Магніто-резонансна томографія

Зміст Вступ

1. Магніто-резонансна томографія

1.1 Типи магнітів

1.2 Конструкція магніту

1.3 Напруженість магнітного поля

1.4 Економічні аспекти розвитку МРТ

2. Фізичні основи МРТ (ЯМР)

3. Будова МРТ

3.1 Магнітна система

3.2 Система охолодження

3.3 Монітори

3.4 Контролер

3.5 Програматор

3.6 Котушки локальної діагностики

3.7 Попередній підсилювач

3.8 Загальна структурна схема МР-томографа

3.9 Функціонально-логічна схема МРТ

4. Основи теорії надійності

4.1 Розрахунок надійності МР-томографа

4.2 Розподіл часу поточного ремонту

4.3 Розрахунок ремонтопридатності

5. Несправності

6. Інженерний аналіз технічного стану

6.1 Матриця станів

6.2 Матриця працездатності

6.3 Програма пошуку відмов Висновок

Список використаної літератури

Вступ магнітний резонансний томограф технічний Серед відносно нових діагностичних методів у медицині найбільший інтерес сьогодні викликає магнітно-резонансна томографія.

Магнітно-резонансна томографія (МРТ) — томографічний метод дослідження внутрішніх органів і тканин з використанням фізичного явища ядерного магнітного резонансу — метод заснований на вимірюванні електромагнітного відгуку ядер атомів водню на порушення їх певною комбінацією електромагнітних хвиль у постійному магнітному полі високої напруженості.

Накопичений до теперішнього часу клінічний досвід свідчить про таких безперечних перевагах МР-томографії, як забезпечення високого дозволу і висококонтрастного зображення тканин без ін'єкції потенційно токсичних контрастних речовин, можливість візуалізації важкодоступних областей людського тіла, спостерігати які неінвазивними методами до впровадження МР-томографів взагалі не вдавалося.

В МРТ не використовуються джерела іонізуючого випромінювання, і тому вона практично безпечна для обстежуваного.

1. Магніто-резонансна томографія Хоча за своїми фізичними принципами МРТ не має нічого спільного з рентгенологічними методами досліджень, при її розвитку і впровадженні в клінічну практику був використаний досвід рентгенівської КТ. Оскільки КТ до моменту появи МРТ уже міцно зайняла своє місце серед інших методів діагностики, можливості впровадження МРТ (як із діагностичних, так і фінансових міркувань) багато в чому визначалися тим, наскільки її використання при тій або іншій патології виявлялося ефективним у порівнянні з КТ або ультразвуковими методами дослідження (УЗД).

Переваги і недоліки МРТ обумовлюють доцільність застосування цього методу при діагностиці захворювань різних органів і систем людського організму. До основних переваг МРТ відносяться неінвазивність, нешкідливість (відсутність променевого навантаження), тривимірний характер одержуваних зображень, природний контраст від крові, що рухається, відсутність артефактів від кісткових тканин, високий м’якотканиний контраст, функціональність (можливість вивчення і кількісної оцінки різних динамічних процесів — скорочувальної здатності міокарда, швидкості кровотоку, перфузії різних органів).

Основними недоліками є відносно великий час одержання зображень (як мінімум, декілька секунд, зазвичай — хвилини), шо може приводити до появи артефактів від рухів, неможливість надійного виявлення каменів, кальцифікатів, деяких видів патології кісткових структур, досить висока вартість устаткування і його експлуатації, спеціальні вимоги до приміщень, у яких знаходяться прилади (екранізування від перешкод), неможливість обстеження хворих із протипоказаннями до МРТ (клаустрофобія, штучні водії ритму, великі металеві імплантати і ряд інших).

Основні області застосування МРТ пов’язані з дослідженнями головного і спинного мозку, хребта, суглобів, молочних залоз, серця і судин, органів малого тазу, м’язів, печінки, нирок, наднирників. Розвиток і вдосконалювання техніки МРТ привело до того, що вона може з успіхом застосовуватися для досліджень легень і шлунково-кишкового тракту (ШКТ).

Якщо підсумовувати світовий досвід використання МРТ для досліджень різних органів і систем людського організму, то одержимо приблизно таку картину: дослідження головного мозку складають приблизно 33−35% від загального числа досліджень, спинного мозку і хребта — 40−42%, суглобів — 15−19%, тіла — 7−9%. Істотне зростання використання МРТ спостерігається в данин час у таких областях, як дослідження судин і серця, органів черевної порожнини і тазу, молочних залоз.

1.1 Типи магнітів В магніто-резонансннх системах використовуються надпровідні, резистивні і постійні магніти. МРТ залежно від напруженості магнітного поля розподіляються на прилади з наднизьким (менше 0,1 тесла (Тл), низьким (0,1−0,4 Тл), середнім (0,5 Тл), високим (1−2 Тл) і надвисоким (більше 2 Тл) полем. Прилади із полем до 0,3 Тл, як правило мають резистивні або постійні магніти, більше 0.3 Тл — надпровідні.

Усі типи сучасних МРТ стали значно компактнішими, легшими та економічнішими за своїх попередників. Особливо це стосується томографів із постійними магнітами, які раніше мали вагу у десятки тон, а зараз — всього 2−7 тон. Нові моделі заправляються рідким гелієм лише 1−2 рази на рік: існують моделі з заправкою на 8−10 років і навіть взагалі без дозаправки.

