XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀屏蔽門部件的設計

李建國，馮德進

XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀屏蔽門部件的設計

李建國，馮德進

目的：對XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設備屏蔽門及其部件進行設計，以期使設備運行平穩(wěn)，安全可靠，故障率小。方法：比較屏蔽門1扇門式設計、窗簾式設計、左右2扇門垂直式旋轉(zhuǎn)設計、上下2扇門水平旋轉(zhuǎn)式設計等幾種開門方式及其部件設計的優(yōu)劣，選擇最合適的屏蔽門及其部件設計方案。結(jié)果：選用上下2扇門水平式旋轉(zhuǎn)設計，該設計總體布局緊湊，與治療床的連接易于實現(xiàn)，傳動機構(gòu)簡單。結(jié)論：合理的屏蔽門運行方式及部件設計，可保證伽馬刀設計、安裝和調(diào)試各個環(huán)節(jié)的科學、安全、可靠。

屏蔽門；伽馬刀；伽馬線

0 引言

XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設備是我國自主研制開發(fā)的高端醫(yī)療產(chǎn)品。自從第一臺伽馬刀發(fā)明以來，已配備在國內(nèi)100多家醫(yī)院使用，為千萬人解除了痛苦[1]。該設備在進行醫(yī)療器械注冊證取證前經(jīng)過了反復的設計[2]，下面對XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設備屏蔽門部件的改型設計進行總結(jié)。

1 設備原理

治療時，XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀屏蔽門的作用是上門扇和下門扇同時打開，以便移動床面上的定位支架進入射源體內(nèi)。非治療時，將鈷-60伽馬線屏蔽，保證治療室內(nèi)所有地方的雜散漏射量符合有關(guān)技術(shù)標準[3-4]。OUR-XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀如圖1所示。

圖1 OUR-XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀

2 門部件的設計

基于核物理防護，門的外框需要400 mm厚的鑄鐵塊圍成。由于不再設計單獨的外罩殼，因此，伽馬刀的外觀有很大一部分需要通過屏蔽門的外觀設計而獲得。在滿足屏蔽厚度的前提下，為了減輕主機的質(zhì)量，壁厚應盡量設計為均勻400 mm，還有就是應盡量設計成一體，這樣可減少因組合面而造成射線從貼合面中漏出。主要貼合面需要設計成階梯面，這樣可以通過階梯面將漏出的射線屏蔽。伽馬刀設備安裝有鈷-60放射源，整個屏蔽門機構(gòu)不允許出現(xiàn)重大故障，否則無法修復?；谶@些特點，設計中需要解決下列問題：

（1）開門的方式?？稍O計成閘門方式；可設計成左右對開，也可設計成上下2扇門水平旋轉(zhuǎn)或者左右2扇門垂直旋轉(zhuǎn)。而一旦確定了開門方案，其傳動系統(tǒng)才能確定。

（2）門框的設計。如果四周的門框由多個大鑄件組合而成，設計時必須考慮到每個貼合面均由階梯面構(gòu)成，還需要考慮外形的設計，這樣設計會很復雜。如果門框由很少的鑄件構(gòu)成，每個構(gòu)件是很厚的鑄鐵件，鑄造和加工會比較困難。再者，其外形輪廓是由一個立體曲面構(gòu)成，如何設計和加工，這也是個難題。

（3）手動開關(guān)門機構(gòu)。屏蔽門開關(guān)門機構(gòu)要求幾十年運行不損壞，考慮到設備故障，有時需要手工關(guān)閉屏蔽門，因此，需要設計手動開門或關(guān)門機構(gòu)。該機構(gòu)應放在易于操作的位置。由于在屏蔽門打開時有很大的輻射量，因此，手動機構(gòu)應設在安全的位置。

2.1 屏蔽門開門方式的設計

2.1.1 1扇門式設計

設計成1扇門，在門下面挖一個地坑。開門時，這扇門垂直地下降，整扇門上的平面有2排導軌，門下降到位后，導軌面和治療床的導軌面銜接，保證移動床面能夠通過2段導軌順利地進入射源體內(nèi)。根據(jù)定位支架的設計尺寸要求，門框的開口尺寸要求寬670 mm、高560 mm，門的寬度和高度至少為750和650 mm。根據(jù)核物理工程師的計算，屏蔽門的厚度需為400 mm，這樣門的質(zhì)量為 G=0.750×0.650×0.400×7.0= 1.365 t。關(guān)閉屏蔽門時，需要將質(zhì)量為1.365 t的屏蔽門往上提升，如果沒有采用配重，電動機功率將很大，這不可取。如果采用配重，則屏蔽門部件設計需要考慮配重位置和空間，整個外形設計、傳動設計、手動機構(gòu)安排、現(xiàn)場的安裝和調(diào)試等都是問題。另外，治療床和屏蔽門的連接位置和方式等也是問題。最終放棄該方案。

