Bai giang xay dung thuat toan y sinh thay nghin

PGS.TS Đăng Văn Nghin

Tp.HCM/9/2014

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỂ XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA THIẾT BỊ CƠ

ĐIỆN TỬ Y SINH

Tóm tắt1

Xây dựng thuật toán4

NÔI DUNG TRÌNH BÀYNÔI DUNG TRÌNH BÀY

Kết luận5

Tổng quan tài liệu3

Thiết bị cơ điện tử y sinh ngày nay đang ngày càng phát triển, phục vụ và hỗ trợ rất nhiều cho con người như: máy trợ thở, máy chạy thận, máy phân tích sinh hóa, máy chụp CT,…

Trước những thực tế đó thi đây chính là nhu cầu cấp bách cần phải có công cụ để giám sát, kiểm tra tinh trạng của những thiết bị này vi nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và tính mạng của con người. Báo báo trinh bày tổng quan tài liệu về công cụ giám sát tinh trạng của thiết bị và phương pháp đánh giá chất lượng thiết bị.

Tóm tắt1

Qua đó xây dựng nên thuật toán để đánh giá chất lượng của thiết bị cơ điện tử nói riêng cũng như các thiết bị khác nói chung.

Từ khóa: Condition monitoring, condition evaluation method, suppervision control, diagnostic, machine health monitoring,…

Tóm tắt1

1. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ máy móc thiết bị từng bước được hiện đại cơ khí hóa, tự động hóa và cơ điện tử hóa.2. Hiện nay các thiết bị cơ điện tử y sinh là loại thiết bị áp dụng kiến thức liên ngành của nhiều lĩnh vực.3. Nhu cầu về đánh giá chất lượng của thiết bị cơ điện tử các loại nói chung và thiết bị cơ điện tử y sinh nói riêng ngày càng cấp bách vi nó ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng con người nếu thiết bị cơ điện tử y sinh không đảm bảo chất lượng.

Bao gồm 7 vấn đề:

4. Tuy nhiên các loại thiết bị cơ điện tử y sinh hiện nay lại được đánh giá theo các chỉ tiêu và các phương pháp đánh giá khác nhau.5. Việt Nam là nước đông dân có nhu cầu về các thiết bị cơ điện tử y sinh nhưng chúng ta vẫn chưa làm chủ được trong việc thiết kế và chế tạo, cũng như khai thác, sử dụng có hiệu quả.

6. Kỹ thuật đánh giá thiết bị cơ điện tử y sinh nó cho phép đánh giá chất lượng của thiết bị mới cũng như các thiết bị đã qua sử dụng, đây sẽ là cơ sở cho quá trinh thẩm định giá sản phẩm, kiểm tra chất lượng thiết bị ngoại nhập.7. Trước những thực thế như đã nêu trên, đây đang là vấn đề vô cùng cấp bách liên quan đến bảo vệ và đảm bảo sức khỏe, tính mạng của cộng đồng Việt Nam.

2.1 Tổng quan về các chỉ tiêu đánh giá chất lượng thiết bị:

Để có thể đánh giá chất lượng của một thiết bị nào đó trước hết ta tim hiểu một số khái niệm về chất lượng, chất lượng sản phẩm và chất lượng của thiết bị, độ tin cậy.Theo M.J. Juran [10] thi “chất lượng” có nghĩa là những thuộc tính/đăc tính sản phẩm đáp ứng nhu cầu của khách hàng và thông qua đó thoả mãn khách hàng.


Chất lượng sản phẩm chi tiết cơ khí thường được đánh giá theo các chỉ tiêu về độ chính xác về kích thước, về hinh dáng hinh học, độ nhám bề măt, ứng suất dư, độ bền mỏi, độ bền mòn,…

Chất lượng của thiết bị thường được đánh giá theo các chỉ tiêu như công dụng, an toàn, thẩm mỹ, công thái học nhưng quan trọng nhất là các chỉ tiêu về độ tin cậy, độ ổn định và độ chính xác.


Độ tin cậy của một thiết bị là xác suất để trong suốt khoảng thời gian khảo sát, thiết bị đó vận hành an toàn, đảm bảo các tính năng kỹ thuật của nó.

Nếu có các sự cố hỏng hóc thi máy làm việc không binh thường. Cho nên người ta đánh giá độ tin cậy bằng cách giám sát sự hư hỏng của thiết bị theo thời gian.

