放射性碘-131化鈉溶液稀釋裝置研制

李楊 陳林 黃勇 曾松柏 雷嗣煩

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)碘Na131I口服溶液的批量化生產(chǎn)都是采用高濃度的Na131I溶液進(jìn)行稀釋后獲得，還沒(méi)有安全性、穩(wěn)定性和高效性均能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的自動(dòng)化稀釋裝置。因操作必須在密封鉛屏蔽熱室內(nèi)進(jìn)行，為了提高稀釋生產(chǎn)的效率，本文設(shè)計(jì)了一種用于Na131I原料液稀釋的全自動(dòng)裝置。該裝置采用人機(jī)界面和PLC控制箱實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，以步進(jìn)電機(jī)、高精度蠕動(dòng)泵等功能部件為執(zhí)行元件，可順利完成Na131I原料液稀釋的各工藝步驟。經(jīng)測(cè)試，本裝置能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，極大地提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整可滿足其他核素的生產(chǎn)使用，具備實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)的能力，更加適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：Na131I原料液;自動(dòng)化;稀釋裝置;控制

Abstract： At present， the domestic batch production of sodium iodide 131I oral solution is obtained by diluting high-concentration iodine Na131I sodium solution. There is no automatic dilution device with safety， stability and efficiency that can meet the actual production needs. Because the operation must be carried out in a sealed lead shielded hot cell， in order to improve the efficiency of dilution production， this paper designs an automatic device for the dilution of Na131I raw material liquid. The device uses a human-machine interface and PLC to realize remote control， and uses functional components such as stepping motors and high-precision peristaltic pumps as executive components to successfully complete the process steps of Na131I raw material liquid dilution. After many batches of tests， this device can realize automatic control， while ensuring stability， greatly improving production efficiency， and more suitable for the needs of modern production.

Key Words： Na131I raw material liquid; Automatic; Dilution device; Control

目前在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用放射性131I核素進(jìn)行甲狀腺疾病的診斷和治療基本成為了國(guó)內(nèi)外首選的方法[1-3]。對(duì)于131I藥物的生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，其取得的原料基本都是高比活度的Na131I溶液（以下簡(jiǎn)稱“原料液”，一般比活度為1～6Ci/mL，每瓶總活度約10Ci），在生產(chǎn)使用之前需要先將高濃度的溶液進(jìn)行稀釋[4-5]，使其比活度降低到200mCi/mL以下。

131I屬于β-衰變核素，半衰期為8.023d，衰變過(guò)程中會(huì)發(fā)射β射線（99%）和γ射線（1%），β射線最大能量為0.6065 MeV，主要γ射線能量為0.364 MeV[6-8]。同時(shí)，131I核素還具有較強(qiáng)的揮發(fā)性和吸附性，屬于高毒性核素，在生產(chǎn)操作的過(guò)程中極易產(chǎn)生含131I的放射性氣溶膠，其一旦泄漏，極易對(duì)外環(huán)境造成污染[9]，還會(huì)對(duì)操作人員和公眾造成內(nèi)照射和外照射[10]。

為了保證生產(chǎn)過(guò)程的安全，防止131I泄漏，對(duì)涉及Na131I產(chǎn)品的生產(chǎn)基本都是在帶負(fù)壓的密封屏蔽熱室內(nèi)進(jìn)行，其單瓶原料液的稀釋操作過(guò)程大體如下：

（1）將裝有原料液的管制抗生素玻璃瓶（以下簡(jiǎn)稱“料液瓶”）放置于工作臺(tái)上，將針頭插入料液瓶中，用蠕動(dòng)泵[5]將原料液抽出;

（2）將配制好的稀釋用緩沖溶液泵入料液瓶中，然后拔出針頭;

（3）將料液瓶不停翻轉(zhuǎn)或搖晃以對(duì)其進(jìn)行清洗，之后再重新插入針頭，將其中的溶液抽出;

（4）重復(fù)步驟（2）和（3）直至料液瓶中殘留的活度盡量低。

而對(duì)于較大批量的Na131I產(chǎn)品生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，通常一次需要稀釋的原料液約為8～20瓶。

1 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，在熱室內(nèi)進(jìn)行Na131I原料液稀釋生產(chǎn)的操作方式多為手動(dòng)或半自動(dòng)，這樣的生產(chǎn)方式不僅總體耗時(shí)非常久，而且在操作過(guò)程中還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）整個(gè)過(guò)程中需要多次進(jìn)行針頭的插拔和蠕動(dòng)泵直流電機(jī)的正負(fù)極切換，操作極其煩瑣;