1.2 Конструкція магніту

Більшість магнітів МРТ-систем мають традиційну структуру, тобто горизонтальне розміщення із замкнутим внутрішнім тунелем. Однак сьогодні більш широке використання отримала відкрита конструкція магніту, що обумовлено її більшою комфортністю для пацієнтів та зручністю роботи медперсоналу при порівнянній їх вартості.

На рис. 1 показаний магніт, а на рис. 2 повна програма котушок до томографа MAGNETOM Siemens.

В 1997 р. з’явилась нова тенденція в конструюванні МРТ — розробка високопольних (1−1,5 Тл), з укороченими магнітами. які відрізняються підвищеною ергономічністю та продуктивністю.

Рис. 1. Магніт МРТ MAGNETOM Siemens.

Рис. 2. Катушки дослідження різних органів.

Рис. 3. Зовнішній вигляд МРТ MAGNETOM Spectra Siemens

1.3 Напруженість магнітного поля На сьогодні найбільший попит мають МР-томографи із середнім та низьким полем, які відрізняються від високопольних систем компактністю та економічністю. В той же час високопольні томографи мають більш високу пропускну здатність та просторову роздільність при дослідженні мілких структур.

1.4 Економічні аспекти розвитку МРТ До початку 2012 р. у всьому світі було встановлено більш 110 000 МР-томографів. МР-системи складають приблизно 13% ринку діагностичного устаткування (приблизно стільки ж, скільки системи комп’ютерної томографії — КТ). У Росії їх біля ста, однак, варто мати на увазі, що не менше 10−15% цих машин знаходиться в неробочому стані (постійно або тимчасово). Число МР-томографів на 1 млн. жителів складає: у Японії - 21,0; у США — 17.5; у Швейцарії - 11,4; у Німеччині - 7,4; у Франції — 3,1; у Росії — 0,7; в Україні - менше 2. У США за рік виконується більш 10 млн. МР-досліджень. Зростання числа МР-томографів привів до істотного зниження вартості МР-досліджень.

До найбільше відомих світових виробників МР-томографів відносяться Bruker, Escaote, Fonar, GE (General Electric), Hitachi, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba і ряд інших. У нашій країні є власне виробництво низькопольних томографів («Аз»). Приблизне співвідношення числа встановлених приладів за виробниками виглядає в такий спосіб: GE — 25%. Siemens — 22%, Hitachi — 14%, Philips — 13%, Toshiba — 9%, інші - 17%. Конкуренція між виробниками сучасного діагностичного устаткування висока, і характеристики приладів від різних фірм в однакових класах устаткування значною мірою схожі між собою. Одне з помітних явиш на ринку МР-систем — значний спад цін на МР-обладнання за останні 10 років (до 40−45%) при незрівнянно більш високих характеристиках і продуктивності сучасних приладів.

2. Фізичні основи МРТ (ЯМР) Для проведення ЯМР дослідження необхідно помістити об'єкт в потужне, статичне і однорідне в просторі(у ідеальному випадку) магнітне поле, що створює усередині тканин зображуваного об'єкту макроскопическую ядерну намагніченість.

У ЯМР томографії реєстрація сигналу походить від резонуючих ядер, що мають як спін, так і магнітний момент. Такими ядрами являються водень ¹Н, ²Н, вуглець ¹³С, азот ¹⁴N, фтор ¹⁹F, натрій ²³Na, фосфор ³¹Р. Найчастіше в МРТ використовуються протони водню ¹Н з двох причин: високій чутливості до МР сигналу і їх високому природному вмісту в біологічних тканинах.

Ядро водню (тобто окремий протон) має дві важливі властивості: електричний заряд і спін. Магнітний момент м пропорційний квантовому числу I, що зазвичай називається ядерним спіном:

Також ядро має магнітне поле, що взаємодіє із зовнішнім магнітним полемо B₀. При приміщенні протона в поле B₀ система може знаходитись тільки в двох енергетичних станах: низькоенергетичному (магнітний момент спрямований паралельно B₀) і високоенергетичному (магнітний момент антипараллелен B₀). У стані рівноваги більше кількість спінів (N₊) знаходитиметься в змозі з меншою енергією чим в змозі з більшою енергією (N_?). У ¹H ЯМР при кімнатній температурі в магнітному полі 0,25 Тл різниця спінів, спрямованих уподовж і проти магнітного поля — один протон на мільйон.

На практиці нам доводиться мати справу з ансамблем протонів. При відсутності зовнішнього поля магнітні моменти ядер орієнтовані випадковим чином (рис. 4). При приміщенні об'єкту в постійне магнітне поле ядра, що мають спіни і магнітні моменти, починають поводитися як диполі, вибудовуючись паралельно постійному магнітному полю і формуючи сумарний вектор намагніченості М.

а) б) в) Рис. 4. Розподіл ядер за відсутності(а) і наявності(б) зовнішнього магнітного поля і прецессия магнітного моменту (в)

3. Будова МРТ МРТ являє собою складну систему, що складається з великого числа вузлів різного призначення і розміщену на великій площі. Сказане відноситься в першу чергу до МРТ з резистивним магнітом, які мають складну енергетичну установку для харчування головного магніту і систему водяного охолодження. Що ж стосується вузлів управління градієнтної і РЧ системами, то вони приблизно однакові у всіх типів МР томографів.