Nói chung, cần phải thiết lập một hệ thống giám sát tinh trạng để phát hiện lỗi, dự đoán và chẩn đoán tinh trạng của thiết bị.


Trong cuốn sách của minh Lihui Wang and Robert X.Gao [1] đã giới thiệu biểu đồ giám sát hư hỏng của thiết bị theo thời gian được trinh bày trên hinh 1


Hinh 1 Đường cong giám sát tình trạng cho thấy sự hư hỏng của thiết bị.

Từ những năm 1967 ở CHLB Nga M.P. Roitman [3] đã công bố bài báo về hiệu quả sử dụng thiết bị:

Hiệu quả sử dụng thiết bị được đánh gia thông qua hai hệ số: hệ số sử dụng theo ngày Kcal và hệ số sử dụng theo ca Ksh.

Hệ số Kcal được đánh giá bằng công thức:Kcal = tnom/tcal

- Với tnom là thời gian thiết bị được sử dụng (ngày), tcal là thời gian máy sẵn sàng trong năm (ngày).


Hệ số Ksh được xác định:Ksh = N/Nmax

- Với N là số giờ thực sự thiết bị được sử dụng, Nmax là số giờ thiết bị thiết bị có thể được sử dụng


Một tác giả khác ở CHLB Nga là M.B Slavin [5] đã đưa ra phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế của việc cải tiến nâng cao chất lượng thiết bị y tế.

Để xác dịnh hiệu quả kinh tế ta tính giá trị đơn vị của đầu ra mục tiêu với hàm ψ:

Ψ = P/e - Với e là phí tổn của cầu sản phẩm. Nếu ψ

>1 thi cải tiến đạt ưu điểm và phải tim cách để ψ=max.

Đầu ra mục tiêu P được xác định:P = E1+ E2+ E3+ E4+ E5+ E6+ E7


Ngoài ra Silvina de Rum [5] còn đề xuất một phương pháp khác để đánh giá thiết bị y tế mới:

- Sau khi phát triển một thiết bị, một công cụ mới, những đánh giá khác nhau để kiểm tra lợi ích và những hạn chế, các phương pháp được diễn tả sau đây: phương pháp kiểm tra chỉ số con người, phân tích chức năng phân cấp (HTA), kiểm tra nhận thức (CW), đánh giá phỏng đoán (HE), kiểm tra khả dụng (UT).


Ngoài ra Silvina de Rum [5] còn đề xuất một phương pháp khác để đánh giá thiết bị y tế mới:

- Sau khi phát triển một thiết bị, một công cụ mới, những đánh giá khác nhau để kiểm tra lợi ích và những hạn chế, các phương pháp được diễn tả sau đây: phương pháp kiểm tra chỉ số con người, phân tích chức năng phân cấp (HTA), kiểm tra nhận thức (CW), đánh giá phỏng đoán (HE), kiểm tra khả dụng (UT).


Các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá chất lượng thiết bị y tế [18] bao gồm:

- Các chỉ tiêu kỹ thuật như: độ chính xác định lượng của mẩu và thuốc thử, độ ổn định nhiệt độ môi trường phân tích, khả năng làm sạch các ống nghiệm sau phân tích, độ ổn định của quang kế phân tích.

- Các chỉ tiêu y sinh như: sai số thành phần mẩu đánh giá trong quá trinh chạy và giữa các ngày chạy, độ chính xác, độ tuyến tính, độ tương quan so với các phương pháp phổ biến.


Qua các công trinh nghiên cứu trên có thể đưa ra nhận xét sau đây: muốn có các số liệu tính toán cần phải lựa chọn các chỉ tiêu và các phương pháp đánh giá. Mỗi phương pháp lại có thể áp dụng cho nhiều loại thiết bị khác nhau. Giám sát tinh trạng là kỹ thuật hữu hiệu để có thể đánh giá chất lượng của thiết bị.


2.2 Tổng quan về kỹ thuật giám sát tinh trạng:

Để rõ hơn chúng ta cần tim hiểu đối tượng của giám sát tinh trạng, các phương pháp giám sát tinh trạng. Đối tượng của giám sát tinh trạng có thể là: thiết bị máy móc các ngành, cụm chi tiết như: hộp số, bạc đạn, ổ bi,… và quá trinh sản xuất các loại.


Theo A.Davies [7] để giám sát tinh trạng của thiết bị bao gồm các phương pháp sau đây: giám sát tinh trạng rung động của thiết bị, giám sát tinh trạng nhiệt của thiết bị, giám sát ma sát và mài mòn của dụng cụ và thiết bị, phương pháp chuẩn đoán kỹ thuật, phương pháp dự báo kỹ thuật.