（2）稀釋過(guò)程中的很多關(guān)鍵步驟都需要人工操作，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度要求很高，出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)較大;

（3）料液瓶保護(hù)措施不完善，存在破碎的風(fēng)險(xiǎn);

（4）料液瓶的橡膠塞經(jīng)過(guò)大劑量的輻照后非常容易老化，在針頭插拔時(shí)會(huì)因?yàn)榭刂撇粔蚓珳?zhǔn)而使得其每次扎的位置不同，極易使橡膠塞產(chǎn)生碎屑，碎屑掉入溶液中會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響;

（5）對(duì)溶液進(jìn)行抽取時(shí)，可能因?yàn)椴僮鞑坏轿欢鴮?dǎo)致料液瓶中的殘留量過(guò)多，既造成了原料的浪費(fèi)，又增加了放射性廢物。

針對(duì)上述情況，也有一些廠家設(shè)計(jì)出了自動(dòng)化程度較高的稀釋裝置[11]。這些裝置大體可分為兩類。

一類是只適用于小批量、低比活度Na131I溶液二次稀釋的裝置，一般用在醫(yī)院給病人服用Na131I產(chǎn)品前的稀釋操作中[12]。

這類裝置通常自動(dòng)化程度較高，在冷實(shí)驗(yàn)或者低劑量場(chǎng)下運(yùn)行時(shí)效果很好，但是一旦安裝到劑量較高的熱室內(nèi)運(yùn)行就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題。其原因主要是因?yàn)樵趶?qiáng)劑量場(chǎng)下，電離輻射對(duì)電氣元件的穩(wěn)定性和使用壽命均有較大程度的影響，從而導(dǎo)致裝置運(yùn)行不穩(wěn)定或無(wú)法使用。

另一類就是可用于大批量、高比活度Na131I溶液的稀釋裝置，也就是本文設(shè)計(jì)的這一類裝置。

對(duì)于這第二類裝置，根據(jù)目前的調(diào)研結(jié)果顯示，其雖然在實(shí)際生產(chǎn)中有一些應(yīng)用，但仍然存在以下幾個(gè)方面的缺陷：

（1）無(wú)法做到全流程的自動(dòng)化運(yùn)行，仍然需要人工輔助操作;

（2）對(duì)稀釋操作過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)考慮不夠全面，安全性和可靠性得不到有效保障;

（3）對(duì)料液瓶的清洗不到位，且無(wú)法將料液瓶中的液體抽取干凈，導(dǎo)致放射性原料的浪費(fèi)和放射性廢物的增加;

（4）裝置整體尺寸通常較大，占用熱室空間。

因此，目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有安全性、穩(wěn)定性和高效性等方面均能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的高濃度Na131I原料液自動(dòng)稀釋裝置。

2 裝置總體設(shè)計(jì)方案

本公司作為國(guó)內(nèi)最大的放射性藥品生產(chǎn)商之一，結(jié)合多年生產(chǎn)Na131I相關(guān)產(chǎn)品的豐富經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)不斷地試驗(yàn)和改進(jìn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一種非常適用于Na131I原料液稀釋生產(chǎn)的自動(dòng)化裝置。

裝置分為主機(jī)、PLC控制箱[13-14]和外置控制器3個(gè)部分。主機(jī)部分安裝于鉛屏蔽熱室內(nèi)，PLC控制箱安裝于熱室下方，在熱室外采用人機(jī)界面控制器進(jìn)行設(shè)置和操作，PLC模塊控制主機(jī)的各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)控制器發(fā)出的各項(xiàng)指令。裝置主機(jī)部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)[7]如圖1所示。

生產(chǎn)前，用機(jī)械手[15]將硅膠管套件安裝好，套件進(jìn)液端接入緩沖液，出液端接入產(chǎn)品瓶。生產(chǎn)時(shí)，由操作人員在熱室外通過(guò)控制端設(shè)定好運(yùn)行參數(shù)并點(diǎn)擊運(yùn)行，其余操作過(guò)程全部由裝置自動(dòng)完成。設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)可以保存在內(nèi)存中，之后在同樣操作條件下無(wú)需再次設(shè)定。在整個(gè)稀釋操作的過(guò)程中，操作人員只需要用機(jī)械手將裝有Na131I原料的料液瓶放置到升降底座13上面，并在稀釋完成后將空的料液瓶取下丟入固廢收集桶內(nèi)即可。