Враховуючи, що випускаються всі три типи томографів, розглянемо, як найбільш загальну, структурну схему системи МРТ з резистивним магнітом (рис. 1). На відміну від РКТ або УЗ сканерів, де деякі системи (наприклад, електромеханічні вузли сканування або механічні датчики) працюють автономно, у МРТ всі субсистеми, що беруть участь в зборі і обробці інформації, працюють під управлінням ЕОМ (електронна обчислювальна машина). Свої управляючі функції ЕОМ здійснює через електронний блок управління — Крейт. Звідси йдуть аналогові і цифрові керуючі сигнали і команди в РЧ передавач і джерела живлення градієнтних котушок. У цих блоках генеруються сигнали великої потужності і виділяються значні теплові втрати. Тому вони оформлені в самостійні конструктивні вузли. Джерела живлення градієнтної системи, по суті, являють собою підсилювачі потужності та розміщені в шафах в одному приміщенні з джерелом живлення головного магніту. Там же знаходяться і основні вузли контролю системи охолодження.

3.1 Магнітна система Магнітна система МРТ, яку за аналогією з блоком скануючого пристрою РКТ можна було б назвати гентрі, поміщається в спеціальній кімнаті, підлога, стіни і стеля якої обтягуються тонкої металевої сіткою. Вона служить для захисту від перешкод, що проникають по ефіру від різних джерел: станцій радіоі телемовлення, електротранспорту, місцевих джерел, наприклад потужних апаратів УВЧ терапії та ін. Тим не менш, перешкоди проникають і вносять спотворення в МР-томограми. І це зрозуміло — РЧ сигнали, одержувані від тканин організму, порівняні по величині з електромагнітними коливаннями, що приходять з ефіру і складають десятки мікровольт. Перешкоди можуть проникати також з електромережі. Для їх придушення всі силові струми — джерел живлення головного магніту, градієнтної системи і передавача — пропускаються через фільтри. Цій же меті служить застосування попереднього підсилювача РЧ сигналу, розташованого в безпосередній близькості від РЧ котушки для тіла. Слабкий РЧ сигнал, посилений до кількох мілівольт з мінімальною домішкою перешкод, надходить в Крейт, де додатково підсилюється.

3.2 Система охолодження Системі охолодження відводиться важлива роль. Вона використовується для відводу тепла не тільки від котушок головного магніту, але і від навантажених силових елементів джерел живлення головного магніту і градієнтних систем. Застосовують два типи систем водяного охолодження: статичну і динамічну. У статичній системі вода закачується в резервуар, розташований на висоті 9-го — 10-го поверху, тобто створюється тиск близько 3 — 4 атм. Резервуар має ємність, достатню для роботи МРТ протягом 1 години. Динамічна система простіше, так як вода подається в систему охолодження безпосередньо з водопровідної мережі насосом. Однак стабільність напору води в ній гірше, а при аваріях у водопровідній мережі або в системі охолодження обстеження доводиться відразу переривати.

3.3 Монітори Як і в системі РКТ, у МРТ застосовують два монітори: кольоровий загального призначення і напівтоновий чорно-білий для виведення зображення. Для отримання твердої копії зображення застосовують різні принтери — лазерні, теплові та інші, які дають чорно-білі (або інших відтінків) напівтонові зображення.

Рис. 5. Структурна схема системи МРТ с резистивним магнітом.

Особливістю системи керуючих команд МРТ в порівнянні з РКТ і ультразвуковими сканерами є велика питома вага аналогових сигналів. До них відносяться, перш за все, радіочастотні посилання і аналогові напруги для керування градієнтної системою, а також деякі допоміжні сигнали. Роль цифрових сигналів в основному зводиться до управління аналоговими сигналами і формування тимчасових інтервалів. Зрозуміло, аналоговий РЧ сигнал, що приймається антеною, перетвориться в цифровий.

3.4 Контролер Контролер призначений для організації обміну даними між Крейтом і ЕОМ. Він забезпечує адресацію блоків Крейта, трансляцію даних з ЕОМ, прийом оцифрованого МР сигналу в послідовному коді по двох каналах, перетворення його в паралельний і введення в ЕОМ в режимі прямого доступу до пам’яті. З метою прискорення перетворення виду зображення в ньому можуть бути передбачені для цього апаратні засоби. Наприклад, порівняно просто і швидко на апаратному рівні виконується інверсія зображення «позитив-негатив» за допомогою елементів «Виключає АБО».

Більшість блоків крейта вимагає для свого функціонування різноманітних імпульсів різної частоти і тривалості. Їх постачає програматор імпульсів, який, у свою чергу, отримує необхідну інформацію про ці імпульси від контролера.

3.5 Програматор У програматорі рівнів за допомогою кількох ЦАП (цифро-аналогових перетворювачів), на які подаються цифрові коди, формуються аналогові напруги, призначені для рівнів градієнтів, форми огинаючого РЧ імпульсу і ряду інших аналогових сигналів. Так як аналогових сигналів потрібно багато, то програматор рівнів конструктивно може бути розміщений на двох платах.

У радіочастотному блоці знаходиться генератор радіочастотного збудливого сигналу, пристрій зсуву радіочастоти, крайовий підсилювач МР сигналу і його детектор.

Блок вибору шару тісно пов’язаний з блоком РЧ, так як в ньому формуються необхідні сигнали для організації зміщення РЧ частоти і РЧ імпульсу.

Хоча індуктивності градієнтних котушок порівняно невеликі (кілька десятків мкГн), при подачі градієнтних імпульсів з крутими фронтами в них можуть виникати небажані перехідні процеси. У блоці корекції градієнтів відбувається автоматичне перетворення прямого фронту напруги, що надходить від програматора імпульсів, у напругу з лінійним фронтом і оптимальною швидкістю наростання, при якій перехідний процес мінімальний.