2.1.2 窗簾式設計

屏蔽門設計成窗簾式，左右對開或關(guān)閉。2扇門中間采用階梯齒閉合，防止伽馬線從門中間貼合面的門縫漏出，每扇門高560 mm、寬350 mm、厚400 mm，下面固定有承重的導軌，上面安裝有絲杠，分別通過聯(lián)軸器和一邊的換向齒輪連接到一個電動機。電動機運行時，左右絲杠同時旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)方向一邊為順時針，另一邊則為逆時針，通過絲杠副上的螺母帶動左右2扇門開啟和關(guān)閉。

優(yōu)點：由于采用專用的導軌，傳動載荷??；采用的電動機功率小，傳動簡單可靠，易于控制；手動機構(gòu)可設計在屏蔽門的側(cè)面，易于醫(yī)生緊急時操作且在相對輻射小的位置；易于和治療床進行連接。

缺點：由于左右2扇門打開時需要往外延伸，并留有往外延伸的導軌，這樣屏蔽門的寬度大，外形設計難，總體結(jié)構(gòu)不緊湊；運輸中，2扇門不易固定，可能需要現(xiàn)場安裝，工作量比較大。經(jīng)過總體考慮，最終放棄該方案。

2.1.3 左右2扇門垂直旋轉(zhuǎn)式設計

屏蔽門設計成左右2扇門垂直旋轉(zhuǎn)式，整個門框分別由左屏蔽體、右屏蔽體、頂梁和底座通過螺栓連接而成，各連接面設計成階梯形狀，用于防止射線漏出，門洞左右兩邊分別有2扇屏蔽門（如圖2所示）。其中，2扇門分別由半個圓柱體加上門沿連接而成。2個門沿的結(jié)合面通過齒狀相互結(jié)合，從而減少射線從結(jié)合面中漏出。每扇門下面安裝有一個平面軸承，支撐質(zhì)量接近1 t的門扇。當開始治療時，左門扇逆時針旋轉(zhuǎn)90°，右門扇順時針同步旋轉(zhuǎn)90°，從而開啟一個治療的空間。治療結(jié)束后，移動床面完全退出屏蔽門到達治療床的電氣原點處，屏蔽門各自按照相反的方向轉(zhuǎn)動90°，而將伽馬線屏蔽在腔內(nèi)。屏蔽體的階梯圓孔將與射源體的階梯凸出圓柱體裝配而成，防止伽馬線從結(jié)合面縫隙中漏出。

圖2 左右2扇門垂直旋轉(zhuǎn)式設計示意圖

優(yōu)點：總體布局緊湊；外形易于按照效果圖進行設計；與治療床的連接易于實現(xiàn)；左右2扇門設計巧妙，運行時安全可靠；傳動機構(gòu)簡單。

缺點：根據(jù)該布局，傳動機構(gòu)安裝在頂梁上，這樣手動機構(gòu)的位置在上，無法滿足操作方便的要求。如果將手動機構(gòu)引到側(cè)面，則該機構(gòu)暴露在外，影響外觀。

2.1.4 上下2扇門水平旋轉(zhuǎn)式設計

上下2扇門水平地相互旋轉(zhuǎn)，分別由半個圓柱體加上門沿連接而成，2個門沿的結(jié)合面通過齒狀相互結(jié)合，從而減少射線從結(jié)合面中漏出。與2.1.3方案的不同是：將其設計成水平方向，當開始治療時，上門扇逆時針旋轉(zhuǎn)90°，下門扇順時針同步旋轉(zhuǎn)90°，從而開啟一個治療的空間。治療結(jié)束后，移動床面完全退出屏蔽門到達治療床的電氣原點處，屏蔽門各自按照相反的方向轉(zhuǎn)動90°，而將伽馬線屏蔽在腔內(nèi)[5]。

優(yōu)點：總體布局緊湊；外形易于按照效果圖進行設計；與治療床的連接易于實現(xiàn)；上下2扇門設計巧妙，運行時安全可靠；傳動機構(gòu)簡單；手動機構(gòu)易于安裝在左右兩側(cè)，方便醫(yī)生在緊急情況下手動關(guān)門。

最后，通過專家評審選用該方案（如圖3所示）。

圖3 上下2扇門水平旋轉(zhuǎn)式設計示意圖

2.2 門框的組合設計

由于門框需要屏蔽伽馬線，門框和屏蔽體的外屏蔽球最好能成一體，防止伽馬線從結(jié)合面中漏出，因此，設計結(jié)合面通過階梯圓和階梯凸出圓柱裝配而成，且盡量設計成較少的實體組成屏蔽框，而每個大實體又能保證具有較好的鑄造性能、加工性能且方便安裝。

經(jīng)過仔細研究，采用前后2塊實體構(gòu)成屏蔽門的門框結(jié)構(gòu)（如圖4所示），改變了前面樣機由前、后、左、右4塊實體構(gòu)成的復雜加工實體和復雜裝配工藝。每扇門左右各由2個鉸接觸球軸承支撐，左邊側(cè)面一邊安裝有蝸輪減速器，中間連接一個自行設計的T型箱，上邊連接一個電動機并自帶減速器，側(cè)面連接手柄，整個結(jié)構(gòu)簡單清晰。其中，2扇門上下各裝有一對大齒輪，保證其能夠同步朝相反方向旋轉(zhuǎn)。

