放射性碘-131主要用于治疗治疗甲亢、抗甲状腺药物治疗及手术治疗, 成为国内外首选治疗方法, 由于碘-131具有很强的放射性, 而且根据病情用量亦有不同需求, 同位素液体稀释分装系统就应运而生。目前国内同类产品有:传统人工稀释分装、半自动化机械装置蠕动泵计量分装法、针筒吸液式体积计量分装法。但是由于碘-131具有很强的放射性, 对于其分装计量精度及机械结构都有很高的要求, 而传统人工分装和目前国内同类产品中存在结构复杂, 自动化程度低的问题。半自动化机械装置蠕动泵计量分装法在拔出针头时容易带动西林瓶塞, 而针筒吸液式采用先取样分装、再稀释的操作步骤, 病人需要有几种不同的剂量, 就需要分别取几次样, 再分别进行稀释, 这使操作过程复杂, 生产效率低。而且使得每次分源前必须先对针筒进行清洗, 因此存在如何清洗及清洗水如何处理以避免环境污染的问题。为更好地保障操作人员的防辐射安全, 并适应生产发展的需要, 在稀释和分装同位素液体的过程中保证同位素液体使用的安全性(包括放射线照射的防护、放射源本身的安全性)和稀释分装的准确性和一致性, 解决现有产品中的问题, 设计开发了同位素液体稀释分装机。实物如图 1。

1 总体设计方案

同位素液体自动稀释分装系统每次需要连续对10瓶不同剂量要求的西林瓶进行灌装, 分装时间小于4min, 每瓶分装体积计量误差为0.5%。整机在热室中工作, 由机械手将西林瓶安装到西林瓶工作台或从工作台取下, 而且该动作由人在热室外对机械手进行操作完成, 而西林瓶的供送、液体的稀释分装及扎针运动均由热室外单片机通过控制电机完成。从而保证了操作人员免受放射线的照射。工作时由稀释泵将高浓度碘-131液体稀释, 并存放于储液瓶中。灌装时西林瓶由西林瓶驱动电机送至灌装位置定位后, 扎针电机工作将针扎入西林瓶, 再由灌装泵将定量的药液灌入西林瓶。第一瓶灌装完后, 扎针电机将针拔出西林瓶, 西林瓶移动电机将下一瓶移动到扎针位置, 准备灌装。由于要求每4min完成10瓶的分装, 故每瓶的灌装时间应小于24s。整个过程在微机操作和单片机控制下自动完成。总体设计时针对已有系统存在的问题主要解决以下关键问题:①对同位素的放射线照射采取何种防护措施, 以实现全方位防辐射屏蔽的要求。②如何对液体体积进行精确的计量以及如何自动地将液体输送至西林瓶中, 以达到每瓶分装精度为0.5%的要求。③如何保证顺利拔针插针, 即保证针头能顺利地扎进及拔出西林瓶盖的胶塞、拔针时保证针与瓶塞的摩擦力不带起西林瓶、针头在西林瓶盖上扎针位置的准确。④如何将定量的高浓度碘-131液体和生理盐水混合, 自动稀释到规定的浓度。⑤如何对碘-131液体稀释和分装的全过程实行全自动的生产过程管理。

为解决以上关键技术, 构思设计的总体原理方案如图 2所示, 机械系统与控制系统紧密结合, 通过计算机和单片机二级控制来管理整个生产过程, 从而组成分装机的机械系统和控制系统。机械系统又包括扎针系统、西林瓶移动系统和液体输送系统。控制系统包括电路部分和软件部分^[1-4]。

根据其工作过程和生产率要求设计的工作循环图如图 3。

2 防护及计量

工作时要求对分装操作进行远距离控制, 因此, 计算机和分装系统分别位于控制室和铅室, 两者相距10m左右, 使用电缆线进行信号传输。为了全方位防辐射, 将高浓度碘-131原液和分装系统放置在铅室内, 铅室是四周都用40mm厚的铅板专门修建的一个小房间。铅室的前壁上设有一个观察窗, 观察窗采用40mm厚的铅玻璃来防护。为便于提供稀释用的生理盐水, 我们将生理盐水瓶放置在铅室外, 以及输送生理盐水的蠕动泵和直流电机都放置在铅室外。但输送高浓度碘-131液体的蠕动泵和直流电机放置在铅室内。