Нарешті, в блоці АЦП і фільтрів формується цифровий результат перетворення МР-сигналу. Фільтри служать для вибору смуги пропускання, в якій приймається сигнал від вибраного шару, тобто в смузі частоти зсуву. Таких блоків у Крейта також може бути два (два інформаційних канали).

Як бачимо з структурної схеми, керуюча електроніка МРТ не дуже складна. У всякому разі, УЗ сканер по насиченості різними керуючими електронними пристроями значно перевершує МРТ. Складність полягає в його магнітній системі та програмному забезпеченні.

З електронних вузлів, що забезпечують дію системи, найбільший інтерес представляють блоки радіочастотної групи (рис. 6). Однією з головних вимог, що пред’являються до РЧ блоку, є висока стабільність радіочастоти, що забезпечується застосуванням генератора, що задає, який виробляє сигнал з частотою f₀, визначається рівністю Лармора. Тому зміщення цієї частоти при виборі шару здійснюється не прямим способом, а шляхом непрямих нелінійних перетворень, наприклад змішуванням сигналів частоти f₀ і частоти зсуву.

Усунутий сигнал підсилюється по напрузі і по потужності в блоці передавача, модулюється огинаючої із заданим законом зміни і надходить на РЧ котушки. Відповідно їх просторовому розташуванню пари котушок називаються вертикальної (ВК) і горизонтальної (ГК). Для отримання обертового магнітного поля в ланцюгах кожної пари котушок є ланки, які створюють зсув фаз їх струмів в 90^о.

Рис. 6. Блоки радіочастотної групи.

МР-сигнал (МРС), одержуваний від тіла, знімається з тих же котушок, які служать для збудження, і надходить по двох каналах в попередній підсилювач, розташований поблизу. У ньому сигнали каналів об'єднуються і приходять на крайовий підсилювач МР сигналу. Як було показано, для збудження котушок на них подаються великі (сотні вольт) напруги. Тому повинні бути передбачені заходи щодо захисту передпідсилювача МР сигналу від перенапруг по входу. При прийомі сигналу РЧ котушки, що мають відносно малий вхідний опір, можуть надавати шунтуючу дію. Для його виключення також приймають різні заходи — нелінійні елементи, комутуючі пристрої, які відключають РЧ котушки при прийомі МР сигналу.

Об'єднаний МР сигнал детектується синхронним детектором. У синхронному детекторі МР сигнал розділяється на два канали U і V, сигнали яких зміщені по фазі на 90^о і, по суті, являють собою фізичне втілення уявлень про обертову систему координат і її параметрів U і V. Тому вибір символів для позначення каналів не випадковий. Далі ці сигнали надходять у два канали АЦП. Застосування синхронного детектора продиктовано дуже малою величиною МРС.

Електронні блоки радіочастотної групи конструктивно можуть знаходитися в різних місцях. Наприклад, задаючий генератор, пристрої зсуву частоти, крайовий підсилювач МРС і детектор можуть знаходитися в блоці РЧ, формувачі сигналів зміщення частоти — в блоці вибору шару. Ці два блоки знаходяться в Крейті. Передавач і попередній підсилювач МРС є окремими самостійними блоками.

3.6 Котушки локальної діагностики Котушки для тіла утворюють дві ортогонально розташовані пари — горизонтальну (ГК) і вертикальну (ВК) (рис. 7).

Для зсуву фаз струмів на 90^о в ланцюзі горизонтальної та вертикальної пар включені відповідно індуктивність L1 і ємність С1. Для захисту від перевантажень по напрузі входів попереднього підсилювача і усунення шунтуючого дії передавача використовуються зустрічно-паралельні пари діодів. При порушенні котушок через діоди протікають великі струми і їх опір малий. При цьому діодні пари, включені на входах підсилювача, відіграють роль двосторонніх амплітудних обмежувачів. Для слабких же МР сигналів діоди мають великий опір. Перешкода, яка виникає на входах підсилювача, хоча і зменшена діодними обмежувачами, все-таки залишається занадто великою (0,7 В). Тому на практиці застосовують більш складні способи придушення перешкод.

Рис. 7. Електричні схеми котушок для тіла (а) й голови (б).

Котушка для голови надівається безпосередньо на голову пацієнта і підключається до попереднього підсилювача коротким кабелем з роз'ємом. Вона складається з двох секцій, кожна з яких містить пару котушок — сигнальну (L1) і компенсуючу (L2). Ці котушки знаходяться в безпосередній близькості один від одного і мають майже стовідсоткове зчеплення. При порушенні випромінюючої системи (котушки для тіла) в сигнальній котушці L1 наводиться сильна перешкода. Для її компенсації служить котушка L2. В її ланцюзі виникає великий струм, що створює розмагнічення поля для L1 і тим самим компенсує перешкоду. По закінченню РЧ імпульсу опір стає більшим і на слабкий МР сигнал котушка L2 не чинить шунтуючої дії. Цій же меті служить нелінійна індуктивність L3.

Для дослідження області спини застосовується окрема котушка у вигляді плоскої рамки. Перемикання входів попереднього підсилювача на те чи інше джерело сигналу здійснюється за допомогою контактного перемикача.

3.7 Попередній підсилювач

Попередній підсилювач МР сигналу призначений для посилення дуже слабких РЧ відгуків, тому до нього пред’являються підвищені вимоги в частині власних шумів. Ця вимога задовольняється, як і в відеопідсилювачах рентгенівських телевізійних систем, застосуванням у вхідних каскадах малошумуючих польових транзисторів. Але на відміну від відеопідсилювача попередній підсилювач МРС (рис. 8) приймає вузькосмуговий сигнал, тому від зовнішніх і внутрішніх перешкод можна додатково відбудуватися за допомогою селективних ланцюгів.

