中使用的CT近年來(lái)未進(jìn)行可能降低其可靠性的修改。對(duì)1998年至2010年生產(chǎn)的2 000臺(tái)64層CT現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場(chǎng)使用超過(guò)10年，未發(fā)生不可修復(fù)故障，因此判斷可以滿足t0.98>10年。

4.2 PET主機(jī)架的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

PET主機(jī)架的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為靜態(tài)應(yīng)力承受結(jié)構(gòu)。為了確定在10年內(nèi)是否存在退化特征，需要結(jié)合有限元分析進(jìn)行判斷。

圖2 PET主機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 PET gantry structure diagram

PET機(jī)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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)對(duì)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(duì)該部件進(jìn)行了有限元分析，PET主機(jī)主支撐應(yīng)力分析可知鋁板的屈服強(qiáng)度為7.5 MPa小于鋁極限屈服強(qiáng)度255 MPa，PET主機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)的形變是在彈性形變范圍內(nèi)。理論上分析10年內(nèi)不應(yīng)存在疲勞的問(wèn)題，即不存在退化的問(wèn)題。由于PET主機(jī)主支撐結(jié)構(gòu)為新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，無(wú)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐；且其形變是彈性形變，暫無(wú)合適的加速試驗(yàn)方法可以較好地評(píng)價(jià)其10年內(nèi)的壽命特征，因此本研究暫不對(duì)其可靠性指標(biāo)進(jìn)行工程評(píng)價(jià)，留待將來(lái)有現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)后再進(jìn)行評(píng)估。

4.3 掃描床的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

掃描床主要由驅(qū)動(dòng)部件、傳動(dòng)部件、支撐結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，其中的非金屬支撐件、運(yùn)動(dòng)部件、接插部件等在10年內(nèi)存在退化風(fēng)險(xiǎn)，且任意部件的故障足以引起PET/CT整機(jī)的使用出現(xiàn)安全性風(fēng)險(xiǎn)。

掃描床的可靠性指標(biāo)將按加速試驗(yàn)的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。掃描床中可能存在退化風(fēng)險(xiǎn)的部件主要因?yàn)楣ぷ黝l次而產(chǎn)生磨損、疲勞等退化現(xiàn)象。雖然另一方面也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間暴露于使用場(chǎng)合條件而存在劣化等可能，但據(jù)前期產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析看來(lái)，10年內(nèi)出現(xiàn)這類失效機(jī)理的退化風(fēng)險(xiǎn)極低，在本研究中暫不考慮。因此試驗(yàn)主要采用工作加速試驗(yàn)，即模擬實(shí)際使用方式，采用事件壓縮的方法開(kāi)展加速試驗(yàn)。

4.3.1 故障判據(jù)

如出現(xiàn)不滿足以下描述的情況，即視為故障：所有線纜均無(wú)松動(dòng)；無(wú)電子電器件松動(dòng)、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(fù)的誤差范圍－0.1 mm至 +0.1 mm；掃描床水平步進(jìn)精度測(cè)量，滿足步進(jìn)誤差≤±0.25 mm。

導(dǎo)致掃描床功能性能故障的耗損型關(guān)聯(lián)故障。掃描床功能性能要求為：水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)功能且其運(yùn)動(dòng)誤差范圍為－0.1 mm至+0.1 mm；水平步進(jìn)精度測(cè)量功能且滿足步進(jìn)誤差≤±0.25 mm；升降運(yùn)動(dòng)功能。

4.3.2 工作加速試驗(yàn)評(píng)價(jià)

基本試驗(yàn)方案：掃描床的可靠性指標(biāo)為t0.84>10年。為了驗(yàn)證是否能滿足10年的工作強(qiáng)度要求，以二項(xiàng)分布分式N=來(lái)計(jì)算所需的樣本量，以故障數(shù)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(tái)。即，應(yīng)該使用5臺(tái)掃描床，進(jìn)行10年工作量的試驗(yàn)，如果0失效，則有0.6的置信度認(rèn)為掃描床的可靠度滿足0.84的要求。

加速試驗(yàn)方案：采用事件壓縮試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行加速。每天檢測(cè)患者數(shù)為20例。一年中考慮節(jié)假日及設(shè)備維護(hù)時(shí)間，設(shè)備使用時(shí)間約240 d。10年內(nèi)共運(yùn)行次數(shù)：20×240×10=48 000次。試驗(yàn)采用24 h連續(xù)測(cè)試，一次掃描的床運(yùn)動(dòng)總時(shí)間是194 s。床運(yùn)動(dòng)總時(shí)間：194×48 000/（3 600×24）≈108 d。

4.3.3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

5臺(tái)掃描床分別進(jìn)行48 000次動(dòng)作（約耗時(shí)108 d），無(wú)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(biāo)可以滿足t0.84>10年的要求。

4.4 電路板的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

由于電路板設(shè)計(jì)更新較快，沒(méi)有較好的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，且電路板有較好的加速理論基礎(chǔ)，因此針對(duì)電路板的評(píng)價(jià)采用加速試驗(yàn)的方式進(jìn)行。本試驗(yàn)以設(shè)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(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