裝置對(duì)單瓶料液的稀釋工序流程如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)目前生產(chǎn)過(guò)程中的不足和現(xiàn)在裝置存在的各種缺陷，本裝置在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決以下2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

（1）扎針與沖洗：要保證扎針過(guò)程的精準(zhǔn)，并可實(shí)現(xiàn)料液瓶自動(dòng)清洗，還要在保證料液瓶安全的同時(shí)，減少瓶中放射性液體殘留。

（2）控制系統(tǒng)：使用簡(jiǎn)單易操作的軟件控制裝置的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)稀釋操作過(guò)程全自動(dòng)，減少人工干預(yù)，提高工作效率。

2.1 扎針機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)沖洗部件

為了保證扎針過(guò)程的精準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)料液瓶自動(dòng)清洗，本裝置在設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn)，確定了最終的扎針機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)沖洗部件，并將料液瓶夾頭與旋轉(zhuǎn)沖洗部件設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)，再配合特制的氣動(dòng)升降底座，即可以最少的工序、最小的裝置尺寸實(shí)現(xiàn)裝置的核心功能。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

扎針機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其行程是固定的，為了保證扎針過(guò)程中，針頭既不會(huì)把料液瓶扎破，還能將料液瓶的溶液最大程度地抽取干凈，針頭的長(zhǎng)度是根據(jù)產(chǎn)品瓶的大小而專門(mén)定制的。同時(shí)，放置料液瓶的底座也進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，當(dāng)料液瓶放入后會(huì)根據(jù)設(shè)定自動(dòng)傾斜一個(gè)小角度，當(dāng)針頭插入后，針尖可以到達(dá)料液瓶最底部的邊緣位置，從而可以將瓶中的液體抽取得更加干凈。

為了防止誤操作，裝置在料液瓶底座上設(shè)置有感應(yīng)器，只有當(dāng)感應(yīng)到料液瓶正確放置時(shí)才會(huì)將信號(hào)反饋至控制單元以執(zhí)行操作，如果未檢測(cè)到料液瓶或者料液瓶放置不到位則不會(huì)反饋信號(hào)，確保不會(huì)發(fā)生空扎針或者扎針錯(cuò)位等情況。

在完成料液瓶中的原料液抽取后，瓶中依然會(huì)有極少量的原料液殘留或吸附于料液瓶?jī)?nèi)壁。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，單次抽取后料液瓶中殘留的放射性總活度基本都在500 mCi以上。為了減少放射性原料的浪費(fèi)和放射性廢物的產(chǎn)生，還必須用緩沖液對(duì)料液瓶進(jìn)行反復(fù)的清洗。為實(shí)現(xiàn)對(duì)料液瓶的自動(dòng)清洗，裝置將料液瓶夾頭與旋轉(zhuǎn)沖洗部件設(shè)計(jì)成了一體式結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采用氣動(dòng)控制，可以翻轉(zhuǎn)180°，翻轉(zhuǎn)的次數(shù)可以根據(jù)情況在控制端進(jìn)行設(shè)定。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，一般只需沖洗3次使料液瓶殘留的放射性總活度即可降至15mCi以下，這些殘留的放射性物質(zhì)基本都是吸附于料液瓶的橡膠塞上，幾乎不可能再進(jìn)一步地洗脫。

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)主機(jī)各個(gè)部件的功能需求，裝置設(shè)計(jì)了專門(mén)的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)由控制軟件、PLC控制箱及帶觸摸屏的人機(jī)控制端[16]組成。控制軟件集成在PLC中，PLC控制箱安裝于熱室下方，以避免受到電離輻射影響，人機(jī)控制端則位于熱室前的操作臺(tái)上，操作人員可以在熱室外通過(guò)控制端設(shè)置裝置的運(yùn)行參數(shù)并控制主機(jī)的運(yùn)行。

2.2.1 軟件控制原理

控制箱中的PLC接收人機(jī)控制端發(fā)出的指令并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)由屏蔽信號(hào)線將信號(hào)傳輸給主機(jī)的各功能部件。各功能部件接收PLC控制箱傳輸?shù)男盘?hào)，并根據(jù)信號(hào)完成指定的動(dòng)作，同時(shí)將反饋信號(hào)回傳至PLC控制箱。軟件控制的原理如圖4所示。