圖4 屏蔽門結(jié)構(gòu)示意圖

圖4中的曲線體是個三維的曲線，是根據(jù)美工的外形效果圖進行的三維設計。由于當時AUTOCAD軟件還沒有很強的三維設計功能，為此，采用了PROE三維設計軟件進行實體設計，很好地解決了該問題。

2.3 手動機構(gòu)的設計

采用該方案使得手動機構(gòu)設計相當容易解決，沒有影響到外形。手動機構(gòu)在輻射較小的位置，操作方便，只需在蓋子一角輕輕一壓，整個蓋子即可取下，將手柄把手放平，即可搖動把手快速關(guān)閉屏蔽門。

3 整個部件的運行可靠性評估

由于是放射性設備，萬一門框里面機械出問題，需要將鈷源取出后才能修理，因此，該屏蔽門的可靠性應按長期運行不出現(xiàn)故障來設計。因為上下門扇采用的軸承型號相對2個門扇的載荷來說綽綽有余，上下齒輪同樣如此，因此，2扇門長期開啟和關(guān)閉的可靠性沒有問題。傳動機構(gòu)的可靠性也相當高，即便電動機壞了，也容易進行修理和更換。

4 實際應用效果

經(jīng)過一段時間的試驗，XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設備的屏蔽門治療時運行平穩(wěn)、安全可靠、故障率低；非治療時，屏蔽鈷-60伽馬線可保證表面漏射線劑量最大不超過50 μSv/h，低于我國醫(yī)用伽馬線機頭漏射線劑量限值（100 μSv/h）。治療室內(nèi)所有地方的雜散漏射量符合有關(guān)技術(shù)標準[6-8]。

5 結(jié)語

XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀治療設備是一種放射性外科治療儀器，所用核素鈷-60平均能量為1.25MeV，屏蔽門是其主機的重要部分。屏蔽門結(jié)構(gòu)看似簡單，但設計中需要充分考慮患者、醫(yī)生的人身安全。通過合理的設計處理，伽馬刀的設計、制造、安裝和調(diào)試各個環(huán)節(jié)科學、安全、可靠，最后批量生產(chǎn)，進入臨床治療，并取得了美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準，從而形成了領(lǐng)先世界的伽馬刀新興產(chǎn)業(yè)[9-10]。

[1]朱國力，張曉光.旋轉(zhuǎn)式頭部伽馬刀控制系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療器械雜志，2001，25（2）：75.

[2]李建國，馮德進.XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀治療床的設計、調(diào)試和改進[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（2）：163-164.

[3]GB W3—1980 醫(yī)用遠距治療線機衛(wèi)生防護標準[S].

[4]李星洪，孫建永.伽馬治療刀的輻射屏蔽設計計算[J].核醫(yī)學與工程，1998（2）：21-22.

[5]張欽富，姚仲甫，楊均芳.伽馬刀放射防護監(jiān)測與評價[J].中國輻射衛(wèi)生，1999（1）：12-13.

[6]金建鶴，方明明.直線加速器治療室電動屏蔽門自動開門故障的檢修[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27（10）：45.

[7]雷續(xù)虎，呂文紅，衛(wèi)偉.SGS-Ⅰ型超級伽馬刀故障維修3例[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（6）：163-164.

[8]王建坤.伽馬刀治療床驅(qū)動部分改進[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2002，23（4）：6-7.

[9]朱紅兵，汪東仿.LGK-464型伽馬刀自動控制原理[J].中國醫(yī)療器械雜志，1999（4）：9.

[10]梁愛軍，黃埔新.瑞典醫(yī)科達B型伽馬刀故障維修一例[J].臨床放射學雜志，2001（4）：2-3.

（收稿：2014-03-19 修回：2014-07-20）

Design of rotating shielding door for XGD gamma knife

LI Jian-guo1,FENG De-jin2
(1.Center for Tumor Diagnosis and Treatment,Navy General Hospital,Beijing 100048,China; 2.CMS Concord Medical Group Co.,LTD.,Shenzhen 518048,Guangdong Province,China)

ObjectiveTo design a rotating shielding door for XGD gamma knife to gain high stability,reliability and low failure rate.MethodsOptimal door structure and components were determined by comparing several schemes,involving one-piece structure,curtain-type structure,horizontal-rotating structure with left and right parts,and horizontal-rotating structure with upper and lower parts.ResultsHorizontal-rotating structure with left and right parts was chosen for compact layout,simple drive mechanism and easy interface with therapy bed.ConclusionReasonable structure and components of shielding door make gamma knife designed,installed and tested properly.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：50-52]

shielding door;gamma knife;gamma rays

R318.6；TH777

A

1003-8868（2015）03-0050-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.050

李建國（1967—），男，工程師，主要從事放療物理及質(zhì)量控制方面的研究工作，E-mail：13671133301@126.com。

100048北京，海軍總醫(yī)院腫瘤診療中心（李建國）；518048廣東深圳，CMS泰和誠醫(yī)療集團有限公司（馮德進）