基本試驗(yàn)方案：電路板的可靠性指標(biāo)為t0.97>10年。為了驗(yàn)證是否能滿足10年的工作強(qiáng)度要求，以二項(xiàng)分布分式N=來(lái)計(jì)算所需的樣本量，以故障數(shù)為0，置信度為0.9，可靠度為0.97，則樣本量為76。即，應(yīng)該使用76套前端電子電路板組件，進(jìn)行10年工作量的試驗(yàn)，如果0失效，則有0.9的置信度認(rèn)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(yàn)方案：采用GB/T 34986—2017中B類和C類試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行加速，即先核算10年前端電子電路板組件的實(shí)際工作時(shí)間，再在此基礎(chǔ)上施加額外應(yīng)力。

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

另外，參考MIL-HDBK-338B Electronic Reliability Design Handbook一書(shū)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(yàn)經(jīng)驗(yàn)，使用高溫作為主要的加速應(yīng)力，電路板的壽命與溫度的關(guān)系遵循阿侖尼茲方程：

其中：L為產(chǎn)品壽命

A為一個(gè)常數(shù)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)確定；

e為自然對(duì)數(shù)的底；

E為激活能，每種失效機(jī)理，激活能都不同；

k為Bolzman常數(shù)，8.62×10-5eV/K；

T為溫度（Kelvin）。

在選用高溫作為加速應(yīng)力時(shí)，加速因子的計(jì)算公式如下：

因此，在給定加速試驗(yàn)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(jù)東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司對(duì)各類電路板的高溫加速老化試驗(yàn)中所得的數(shù)據(jù)：在70 ℃以內(nèi)不會(huì)明顯改變失效機(jī)理，且不同溫度應(yīng)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(chǎn)品中常見(jiàn)的失效機(jī)理及其建議的激活能范圍，這些失效機(jī)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(yàn)中發(fā)生，在本試驗(yàn)方案中，將激活能E值定義為中等偏下的相對(duì)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(yàn)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(jì)算得加速因子AF=exp{0.6×[1/(273+22)-1/(273+60)]/0.000 086 2)}=14.77 。

試驗(yàn)時(shí)間：為了驗(yàn)證10年的使用期限，高溫60 ℃的加速老化試驗(yàn)時(shí)間為：L=57 600/14.77=3 900 h。

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

76套前端電子電路板組件分別在60 ℃的高溫條件下開(kāi)展工作狀態(tài)加速老化試驗(yàn)3 900 h，無(wú)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(biāo)可以滿足t0.97>10年的要求。

4.5 探測(cè)器的可靠性指標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)影響探測(cè)器壽命的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，由于γ射線輻照是導(dǎo)致探測(cè)器的晶體、反射物質(zhì)、膠層發(fā)生退化的主要應(yīng)力。

4.5.1 工作加速實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

基本試驗(yàn)方案：探測(cè)器的可靠性指標(biāo)為t0.95>10年。為了驗(yàn)證是否能滿足10年的工作強(qiáng)度要求，以二項(xiàng)分布分式N=來(lái)計(jì)算所需的樣本量，以故障數(shù)為0，置信度為0.6（考慮到探測(cè)器的樣本量限制，故取此值），可靠度為0.95，則樣本量為18個(gè)。即，應(yīng)該使用18個(gè)探測(cè)器件，進(jìn)行10年工作量的試驗(yàn)，如果0失效，則有0.6的置信度認(rèn)為探測(cè)器的可靠度滿足0.95的要求。

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

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(cè)器表面，以探測(cè)器所接收到的累計(jì)粒子數(shù)量計(jì)算，需要的試驗(yàn)時(shí)間為t=44.4 d。

4.5.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

18只探測(cè)器經(jīng)歷輻照50 d，無(wú)故障發(fā)生。

在0.6的置信度下，探測(cè)器的可靠性指標(biāo)可以滿足t0.95>10年的要求。

5 結(jié)論

以上各影響PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的預(yù)期使用期限的關(guān)鍵子系統(tǒng)/部件的評(píng)價(jià)結(jié)論都符合整機(jī)系統(tǒng)分配給相應(yīng)子系統(tǒng)/部件的可靠性指標(biāo)要求，因此，PET/CT整機(jī)系統(tǒng)預(yù)期使用期限可以滿足10年的要求。

本研究采用《指導(dǎo)原則》中評(píng)價(jià)路徑2進(jìn)行評(píng)價(jià)，將PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的預(yù)期使用期限分解為子系統(tǒng)/部件的量化可靠性指標(biāo)要求，根據(jù)各子系統(tǒng)/部件的特點(diǎn)，使用了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、加速試驗(yàn)法等方法評(píng)價(jià)了各子系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，再綜合評(píng)價(jià)PET/CT整機(jī)系統(tǒng)的預(yù)期使用期限是否滿足預(yù)先提出的要求。探索的復(fù)雜大型醫(yī)療器械使用期限的具體評(píng)價(jià)方法在滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)和物理學(xué)的基礎(chǔ)上，給出了具體的實(shí)施實(shí)例，對(duì)行業(yè)相關(guān)技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。