2.2.2 軟件控制端功能

人機(jī)控制端位于熱室外操作臺(tái)處，采用人機(jī)交互界面系統(tǒng)，其功能主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成，如圖5所示。

在原料液參數(shù)界面中，可以對(duì)原料液的體積和總活度進(jìn)行設(shè)定，因?yàn)樵蟻?lái)源是固定的，所以該界面的參數(shù)一經(jīng)設(shè)定后基本不會(huì)進(jìn)行更改。

全自動(dòng)運(yùn)行界面中，可以設(shè)定默認(rèn)清洗料液瓶的次數(shù)、每次添加緩沖液的體積、旋轉(zhuǎn)沖洗的次數(shù)以及各工序之間的等待時(shí)長(zhǎng)等。

手動(dòng)運(yùn)行界面用來(lái)手動(dòng)控制稀釋工序，每一道工序在執(zhí)行前都需要由操作人員設(shè)定好參數(shù)并確認(rèn)后才會(huì)繼續(xù)，一般只有在特殊情況下才會(huì)使用。此外，手動(dòng)運(yùn)行與自動(dòng)運(yùn)行之間也可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行切換。

故障報(bào)警界面用來(lái)收集系統(tǒng)反饋的故障信號(hào)，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)立即停止目前正在執(zhí)行的工序，需要操作人員解除故障之后才能繼續(xù)運(yùn)行。

急停和啟動(dòng)用來(lái)對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，當(dāng)在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生緊急情況時(shí)，操作人員可以通過(guò)急停按鈕終止裝置的運(yùn)行，緊急情況解除后可再次啟動(dòng)裝置。

3 結(jié)論

在該裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中，本公司組織了經(jīng)驗(yàn)豐富的一線人員及設(shè)計(jì)人員與加工單位之間就設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次的討論和修改，其原型機(jī)也在我公司的Na131I生產(chǎn)線熱室中進(jìn)行了為期3個(gè)月的試運(yùn)行，其運(yùn)行情況良好，各功能部件均未出現(xiàn)故障，完全能夠滿足大批量、高比活度Na131I產(chǎn)品的稀釋生產(chǎn)。

目前，該裝置的成品已在我公司的新生產(chǎn)線中完成了安裝調(diào)試，并投入正式使用。其主機(jī)及控制器的最終實(shí)物詳見(jiàn)圖6。

該裝置有效地解決了目前主流的生產(chǎn)方式和市面上現(xiàn)有的稀釋裝置存在的各種問(wèn)題，具有下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）可以實(shí)現(xiàn)稀釋全過(guò)程的自動(dòng)化控制，生產(chǎn)效率提高了3倍以上，同時(shí)減少了人工干預(yù)，降低了出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn);

（2）考慮了稀釋過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)情況，并設(shè)計(jì)有相應(yīng)的針對(duì)措施，可有效保證料液瓶不會(huì)破碎，安全可靠;

（3）稀釋過(guò)程中可以自動(dòng)對(duì)料液瓶進(jìn)行多次沖洗，經(jīng)驗(yàn)證，稀釋完成后的料液瓶中殘留液體少于0.1mL，殘留活度不超過(guò)15mCi，極大地提高了放射性原料的利用率，減少了放射性廢物的產(chǎn)生;

（4）稀釋全過(guò)程中，Na131I原料液均處于密封狀態(tài)，極大地減少了131I核素的揮發(fā)，有效控制了放射性氣溶膠的產(chǎn)生;

（5）裝置主機(jī)非常小巧，整體外形尺寸僅為257 mm（L）×230 mm（W）×520 mm（H），非常適合在屏蔽熱室內(nèi)安裝使用;

（6）熱室內(nèi)的主機(jī)中僅設(shè)計(jì)有氣動(dòng)部件和直流電機(jī)，而PLC控制箱和人機(jī)控制端則安裝于熱室外，有效地杜絕了電離輻射對(duì)裝置穩(wěn)定性和使用壽命的影響;

（7）裝置軟件功能完善，人機(jī)界面簡(jiǎn)潔直觀，操作簡(jiǎn)單方便;

（8）本裝置可在觸控模塊內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整滿足其他核素的生產(chǎn)使用，且可與其他自動(dòng)化設(shè)備關(guān)聯(lián)使用，具備實(shí)現(xiàn)整條生產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)的能力。

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