Рис. 8. Схема попереднього підсилювача МРС.

Сигнали від РЧ котушок надходять на входи 1 і 2 «вертикального» та «горизонтального» каналів. Сильні сигнали (перешкоди), що виникають при збудженні котушок, обмежуються двосторонніми діодними обмежувачами, які вже були показані на рис. 3. У кожному каналі сигнали посилюються повторювачем на малошумящих польовому транзисторі і підсилювачем напруги У1, який може бути зроблений на швидкодіючому операційному підсилювачі. Навантаженням повторювача служить дросель L1. Його опір при змінному струму буде великим, а опір при постійному — маленьким. Тому напруга польового транзистора виявляється практично рівним нулю.

Для підвищення стабільності посилення кожен канал охоплений паралельної негативною ОС через ємності С1, С2, С3, а дросель для підвищення стійкості схеми зашунтовано високоомним опором.

Так як сигнали каналів ВК і ГК знаходяться в квадратурі, то при їх простому об'єднанні на вході підсумовуючого підсилювача амплітуда результуючого сигналу була б тільки в рази більше амплітуди одного з них. Щоб уникнути втрати посилення їх фази зсуваються відповідно на 45^о за допомогою фазосдвигаючого ланцюжка R1, R2, C4, оскільки, як це видно з рис. 3, напруга в каналі ГК відстає від напруги в каналі ВК. Таким чином, на вході підсилювача вони опиняються в одній фазі. Як правило, загальне посилення попереднього підсилювача складає близько 2000. При цьому його вихідна напруга виходить рівним приблизно 40 мВ, що непрямим чином свідчить про дуже малу величину МРС (20 мкВ).

3.8 Загальна структурна схема МР-томографа Побудова загальної структурної схеми МР-томографа.

Рис. 9. Загальна структурна схема МРТ

3.9 Функціонально-логічна схема МРТ Будуємо функціонально-логічну схему на основі структурної схеми МРТ.

Рис. 10 Функціонально-логічна схема МР-томографа

4. Основи теорії надійності

Основними нормованими показниками надійності невідновлюючих виробів є:

— вірогідність безвідмовної роботи P (t);

— вірогідність відмови Q (t);

— частота відмов а (t);

— інтенсивність відмов л (t);

— середнє напрацювання до першої відмови Тср.

Оскільки час настання відмови T є величина випадкова, то Q (t) — це вірогідність того, що випадкова величина Т прийме значення менше або рівне t (інтегральна функція розподілу відмов), де t — час за котрим визначається показник надійності, тобто вірогідністю відмови називається вірогідність того, що за певних умов експлуатації в заданому інтервалі часу виникне хоч би одна відмова:

Q (t) = P (T? t).

Вірогідністю безвідмовної роботи P (t) називається вірогідність того, що за певних умов експлуатації в заданому інтервалі часу або в межах заданого напрацювання t не відбудеться жодної відмови:

P (t) = P (T > t).

Оскільки безвідмовна робота і відмова є подіями несумісними і протилежними, то між ними справедливо наступне співвідношення:

P (t) + Q (t) = 1.

Оскільки Q (t) є закон розподілу випадкової величини (відмов), то залежність між можливими значеннями безперервної випадкової величини T і вірогідністю попадання в їх околицю називається її щільністі вірогідності.

Частота відмов а (t) є щільність вірогідності часу роботи виробу до першої відмови:

Інтенсивністю відмов називається відношення числа одиниць, що відмовили за певний часу до середнього числа виробів, що справно працюють в даний відрізок часу. Імовірнісна оцінка цієї характеристики знаходиться з виразу:

л (t) = a (t)/P (t).

M [t ] =

так як t > 0 и P (0) = 1, a P (?) = 0, то Tср =? P (t)dt.

Знаючи один з показників надійності і закон розподілу відмов можна обчислити решту характеристик надійності з урахуванням наступних формул:

Q (t) = a (t)dt, P (t) = 1? a (t)dt, л (t) = a (t)/P (t), P (t) =

4.1 Розрахунок надійність МР-томографа У сучасній ЕА зростання кількості комплектуючих елементів випереджає зростання їх безвідмовної роботи, що спричиняє зменшення середнього часу безвідмовної роботи та збільшення часу змушеного простою апаратури. А тому доводиться приділяти особливу увагу ремонтопридатності як одній з найбільших важких проблем забезпечення надійності МРТ.

Безвідмовність характеризується закономірностями появи відмов, а ремонтопридатність — закономірностями їх попередження та ліквідації. Ремонтопридатність так само, як і безвідмовність, залежить від організації експлуатації та від властивостей апаратури. Низька ремонтопридатність апаратури МРТ знижує коефіцієнт готовності і технічного обслуговування, а також може привести до великих витрат на її обслуговування. А тому виникають проблеми: як досягти заданого напрацювання на відмову? Який шлях найбільш економічний? Чи потрібно використовувати більш безвідмовні елементи в апаратурі, застосовувати резервування, або зменшити середній час ремонту?

На рис. 11 наведена структурна схема технічно-економічного аналізу порівняння безвідмовності, ремонтопридатності та вартості.

Для правильного техніко-економічного аналізу необхідно мати додаткову інформацію для блоків, наведених на рис. 11.

Ремонтопридатність МРТ визначається рядом факторів, які можна розділити на чотири основні групи: конструктивні, організаційні, умови експлуатації та матеріально-технічне забезпечення.

