【作 者】李楠，鲁文涛，张尉强，邹金林

1 东软医疗系统股份有限公司，沈阳市，110167

2 上海市医疗器械检验研究院，上海市，201318

3 广州然因普电子科技有限公司，广州市，510610

0 引言

国产大型高端医学影像设备的功能设计已达到或超过同类进口产品，但可靠性和使用中的有效性表现还有待证明。2019年5月，国家药品监督管理局提出了《有源医疗器械使用期限注册技术指导原则》（以下简称《指导原则》），要求医疗器械注册申请人需申明产品的使用期限，并在方法论层面提出了评价产品使用期限的建议，但对正电子发射及X射线计算机断层成像系统（positron emission and X-ray computed tomography system,PET/CT）这种大型有源医学影像设备的使用期限的具体验证方法仍然处于探索阶段，有必要专门进行研究。由于系统复杂、批量小、单个产品价值昂贵、设备庞大等特点，以PET/CT整机系统为对象，用试验的方式开展寿命指标的评价不易实现。所以，本研究对PET/CT的使用期限的研究基于《指导原则》中的评价路径2，通过将产品（系统）分解为不同子系统/部件的方式进行。

1 使用期限的概念与评估方法

从《指导原则》中预期使用期限的概念来看，预期使用期限是指产品安全有效使用的预期期限，在该期限内产品能够维持其适用范围。可见预期使用期限是设计阶段对产品未来表现的预期，从评价的角度来看，“期限”是一个时间（或寿命）概念，需要对应一个具体设备安全有效要求的能力概率限定，显然，这是典型的可靠性工程中的可靠寿命评估的一类。将“预期使用期限”，简称为“使用期限 ”。

本研究着重于从可靠性的角度对预期使用期限评价方法进行研究，不研究有关风险评估的问题。所描述的评价方法以《指导原则》中评价路径2为基本技术方向，具体为：①定义PET/CT整机的使用期限要求；②系统分解和指标分解；③子系统/部件的可靠性指标评价；④综合分析经评价所得的PET/CT使用期限是否满足厂家定义PET/CT整机的使用期限的要求。

2 PET/CT的使用期限要求

由于PET/CT为可维修产品，使用期限关心的是在此时间内整机系统的不可维修故障和影响安全有效性的故障的概率。

根据用户调查、同类产品的经验数据，定义东软医疗系统股份有限公司生产的某型号PET/CT的使用期限为10年。其可靠寿命的内涵为t0.75>10年，即整机系统在10年内发生不可维修和出现影响安全有效性的故障的总概率低于25%。

3 PET/CT系统分解和指标分解

3.1 系统分解

PET/CT是一个比较复杂的系统，主要由图1所示子系统/部件组成。

图1 PET/CT的组成（PET主机包含探测器和前端电子系统）Fig.1 Composition of PET/ CT (PET Gantry includes detector and front end electronic system)

3.2 子系统/部件的可靠性特征

各子系统/部件的可靠性特征具体见表1。

为了评价PET/CT整机系统的使用期限，我们重点关注两类子系统/部件，一是不可维修子系统/部件，二是其故障会引起整机出现安全有效性风险的子系统/部件，具备这两种特征中的任意一种，即可以定义为影响PET/CT整机系统的使用期限的关键子系统/部件。从表1中可以看出，我们主要需对CT、PET主机架、扫描床、电路板、探测器等几类子系统/部件展开评价即可。

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

3.3 子系统/部件的可靠性指标要求

各子系统/部件与PET/CT整机系统的故障逻辑关系为串联模型，按重要度分配方法，将PET/CT整机系统的可靠寿命要求分配给各关键子系统/部件，考虑到不同部件发生故障的后果不同，各部件的重要度排序：PET主机架>CT子系统>电路板>探测器>扫描床，所以按重要度对可靠度进行了差异化的分配，具体要求见表2。

表2 各关键子系统/部件的可靠性指标要求Tab.2 Reliability index requirements of key subsystems/ components

4 子系统/部件的可靠性指标评价

4.1 CT的可靠性指标评价

CT子系统主要由X射线管、限束器、高压、探测器组成。由于CT已经有较好的历史使用经验数据，因此使用经验数据评估法对其可靠性指标进行评价。

该型号PET/CT中使用的CT部分为成熟子系统，上市时间已超过20年。基于潜在失效模式与效应分析（potential failure mode and effects analysis,FMEA）分析结果，PET/CT中使用的CT近年来未进行可能降低其可靠性的修改。对1998年至2010年生产的2 000台64层CT现场使用数据分析，现场使用超过10年，未发生不可修复故障，因此判断可以满足t0.98>10年。