Theo Robert Bond Randall [13] đã minh họa cách giám sát tinh trạng trong các ngành công nghiệp liên quan đến các thiết bị rung.

Asif Saeed [14] trinh bày hệ thống giám sát tinh trạng trực tuyến cho các thiết bị tua bin gió.


Jie Liu [15] đưa ra một hệ thống giám sát thông minh áp dụng cho bạc đạn.

Shane Butler [16] nói về các thuật toán giải quyết cho giám sát có điều kiện và ước tính chu kỳ sống cho thiết bị cần giám sát.

Firas Hammad [17] đã đưa ra phương pháp giám sát tinh trạng bằng các hệ thống đa cảm biến thông minh.

PGS.TS Thái Thị Thu Hà trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước [6] có báo cáo kết quả giám sát tinh trạng của máy phay CNC thông minh theo lực cắt.


Theo C.B Vilakazi [8] hệ thống giám sát tinh trạng gồm các thành phần chính như hinh 2:


Hinh 2 Sơ đồ khối chung của một hệ thống giám sát tình trạng.

Tác giả Tshilidzi Marwala [9] đã giới thiệu sơ đồ của hệ thống giám sát tinh trạng như hinh 3:


Hinh 3 Những điều kiện trong hệ thống giám sát tình trạng.

Theo Lihui Wang và Robert X. Gao [1] thi có 4 mức giám sát tinh trạng được thực hiện như hinh 4:

- 4 mức bao gồm: Monitoring (giám sát), điều khiển servo, điều khiển quá trinh, điều khiển giám sát.


Hinh 4 Các mức độ kiểm soát của một bộ điều khiển trong máy.

3.1 Xây dựng hệ thống phân loại chức năng các loại thiết bị nói chung và thiết bị cơ điện tử y sinh nói riêng:Thuật toán được xây dựng theo quy trinh sau đây:



Quy trinh bao gồm 6 bước:Bước 1: Phân ngành thiết bị- Ở đây chúng ta phân loại thiết bị theo các

ngành công nghiệp theo sơ đồ bên dưới:


Bước 2: Phân loại thiết bị- Mỗi ngành công nghiệp lại có rất nhiều

chủng loại khác nhau theo công dụng của chúng. Dưới đây là sơ đồ minh họa cho thiết bị ngành y tế. Đối với các ngành khác ta có thể làm tương tự



Bước 3: Xác định các chỉ tiêu đánh giá chất lượng thiết bị

- Đây là bước khó và quan trọng.- Ở đây chúng ta cần xác định các chỉ tiêu

đánh giá chất lượng cho từng loại thiết bị. Chúng ta có thể tham khảo các tiêu chuẩn quốc tế, tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn ngành hay tiêu chuẩn của doanh nghiệp.

- Mỗi khi nhà sản xuất đưa sản phẩm ra thị trường thi họ đều tiến hành thử nghiệm sao cho thiết bị thỏa mãn các tiêu chuẩn quy định.



Bảng 1 Các chỉ tiêu đánh giá cho từng loại thiết bị

Bước 4: Xác định các phương pháp giám sát tinh trạng cho từng chỉ tiêu khác nhau

- Mỗi chỉ tiêu có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau.

- Đo độ mòn của dụng cụ.



Bảng 2 Các phương pháp đánh giá từng chỉ tiêu cho máy ly tâm lạnh.

Bước 5: Xây dựng ma trận lời giải cho các chỉ tiêu và phương pháp xác định

- Trong bước này chúng ta phải xây dựng ma trận lời giải cho các chỉ tiêu và phương pháp đánh giá cụ thể các chỉ tiêu đó



Bảng 3 Ma trận lời giải cho các chỉ tiêu và phương pháp theo giải pháp 1





Bước 6: Xác định chất lượng thiết bị1. Theo chỉ tiêu đơn: Nếu chỉ quan tâm đến từng chỉ tiêu nào đó của thiết

bị thi chúng ta có thể xác định chất lượng của thiết bị đó theo từng chỉ tiêu đơn theo công thức sau đây [12]:

Trong đó:- qi là chất lượng của thiết bị theo chỉ tiêu i.- Fi là giá trị giám sát tinh trạng của thiết bị theo chỉ

tiêu i.- Fich là giá trị chuẩn (theo một trong các tiêu chuẩn

quốc tế, quốc gia, ngành, doanh nghiệp) theo chỉ tiêu i.