计算机向单片机发出控制指令, 单片机驱动两台直流电机转动, 带动两台蠕动泵运转, 分别将定量的生理盐水和高浓度碘-131液体输入储液瓶中混合。然后再用同位素活度检测仪自动检测稀释后液体的活度, 以确保稀释液体达到规定的浓度。

3 扎针系统

扎针系统由扎针电机来驱动, 经同步带带动扎针丝杆转动, 实现扎针动作。在此过程中, 利用行程开关实现扎针的深度和西林瓶有无的检测, 其结构原理图如图 4所示。

扎针导轨保证针头的上下直线移动, 使针头在扎入和拔出西林瓶盖的胶塞时, 上滑块不产生轨迹偏斜, 保证了上滑块及针头直线运动的准确性和可靠性。

在扎针和拔针时, 上滑块和“下滑块”之间用两根弹簧连接, 并将下滑块与西林瓶压紧头(即压紧轴套)固结, 利用压紧头压住瓶盖, 靠上下滑块间压缩的弹簧力压紧瓶盖, 然后再进行扎针和拔针。这样就能确保扎针、拔针动作的顺利进行, 从而解决了拔针时西林瓶被针带起来的问题。在弹黄中心设计两根圆柱状的压紧头导轨(即圆柱导轨), 将之固结在下滑块上并同时穿过弹簧中心和上滑块的圆孔, 确保上、下滑块在铅锤方向上始终是直线运动, 从而保证了针头在西林瓶上扎针位置的准确性。

在扎针时, 通过在上滑块的相应位置安装的一个“检测有无西林瓶行程开关”来检测针头下西林瓶是否存在, 确保西林瓶已定位于西林瓶压紧头下。当下滑块碰到西林瓶时, 固结在下滑块上的圆柱导轨顶部就会触到“检测有无西林瓶行程开关”, 此时行程开关发出电控信号, 说明针头下有西林瓶存在。若在针头下行过程中, 检测瓶开关始终没有发出信号, 则说明针头下没有西林瓶存在, 系统则不启动灌装泵。

在扎针过程中, 为防止灌装针向下运动过头而损害针头, 设计一个“下极限行程开关”。上滑块向下运动, 当触到下极限行程开关时, 下极限行程开关发出电控信号, 扎针交流电机便停止转动。“上极限行程开关”用于对扎针系统的整体向上运动进行限位, 防止扎针系统向上运动过头而损害设备。扎针部件结构如图 5所示。

4 稀释系统

稀释系统由稀释部分和液体输送部分组成, 液体稀释系统需要将定量的高浓度碘-131液体与定量的生理盐水混合, 以达到规定的稀释浓度; 液体灌装系统需要将稀释好的碘-131液体按要求的计量精确注入西林瓶。液体输送系统包括稀释液体的输送(即液体稀释系统)和分装液体的输送(即液体灌装系统), 实现全自动的生产过程管理其结构原理如图 6所示。

液体稀释系统采用经电机驱动的蠕动泵分别将定量的生理盐水和高浓度碘-131液体输入储液瓶中混合。每次输送的液体体积由单片机控制步进电机转数和蠕动泵的流量自动换算而得, 实现了分装液体的精确计量, 并防止受到污染然。

为保证液体在蠕动泵的驱动下, 能顺利灌入西林瓶中, 液体灌入西林瓶的结构采用两个针头插入西林瓶, 一个针头用来输送液体(灌装针), 另一个针头用来消除西林瓶内外的压力差(排气针), 从而保持西林瓶内、外的气压始终一致, 同时保证碘-131液体的精确计量。如图箭头所示。

5 控制部分

同位素液体自动稀释分装系统的控制部分采用计算机和单片机二级控制的方式。其中, 计算机承担系统管理、数据处理和人机接口功能; 单片机承担动作控制任务, 并且具有独立的按键手动控制功能。控制系统的设计实现了全自动的生产过程管理。控制原理如图 6所示。

6 总结

该设计实现了放射性同位素的自动稀释分装, 解决了传统手工稀释和其他同类产品中存在的问题, 其自动化程度和性能都能很好地满足放射性同位素稀释分装的要求。在实际应用中成功用于液体的稀释分装, 满足了全部的设计要求, 该设备的应用保护了作业人员免受高强度放射源的辐射伤害, 达到了国家辐射防护规定和环保的要求, 具有很高的社会效益。