4.2 PET主机架的可靠性指标评价

PET主机架的结构如图2所示，为静态应力承受结构。为了确定在10年内是否存在退化特征，需要结合有限元分析进行判断。

图2 PET主机架结构示意图Fig.2 PET gantry structure diagram

PET机架的立板材料为铝合金，底部支撑座为主要承力部件，采用碳钢焊接结构。系统对该部件的刚度有较高要求，总体最大变形量不大于0.5 mm。对该部件进行了有限元分析，PET主机主支撑应力分析可知铝板的屈服强度为7.5 MPa小于铝极限屈服强度255 MPa，PET主机主支撑结构的形变是在弹性形变范围内。理论上分析10年内不应存在疲劳的问题，即不存在退化的问题。由于PET主机主支撑结构为新设计结构，无经验数据支撑；且其形变是弹性形变，暂无合适的加速试验方法可以较好地评价其10年内的寿命特征，因此本研究暂不对其可靠性指标进行工程评价，留待将来有现场使用数据后再进行评估。

4.3 扫描床的可靠性指标评价

扫描床主要由驱动部件、传动部件、支撑结构、控制系统等组成，其中的非金属支撑件、运动部件、接插部件等在10年内存在退化风险，且任意部件的故障足以引起PET/CT整机的使用出现安全性风险。

扫描床的可靠性指标将按加速试验的方式进行评价。扫描床中可能存在退化风险的部件主要因为工作频次而产生磨损、疲劳等退化现象。虽然另一方面也会因为长时间暴露于使用场合条件而存在劣化等可能，但据前期产品的经验数据分析看来，10年内出现这类失效机理的退化风险极低，在本研究中暂不考虑。因此试验主要采用工作加速试验，即模拟实际使用方式，采用事件压缩的方法开展加速试验。

4.3.1 故障判据

如出现不满足以下描述的情况，即视为故障：所有线缆均无松动；无电子电器件松动、脱落等情况，电路板完好、电路板固定螺丝把接牢固；水平往复的误差范围－0.1 mm至 +0.1 mm；扫描床水平步进精度测量，满足步进误差≤±0.25 mm。

导致扫描床功能性能故障的耗损型关联故障。扫描床功能性能要求为：水平往复运动功能且其运动误差范围为－0.1 mm至+0.1 mm；水平步进精度测量功能且满足步进误差≤±0.25 mm；升降运动功能。

4.3.2 工作加速试验评价

基本试验方案：扫描床的可靠性指标为t0.84>10年。为了验证是否能满足10年的工作强度要求，以二项分布分式N=来计算所需的样本量，以故障数为0，置信度为0.6（考虑到扫描床样本限制，故取此值），可靠度为0.84，则样本量为5台。即，应该使用5台扫描床，进行10年工作量的试验，如果0失效，则有0.6的置信度认为扫描床的可靠度满足0.84的要求。

加速试验方案：采用事件压缩试验来进行加速。每天检测患者数为20例。一年中考虑节假日及设备维护时间，设备使用时间约240 d。10年内共运行次数：20×240×10=48 000次。试验采用24 h连续测试，一次扫描的床运动总时间是194 s。床运动总时间：194×48 000/（3 600×24）≈108 d。

4.3.3 试验结果及结论

5台扫描床分别进行48 000次动作（约耗时108 d），无故障发生。

在0.6的置信度下，扫描床的工作状态可靠性指标可以满足t0.84>10年的要求。

4.4 电路板的可靠性指标评价

由于电路板设计更新较快，没有较好的经验数据支撑，且电路板有较好的加速理论基础，因此针对电路板的评价采用加速试验的方式进行。本试验以设备中典型的前端电子电路板组件为代表。

4.4.1 工作加速实验评价

基本试验方案：电路板的可靠性指标为t0.97>10年。为了验证是否能满足10年的工作强度要求，以二项分布分式N=来计算所需的样本量，以故障数为0，置信度为0.9，可靠度为0.97，则样本量为76。即，应该使用76套前端电子电路板组件，进行10年工作量的试验，如果0失效，则有0.9的置信度认为前端电子电路板组件的可靠度满足0.97的要求。

