Анализ и прогнозирование надежности биомедицинских датчиков давления, температуры и кислотности в составе гастроэнтерологического зонда

Медицинский многоканальный зонд. Объективные методы исследований физиологических параметров человека, впервые отчетливо провозглашенные И. П. Павловым, находят все более широкое распространение. В частности, гастроэнтерологам in vivo при диагностике заболеваний желудочно-кишечного тракта человека требуется информация об одновременном функциональном состоянии различных отделов тракта, особенно cardia, corpus, pylorus, duodenum (рис. 4.31). Получение информации осуществляется с помощью медицинского многоканального зонда, выполненного на основе резиновой трубки (вариант а), трубки марки Т-35 (вариант (3) и содержащего четыре блока с датчиками для измерения кислотности (pH), давления и температуры [36]. В качестве вспомогательного электрода при гастроэнтерологических исследованиях используется хлорсеребряный электрод, имеющий контакт с биосредой через буферный насыщенный раствор хлористого калия. Трубка зонда была выбрана диаметром 0,6 см, толщина стенок 0,05 см. Полости, в которых были смонтированы блоки датчиков, выполнены из стали и имели цилиндрическую форму. В цилиндрах имелись отверстия диаметром 0,08 см для присоединения катетеров. 12-канальный зонд выгодно отличается от многоканального зонда для многоканальной pH-метрии, поскольку позволяет наряду с параметром pH измерять и такие физиологические параметры, как давление и температура.

Рис. 4.31. Размещение медицинского многоканального зонда при исследовании функционального состояния верхнего отдела желудочно-кишечного тракта с датчиками в подотделах:

• 1 — cardia (центральная околосердечная часть); 2 — corpus (главная часть желудка);
• 3 — pylorus (близкая к выходу, выходная суженная часть); 4 — duodenum (начало двенадцатиперстной кишки); в отделах 1 и 3 имеются сфинкторы — кольца для сжатия входного и выходного отверстий желудка

При испытании восьми зондов в составе двух комплектов аппаратуры «Сеанс-2» использовались зонды вариантов, а и (3 (условные обозначения разных экземпляров приборов-зондов, варианты были сгруппированы, собственно, только по признакам причин отказов). Наблюдался следующий характер отказов зондов (вариант а):

• а) потеря работоспособности за счет прокусов резины трубки;
• б) наличие фона (50 Гц) при плохом контакте вспомогательного электрода со средой в датчиках pH;
• в) перемежающийся отказ датчиков pH, возникающий за счет резкого снижения сопротивления изоляции металлического корпуса;
• г) временная нестабильность параметров датчиков pH (более 50%, т. е. 16 шт. имеют уход параметров после 2 ч работы от 0,4 ед. pH до 2 ед. pH и более);
• д) потеря работоспособности pH датчиков за счет обрыва или короткого замыкания цепей электрического питания в процессе работы или при поступлении в клинику;
• е) абсолютная погрешность начального разбаланса датчиков давления (ДД) при механических изгибах зонда составляет около 10—15 мм рт. ст.;
• ж) большой температурный дрейф ДД (более 10% датчиков имели дрейф 25—50 мм рт. ст./°С и более);
• з) большое время (900—1200 с) восстановления начального разбаланса

ДД;

• и) низкая чувствительность ДД (1 — 1,5 мВ/мм рт. ст.);
• к) большой начальный разбаланс выходного напряжения;
• л) нестыковка с комплексом;
• м) временная нестабильность датчиков температуры (за 2ч — 0,2— 0,5°С) при отключении питания и термоциклировании при их тарировке.

В ходе клинического физиологического эксперимента и предварительного анализа варианта (3 были установлены следующие симптомы и причины отказов элементов зонда, сведенные в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Выявленные симптомы и причины отказов элементов зонда.

Всего анализов проводилось 83. Дерево отказов представлено на рис. 4.32 (деревья отказов подробно рассмотрены далее, см. гл. 7), из этого графа типа дерево ясно, что датчики давления и кислотности имеют больше причин для отказов, виден состав зонда, расширены возможности для учета и наглядной классификации отказов.

Рис. 432. Дерево отказов элементов медицинского многоканального зонда:

• 1 — вспомогательный электрод; 2, 3 — стыки блока, втулки;
• 4, 5 — датчики кислотности и давления; 6 — датчик температуры (расшифровку причин отказов см. в табл. 4.7)

Рассматривая данные табл. 4.7 и рис. 4.32, можно отметить, что процент отказов вспомогательного электрода и датчика температуры незначителен, а преобладают отказы элементов 2—5. Близость значений процента отказа датчиков давления и кислотности приводит к мысли об общей причине появления отказов. В качестве общей причины отказов можно предположить нарушение герметичности элементов 2, 3 медицинского зонда.

Логико-динамический анализ. Логико-динамический анализ был проведен с учетом следующих видов отказов:_.

• • разгерметизация блока датчиков (Не), обнаруживаемая пузырьковым методом;
• • отказ pH-датчика (II), выразившийся либо во временной нестабильности электрического сигнала, либо в отсутствии сигнала, либо в большей или меньшей его величине при pH среды, равной 1,68 ед. pH;
• • отказ /^-датчика (р), выразившийся во временной нестабильности выходного сигнала и/или замене тензоэлемента.

Каждому из трех видов отказов соответствуют три временных ряда, соответственно (t^He) — среднее время до разгерметизации зонда, (t^H) — среднее время работы зонда, определяемое отказом датчика кислотности, и {V^}) — среднее время работы зонда, определяемое по отказу датчика давления, представленные в табл. 4.8.

Таблица 4.8

Динамические ряды отказов

Примечание, х — нет значения.

Данные в табл. 4.8 приведены по результатам испытаний множества зондов, в первой графе указан номер в порядке возрастания числа дней работы датчика зонда до отказа (вариационный ряд).

Пример 4.3.

Но данным табл. 4.8 найдем средние времена наработки до отказа при достоверности 0,95 для датчиков давления и кислотности.

Решение. Обрабатывая статистическими методами данные таблицы, найдем, что средние времена наработки до отказа ((tр), {t^!l), (t^He)) составляют при достоверности 0,95 для датчиков давления и кислотности 50 и 38 дней соответственно, а нарушение герметичности происходит через 43 дня:

Примечание: время пребывания медицинского зонда в биосреде (в желудках пациентов) составляло в среднем за день около 4 ч.

Близость средних значений и дисперсий указывает, что общей причиной отказов датчиков на основе логико-динамического анализа является негерметичность блоков.

Наблюдение за симптомами отказов и проведенный предварительный анализ позволяют сформулировать следующие подзадачи исследования надежности медицинского многоканального зонда:

• • построение моделей разгерметизации блоков датчиков;
• • построение моделей надежности датчиков давления;
• • построение моделей надежности датчиков кислотности.

Решение этих подзадач позволяет оценить надежность зонда в целом и дать рекомендации, направленные на повышение надежности и качества его элементов.