До конструктивних заходів можна віднеси:

— маркування елементів та місця їх встановлення;

— індикацію несправностей у модулі, блоці;

— наявність контрольних точок для замірювання параметрів апаратури;

— доступ до всіх контрольних точок, блоків, елементів;

— вбудовану контрольно-вимірювальну апаратуру.

Від конструктивних особливостей апаратури залежить не тільки час пошуку елемента, який відмовив, а і час його заміни, який, в основному, залежить від доступності до елемента тощо.

До організаційних факторів відносяться: підготовка обслуговуючого персоналу; наявність і якість технічної документації експлуатації апаратури; організація технічного обслуговування та засоби використання апаратури МРТ.

До факторів умов експлуатації відносяться: навколишнє середовище; умови розміщення апаратури (вібрація, удари, прискорення); умови роботи обслуговуючого персоналу (шуми, освітлення тощо).

Рис. 11 Структурна схема техніко-економічного аналізу ремонторидатності

Група факторів матеріально-технічного забезпечення (наявність інструменту, приладів, запасних елементів, допоміжних належностей) значною мірою впливає на час технічного обслуговування і, отже, на ремонтопридатність.

При ремонті МРТ розрізняють чотири методи:

— ремонт методом заміни і подальшого відновлення;

— ремонт методом заміни неремонтованих елементів;

— ремонт за наявності резервування;

— заміна поточного ремонту профілактичним обслуговуванням.

Ремонт методом заміни і подальшого відновлення модуля, блока застосовується для підвищення готовності апаратури. При цьому значно скорочується час непрацездатного стану апаратури, оскільки він зводиться до часу заміни блока за умови відшукання несправності.

Ремонт методом заміни неремонтованих елементів знайшов широке застосування. Цей метод має такі переваги: менші витрати часу на відшукання і заміну елемента, який відмовив, зменшення кількості несправностей, забезпечення доступності при ремонті, використання менш кваліфікованого обслуговуючого персоналу, зменшення витрат експлуатації.

Ремонт за наявності резервування можна розглядати як різновид ремонту без зняття функцій, які виконує апаратура. При цьому ремонт апарата, який відмовив, може проводитися пізніше виникнення відмови.

Заміна поточного ремонту профілактичним обслуговуванням знайшла широке застосування при експлуатації електронної апаратури, в тому числі і побутової.

Але для оцінки можливостей профілактичного обслуговування необхідно мати дані за профілактичними і непрофілактичними відмовами. Профілактичними відмовами є ті, які можна відвернути у процесі профілактики, останні - непрофілактичні.

До профілактичних відмов відносяться майже всі постійні та частина раптових, закон розподілу часу безвідмовної роботи яких є функцією напрацювання елемента. Без знання закону розподілу часу безвідмовної роботи елемента (модуля) неможливо обґрунтовано приймати рішення на профілактичну його заміну. Профілактичне обслуговування не може повністю замінити поточний ремонт, але може підвищити напрацювання Т_о до поточного ремонту.

4.2 Розподіл часу поточного ремонту Під час здійснення поточного ремонту апаратури МРТ розрізняють чотири етапи:

— встановлення наявності несправності;

— встановлення характеру відмови і відшукання несправного елемента;

— усунення несправності;

— перевірка апаратури після ремонту.

Ремонтопридатність на кожному етапі поточного ремонту забезпечується такими факторами:

— на етапі встановлення факту несправності - наявністю системи контролю працездатності, можливість швидкого автоматичного або візуального виявлення несправності;

— на етапі відшукання несправності - наявністю контрольних точок, маркування всіх контрольних точок, системою автоматичного контролю (з ПОЕМ), наявністю функціональних, принципових схем та інструкцій з відшукання несправностей, забезпечення контрольно-вимірювальною апаратурою, кваліфікацією обслуговуючого персоналу;

— на етапі усунення несправності - швидким доступом до всіх блоків, маркуванням кожного елемента, блока, позначенням регулювань, наявністю запасних елементів, приладів, інструментів, умовами праці обслуговуючого персоналу;

— на етапі перевірки апаратури — наявністю контрольно-вимірювальної апаратури, інструкцій з регулювання і перевірки апаратури із зазначенням контрольованих параметрів і припусків на них, кваліфікацією обслуговуючого персоналу.

Зазначені етапи є загальними для всіх раніше розглянутих методів ремонту незалежно від методу відшукання несправності (автоматичного або ручного). При ручному пошуку елементів, які відмовили, для блочної (модульної) конструкції апаратури співвідношення часу за етапами ремонту приблизно такі:

— встановлення наявності несправності - 3% загального часу ремонту;

— встановлення характеру відмови та відшукання несправного елемента — 61%;

— усунення несправності - 15%;

— перевірка апаратури після ремонту -21%.

З точки зору використання часу ремонту його можна поділити на активний, адміністративний та час постачання.

Активний час ремонту — це частина часу поточного ремонту, який витрачається на операції, які проводяться безпосередньо з апаратурою. Згідно з документом, яким треба керуватися Р-50−84−88. «Апаратура радіоелектронна побутова. Показники і оцінка ремонтопридатності та контролепридатності», активний час називається середньою оперативною тривалістю ремонту — Т_Р.

Адміністративний час складає час очікування ремонту — Т_А. Час постачання визначається операціями, які пов’язані з отриманням матеріалів, обладнання, приладів, елементів, та інструментів — Т_ПОС. Тоді

.

Ми розглядатимемо тільки Т_Р — середню оперативну тривалість ремонту.