100ii

ich

FqF

2. Theo chỉ tiêu tổng hợp: Trong trường hợp có nhiều chỉ tiêu để đánh giá thiết bị thi chúng ta có thể sử dụng công thức tính chỉ tiêu tổng hợp theo các phương pháp sau [12]: a/ Phương pháp phân chập tuyến tính (chỉ tiêu tổng hợp bằng tổng các chỉ tiêu đơn): Theo phương pháp này chỉ tiêu tổng hợp được xác định theo công thức:

Trong đó:-qi – là chất lượng của thiết bị theo chỉ tiêu i.-αi – là hệ số trọng lượng, đánh giá ảnh hưởng của từng chỉ tiêu qi đến chỉ tiêu tổng hợp.


1

.p

i ii

q q

b/ Phương pháp đa nhân chập (chỉ tiêu tổng hợp bằng tích các chỉ tiêu đơn) Theo phương pháp này hàm mục tiêu sẽ có dạng sau:

Trong đó:-qi – là các chỉ tiêu chính (trội) của chất lượng thiết bị theo chỉ tiêu i.-pj – là các chỉ tiêu phụ của chất lượng thiết bị theo j.-Như vậy trên đây là toàn bộ quy trinh xây dựng thuật toán. Để xác định bao gồm 6 bước như trên.


11

.im n

i j jji

q q p

Bài báo đã tham khảo nguồn tài liệu về các công cụ đánh giá tinh trạng và thiết bị cũng như đề xuất công thức để tính toán chất lượng của thiết bị nói chung. Qua đó đã xây dựng nên thuật toán bao gồm 6 bước, đưa ra một số ví dụ để minh họa. Để tiếp tục phát triển chúng tôi sẽ xây dựng phần mềm theo thuật toán như đã đề xuất.

Kết luận5

TÀI LIỆU THAM KHẢOTÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Lihui Wang and Robert X. Gao (Eds.), “Condition Monitoring and Control for Intelligent Manufacturing”, 2006.[2]. Junyan yang, “A Novel Intelligent Condition Evaluation Method of Mechatronic Equipment based on SVM and GA”, August 2011.[3]. M. P. Roitman T. D. Ivanova and L. M. Tutina, “Evaluation of the utilization of medical equipment in hospitals”, March 22, 1967.[4]. M.B Slavin, “Evaluation of The Economic Effectiveness of Improving The Quality of Medical Equipment”, 1972.[5]. Silvina de Rum, “Designed to Fit: Tailored Technologies for Medical Practitioners”, 2014.[6]. Thái Thị Thu Hà, “Báo cáo tổng kết đề tài: nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển thông minh cho máy phay CNC và các quá trình phức tạp”, 2004.[7]. A.Davies (ed.), “Handbook of Condition Monitoring Techniques and Methodology”, 1998.


[8]. C.B Vilakazi, “Machine Condition Monitoring Using Artificial Intelligence: The Incremental Learning and Multi-agent System Approach”, 2006.[9]. Tshilidzi Marwala, “Condition Monitoring Using Computational Intelligence Methods”, 2012.[10]. Joseph M. Juran, “Jura’s Quality Handbook, McGraw-Hill”, 1998.[11]. Raphael L. Vitalo, “Deming Revisited: The Real Quality Model for Commerce, Vital Enterprises”, 2014.[12]. Đăng Văn Nghin, “Tối ưu hóa đa mục tiêu quá trình gia công tinh bằng biến dạng dẻo theo chỉ tiêu tổng hợp”, luận văn tiến sỹ, 1989.[13]. Robert Bond Randall, “Vibration – Based condition monitoring”, 2010.[14]. Asif Saeed, “Online Condition Monitoring System for Wind Turbine”, 2008.[15]. Jie Liu, “An Intelligent System for Bearing Condition Monitoring”, 2008.


[16]. Shane Butler, “Prognostic Algorithms for Condition Monitoring and Remaining Useful Life Estimation”, 2012.[17]. Firas Hammad, “Intelligent Multi – Sensor Process Condition Monitoring”, 2007.[18]. Joroen D. E. van Suijlen, Belgium, Germany,“Multicentre evaluation of the Boehringer Mannheim/Hitachi 917 analysis system”, Germany, 2000.

Engineering

Bai giang xay dung thuat toan y sinh thay nghin