加速试验方案：采用GB/T 34986—2017中B类和C类试验相结合的方式进行加速，即先核算10年前端电子电路板组件的实际工作时间，再在此基础上施加额外应力。

10年前端电子电路板组件的实际工作时间概算为t=240×24×10=57 600 h。

另外，参考MIL-HDBK-338B Electronic Reliability Design Handbook一书中的表8.7.1描述，以及东软医疗系统股份有限公司的试验经验，使用高温作为主要的加速应力，电路板的寿命与温度的关系遵循阿仑尼兹方程：

其中：L为产品寿命

A为一个常数，通过对产品的试验确定；

e为自然对数的底；

E为激活能，每种失效机理，激活能都不同；

k为Bolzman常数，8.62×10-5eV/K；

T为温度（Kelvin）。

在选用高温作为加速应力时，加速因子的计算公式如下：

因此，在给定加速试验的高温值和已知常规温度值的情况下，为了求得加速因子，就须确定激活能E值。根据东软医疗系统股份有限公司对各类电路板的高温加速老化试验中所得的数据：在70 ℃以内不会明显改变失效机理，且不同温度应力的加速符合阿仑尼兹方程；MIL-HDBK-338B的表8.7.1中给出了电子电路产品中常见的失效机理及其建议的激活能范围，这些失效机理大部分都可能在前端电子电路板组件的高温加速老化试验中发生，在本试验方案中，将激活能E值定义为中等偏下的相对保守的0.6。

高温值：查阅前端电子电路板组件所用元器件及材料的最高温度的规范值，均在70 ℃以上，故在本试验中，保留一定余量，高温值选择为60 ℃。由于常规温度条件为22 ℃，按式（2）计算得加速因子AF=exp{0.6×[1/(273+22)-1/(273+60)]/0.000 086 2)}=14.77 。

试验时间：为了验证10年的使用期限，高温60 ℃的加速老化试验时间为：L=57 600/14.77=3 900 h。

4.4.2 试验结果及结论

76套前端电子电路板组件分别在60 ℃的高温条件下开展工作状态加速老化试验3 900 h，无故障发生。

在0.9的置信度下，前端电子电路板组件可靠性指标可以满足t0.97>10年的要求。

4.5 探测器的可靠性指标评价

根据工程经验，对影响探测器寿命的关键因素进行分析，由于γ射线辐照是导致探测器的晶体、反射物质、胶层发生退化的主要应力。

4.5.1 工作加速实验评价

基本试验方案：探测器的可靠性指标为t0.95>10年。为了验证是否能满足10年的工作强度要求，以二项分布分式N=来计算所需的样本量，以故障数为0，置信度为0.6（考虑到探测器的样本量限制，故取此值），可靠度为0.95，则样本量为18个。即，应该使用18个探测器件，进行10年工作量的试验，如果0失效，则有0.6的置信度认为探测器的可靠度满足0.95的要求。

辐照加速试验：准备探测器模块并测试记录性能。将探测器block置入棒源井辐照环境，将放射棒源贴紧于探测器晶体表面，封存棒源井辐照环境，防止射线外漏；测试时间结合临床实际情况，进行推导，考虑到实际条件下的操作误差及放射源的衰减，总射线量应按照理论计算1.2倍执行。10年时间探测器将接受到的γ射线辐照射线量=10年寿命周期内累计接受射线数约为6.9×1013，则试验需要接收的总射线量=6.9×1013×1.2 ≈ 8×1013（射线数）。

基于蒙特卡罗方法Geant4的仿真模型，给出活度为2 mCi的放射性棒源，置于探测器表面，以探测器所接收到的累计粒子数量计算，需要的试验时间为t=44.4 d。

4.5.2 试验结果及结论

18只探测器经历辐照50 d，无故障发生。

在0.6的置信度下，探测器的可靠性指标可以满足t0.95>10年的要求。

5 结论

以上各影响PET/CT整机系统的预期使用期限的关键子系统/部件的评价结论都符合整机系统分配给相应子系统/部件的可靠性指标要求，因此，PET/CT整机系统预期使用期限可以满足10年的要求。

本研究采用《指导原则》中评价路径2进行评价，将PET/CT整机系统的预期使用期限分解为子系统/部件的量化可靠性指标要求，根据各子系统/部件的特点，使用了经验数据法、加速试验法等方法评价了各子系统的可靠性指标，再综合评价PET/CT整机系统的预期使用期限是否满足预先提出的要求。探索的复杂大型医疗器械使用期限的具体评价方法在满足统计学和物理学的基础上，给出了具体的实施实例，对行业相关技术研究具有一定的参考价值。