Для побутової електронної апаратури блочно-модульної конструкції Т_Р потрібно задавати для двох рівнів ремонту окремо:

— для ремонту першого рівня, який виконується заміною уніфікованих блоків, вузлів, модулів;

— для ремонту другого рівня, який виконується заміною елементів у блоках, вузлах, модулях, які відмовили.

У загальному випадку час усунення несправності є випадковою величиною, яка найбільш повно описується законом її розподілу.

Якщо апаратура модульного типу і ремонту виконується заміною модуля, то закон розподілу часу ремонту експоненціальний, де щільність ймовірності часу ремонту де — математичне сподівання часу ремонту.

У випадках, коли пошук елементів, які відмовили, проводиться ручним способом, закон розподілу часу поточного ремонту відрізняється від експоненціального і час ремонту розподілений за законом Ерланга:

У випадку, коли функція розподілу часу ремонту

4.3 Розрахунок ремонтопридатності

При аналітичному розрахунку та найпростішому потоці відмов умовну імовірність відмов елемента і-ї групи можна зобразити у вигляді:

де — інтенсивність відмов елементів і-ї групи;

m — кількість груп елементів в апаратурі.

Якщо позначити активний час ремонту апаратури при відмові елементів і-ї групи як, то середній час ремонту апаратури визначаться як математичне сподівання:

Для визначення за формулою (8) необхідно мати дані про час ремонту, при відмові елементів різних груп.

Час ремонту залежить від типу елемента, який відмовив, блока, мікросхеми. Крім того, він залежить від розташування елементів апаратури. На стадії проектування для орієнтованих розрахунків середнього часу ремонту використовують дані про середнє значення часу, яке отримано при експлуатації або випробуванні аналогічної апаратури.

Середня оперативна тривалість ремонту Т_р складається з часу пошуку несправного елемента t₀, середнього часу заміни елемента t₃ та середнього часу перевірки справності апаратури після заміни елемента, який відмовив t_np, таким чином:

Т_р=t_o+t₃+t_пр.

Експериментальна оцінка ремонтопридатності проводиться за даними експлуатації або спеціальних випробувань на ремонтопридатність апаратури. Отримання дослідних даних за реальної експлуатації пов’язано з великою тривалістю.

При проведенні спеціальних випробувань обсяг випробувань визначається необхідною вірогідністю оцінки ремонтопридатності. Зазвичай вважається, що достатньо мати дані з 20 відмовами. За статистичними випробуваннями визначається вибірка імітованих відмов, які по черзі вводять в апаратуру, за умов, максимально близьких до експлуатаційних. У результаті випробувань необхідно отримати t_о, t₃ i t_пр.

На основі отриманих статистичних даних за результатами випробувань або експлуатації розраховують значення ремонтопридатності із заданою точністю і вірогідністю.

Метод розрахунку оцінок часу ремонту з урахуванням заданих вимог за точністю і вірогідністю залежить від закону розподілу часу ремонту. Як правило, це закони експоненціальний та Ерланга.

Середня тривалість ремонту апаратури дорівнює:

де — час ремонту апаратури за і-ю відмовою;

n — кількість відмов апаратури за вибраний відрізок часу.

При цьому:

де t_Pі — середній час роботи при виконанні j-ої операції при і-му ремонті;

m_P — кількість операцій при виконанні і-го ремонту.

За експоненціальним розподілом часу ремонту нижню та верхню границі середнього часу ремонту знаходять за виразами;

Тут коефіцієнти r₁ і r₂ визначаються за формулами:

r₁=2n/²[P (), 2n];

r₂=2n/²[1-P (), 2n],

де ²[P (), 2n] - квантилі розподілу ² за довірчою імовірністю P () та кількістю ступенів свободи r=2n. Значення коефіцієнтів r₁ і r₂ табульовані.

Якщо час ремонту підпорядкований закону Ерланга, розподіл щільності ймовірності ш (t) статистичної оцінки для невідомого часу має вигляд;

За цією формулою розраховують ймовірність потрапляння величини у задані границі, тобто розраховується довірча ймовірність.

Для різних значень довірчої ймовірності P () і кількості дослідів n розраховані коефіцієнти ₁ і ₂ для параметра, які також табульовані.

Значення нижчої границі середнього часу ремонту T_Р.Н. та верхньої границі середнього часу ремонту визначаються за формулами:

5. Несправності

Програмне забезпечення МРТ постійно проводить моніторинг стану апаратури, і при певних неполадках сигналізує на пульт. При виникненні аварійної ситуації (поломці) можливі наступні наслідки:

1) Можливо спрацювала пожежна сигналізація апарату, при цьому необхідно:

а) Якщо ви скануєте, натискають кнопку «STOP» на довершення внутрішнього зв’язку двічі.

б) Швидко пройти в кімнату МРТ та вручну вийняти стіл з пацієнтом з магніту.

в) Негайно евакуювати персонал та пацієнтів.

2) Тривога, можливо, була б запущена ким-небудь, випадковим натисканням тривожної кнопки, тоді натисніть її повторно (протягом 10 с.), або відпустіть, та можете продовжувати роботу

3) Низький рівень гелію, або вимкнення магніту, через землетрус чи ще якусь зовнішню загрозу. Перевірте контрольну коробку Siemens розташовано в диспетчерській безпосередньо вправо від вікна. Там повинно засвітитись один зі індикаторів проблеми та індикатори рівнів, якщо проблему не виявлено, то потрібно направитись в кімнату охолодження та візуально перевірити рівень охолоджувальної рідини (гелію).

4) Також пульт МРТ пов’язаний з загальною системою сповіщення сигналізації клініки. Тривога, можливо, була пов’язана з будівлею. Перевірте панель сигналізації в коридорі біля виходу. Якщо LED-індикатори вказують Error21 то це проблема за межами МРТ, і можна продовжувати сканування пацієнта.

5) Тривога може бути пов’язана з кисневими датчиками

PureAire O2 — Системні кисневі датчики розташовані в дослідній і кімнатах сонатного контролю. Маловірогідно, але можливий витік газу (гелію) при цьому концентація кисню знижується. Нормальний кисневий рівень — 20.8−20.9%. Кисневі монітори випустять звуковий аварійний сигнал, якщо кисневий рівень падає до 19.5%. Тоді сигналізує на передній панелі, і показ попередить вас про кисневий рівень або повідомлення про помилку. Помилка може бути в самому датчику — тоді все одно потрібно припинити сканування, та провести діагностику системи сигналізації. В будь-якому випадку при спрацюванні сигналізації кисневого рівня робота МРТ припиняється та шукається причина.

6) Інші помилки При поломці апаратури на пульт прийде сигнал про конкретний блок (це досягається за допомогою досконалізації програмного забезпечення) і лишається лише дослідити конкретний блок функціонування, або ж систему сигналізації.

6. Інженерний аналіз технічного стану В основі інженерного аналізу лежить функціонально-логічна модель МРТ і таблиця несправностей. Будується віртуальна модель апарату та відпрацьовуються всі несправності, це найбільш доцільно з огляду на складність апарату і його коштовність.

6.1 Матриця станів Для формалізації процесів побудови алгоритмів технічного діагностування (АТД) об'єктів необхідно формально описати множину станів, множину його перевірок та задати значення результатів перевірок для кожного із станів об'єкту.

Множину технічних станів позначимо

де s_j — символ j-го стану об'єкта;

М — кількість всіх станів об'єкту. Символ Пі - множина перевірок. Вважаємо, що Пі=1, якщо результат перевірки Пі позитивний; Пі=0, якщо результат перевірки Пі негативний.

Таблиця 2. Матриця станів

6.2 Матриця працездатності

При умовних алгоритмах пошуку несправностей вибір кожної наступної перевірки виконується із врахуванням результату S0 перевірки. Найбільш зручною і наочною формою представлення працездатності елементів є матриця працездатності.

Матриця працездатності будується на основі матриці станів. Ми порівнюємо S0 рядок з всіма іншими рядками і визначаємо працездатність елемента. Коли елемент не працює, надаємо значення в таблиці - 1.

Таблиця 3. Матриця працездатності

6.3 Програма пошуку відмов Дана матриця показує найбільш схильні елементи МР-томографа до відмов, кількість кроків для їх знаходження та вартість усунення несправності.

Таблиця 4. Програма пошуку відмов.

Висновок В останні роки метод МРТ широко впроваджений в різних країнах. Він став провідним у діагностиці захворювань головного та спинного мозку, кістково-суглобової системи, органів порожнини малого тазу, серця та судин. Структура використання МР-томографа така: 34,2% — дослідження головного мозку; 29,5% - хребта; 23,2% - кістково-суглобової та м’язової системи; 10,2% - органів черевної порожнини і тазу; 2,4% - серцево-судинної системи. Відомі західноєвропейські фахівці вважають, що застосування МРТ відіграватиме провідну роль у діагностиці 90% захворювань головного мозку, хребта, кістково-суглобової системи. У 40% спостережень за допомогою МРТ діагностуватимуться захворювання органів черевної порожнини, нирок; метод буде незамінний під час дослідження судин (включаючи вінцеві) кровопостачання міокарда; в діагностиці пухлин молочної залози, оториноларингології.

Висока інформативність результатів МРТ обґрунтовує доцільність та виправданість її застосування при діагностиці захворювань різних органів та систем людського організму. Перевагами методу є неінвазивність, відсутність променевого навантаження, тривимірний характер отриманого зображення, природний контраст від крові, відсутність артефактів від кісткових тканин, високий м’яко-тканинний контраст, можливість виконання магнітно-резонансної спектроскопії для прижиттєвого вивчення метаболізму.

З усіх сучасних радіологічних методів дослідження, які застосовують у кардіології, МРТ найперспективніший. З кожним роком можливості МРТ збільшуються — поряд з відомими технологіями та методиками з’являються нові.

В курсовій роботі було проведено інженерний аналіз МР-томографа, складено матрицю станів в якій прослідкували працездатність кожного блоку приладу в залежності від попереднього. Побудували матрицю працездатності яка показує результат порівняння кожного рядка матриці станів Sn з рядком S0, в якому виконується умова, що всі блоки схеми працюють. Складено таблицю програми пошуку відмов, що вказує порядок перевірки блоків, а також ціну заміни кожного блоку.

Список використаної літератури

1. Абакумов В. Г. «Біомедичні сигнали та їх обробка», К.: ТОО «Век+», учебное пособие, 1997. 292 с.;

2. Зайченко К. В. «Съем и обработка биоэлектрических сигналов», учебное пособие, С.-П.: «Питер», 2001. — 312 с.;

3. Габуния Р. И., Колесникова Е. К. «Основы компьютерной томографии». Медицина — 1985. — 431с.;

4. Воронов В. К. «Ядерный магнитный резонанс». Соровский образовательный журнал, № 10, 1996, с.70−75;

5. Ковальов К. В. «Магнито-резонансный томограф», 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Медицина, 1972. — 416 с.;

6. Іванов С.І., Макаров П. К. «Биофизика», учебное пособие, С.-П.: «Питер», 2004. — 416 с.