正電子放射性藥物自動分裝注射系統(tǒng)的設(shè)計與測試

郭 寧，王 瞳，霍 力，李 方，劉黎潔，李 軼，巴建濤

1中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科核醫(yī)學(xué)分子靶向診療北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100730 2首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京同仁醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，北京 100730

正電子發(fā)射斷層成像(positron emission tomography，PET)因其無創(chuàng)檢查與定量分析的優(yōu)越性，已逐步成為臨床惡性腫瘤檢測與惡性程度評判的重要手段，2-氟-2-脫氧-D-葡萄糖(β-2-[18F]-Fluoro-2-deoxy-D-glucose，18F-FDG)等正電子藥物作為顯像劑起到了重要的作用[1]。PET顯像在極大提高腫瘤疾病診斷特異性和準(zhǔn)確性同時，也帶來了高能核素使用量和輻射劑量大量增加的問題。目前，18F-FDG等顯像劑通常需要裸手在熱室內(nèi)分裝并使用防護(hù)套注射，操作繁瑣，效率低下。除了在分裝、轉(zhuǎn)運(yùn)、注射過程中極易因放射性衰變導(dǎo)致的注射活度誤差外，注射器內(nèi)殘留藥液問題也難以解決[2]。因注射器材防護(hù)效果差、注射操作時間長、放射防護(hù)困難，故易對工作人員健康造成潛在危害。PET藥物的分裝注射如何簡化操作流程、盡可能降低職業(yè)照射劑量，成為核醫(yī)學(xué)技術(shù)操作的難題。本研究根據(jù)輻射防護(hù)學(xué)原理，利用電控技術(shù)設(shè)計新型放射性藥物自動分裝注射系統(tǒng)，希望簡化操作流程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)活度注射，盡可能降低職業(yè)外照射。

材料和方法

自動分裝注射系統(tǒng)的材料選擇及防護(hù)要求設(shè)備屏蔽采用鎢合金作為自動分裝與注射系統(tǒng)的主體材料，對于0.5 MeV的γ射線，鎢的密度為19.3 g/cm3，點(diǎn)源γ射線減弱10倍所需的鎢屏蔽厚度為11 mm[3]。設(shè)計采用鎢合金制作，鎢合金中一般鎢的質(zhì)量含量在85%～99%，并添加有 Ni、Cu、Co、Mo、Cr 等元素組成高比重合金[4]。鎢合金硬度高，具有抗磨耐用的優(yōu)勢。根據(jù)鎢合金γ射線的屏蔽遮擋情況，在距屏蔽10 cm處測量實(shí)際劑量率，計算鎢合金屏蔽材料的衰減系數(shù)，為滿足正電子湮滅生成的能量0.511 MeV γ光子屏蔽防護(hù)要求，綜合考慮鎢合金的設(shè)計厚度。自動分裝注射設(shè)備具備全封閉的防護(hù)效果，保證柜體外表面 30 cm 處的周圍劑量當(dāng)量率不大于 25 μSv/h[5]。在注射過程中配合鉛屏蔽防護(hù)電控注射啟動，肢體無需接觸放射性藥物。

自動分裝注射系統(tǒng)功能要求系統(tǒng)為智能電動控制、帶有輻射防護(hù)功能的集放射性藥物自動分裝和自動注射功能于一體的電器設(shè)備，要求裝載放射性藥物活度1.48E+4 MBq(400 mCi)/次以上。設(shè)備應(yīng)符合人體工程學(xué)原理，牢固、體積小、便于移動的箱體結(jié)構(gòu)，具有可操作性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)。

智能化技術(shù)要求設(shè)備在自動完成程序、管路、電控裝置的質(zhì)量控制檢測后，程序控制能分步自動完成放射性原液的稀釋，患者個性化活度自動分裝和注射。注射中遇血管堵塞能自動聲光報警并暫停注射待處理。完成1例患者注射過程所需時間小于人工分裝和注射的操作時間，注射活度與處方活度的相對誤差低于3%。

自動分裝注射系統(tǒng)設(shè)計方案自動分裝注射系統(tǒng)由計算機(jī)防護(hù)箱箱體、電控機(jī)械運(yùn)動裝置、輸液管路、人機(jī)接口等組成。電器裝置及元件主要包括步進(jìn)電機(jī)、活度計、電磁閥、增加氣泡檢測器、壓力傳感器、單片機(jī)觸摸屏、打印機(jī)等功能。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計箱體內(nèi)由放置原液鎢合金罐的高活屏蔽倉和安裝活度計測量井的低活屏蔽倉構(gòu)成；電控機(jī)械運(yùn)動裝置由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)及往復(fù)執(zhí)行器加持的活度計測量井內(nèi)注射器組成，配合醫(yī)用的電控三通閥完成正電子藥物的標(biāo)定、分裝、注射。往復(fù)執(zhí)行器是系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，放置在活度計測量井內(nèi)，通過其精密絲杠帶動加持活度計測量井內(nèi)注射器活塞柄的線性位移完成，實(shí)現(xiàn)原液稀釋、注射藥物的分裝、注射任務(wù)。電控三通閥能夠?qū)崿F(xiàn)不同任務(wù)狀態(tài)下的輸液軟管多回路連接。由輸液軟管與上述組件連接構(gòu)成了放射性藥液及生理鹽水在系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)拿荛]管路。設(shè)備臺面上安裝注射三通閥和沖洗注射器支撐座，用于連接注射頭皮針和沖洗注射器；人機(jī)接口單元通過觸摸屏、報警器、打印機(jī)實(shí)現(xiàn)交互聯(lián)系。觸摸屏用于患者信息設(shè)置、藥物衰變校準(zhǔn)、機(jī)械線性位移及注射速度等參數(shù)的輸入輸出管理，設(shè)備運(yùn)行用戶可以按照提示進(jìn)行指令控制(圖1)。

自動分裝注射輸液管路系統(tǒng)設(shè)計自動分裝與注射系統(tǒng)中技術(shù)流程：(1)由生理鹽水瓶與輸液軟管、活度計測量井內(nèi)注射器及電控活度、分裝三通閥連接組成生理鹽水通路，用于稀釋原液、沖洗注射管路殘留放射性任務(wù)；(2)由原液瓶(稀釋后)、生理鹽水瓶與活度計、活度計測量井內(nèi)注射器、電控活度、分裝三通閥連接塑料管路組成放射性藥物的活度標(biāo)定、分裝通路，用于放射性藥物的分裝任務(wù)；(3)由活度計測量井內(nèi)注射器與電控活度三通閥和注射三通閥連接，并和輸液軟管、頭皮針共同組成放射性藥物的注射通路，以完成放射性藥物和生理鹽水的注射任務(wù)。

裝置各零部件的相互關(guān)系與命名見圖1。其中，為實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化，觸摸屏可實(shí)現(xiàn)對三通閥與活度計的實(shí)時控制與監(jiān)測，通過顯示屏實(shí)現(xiàn)對分裝注射系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可視化。

1：生理鹽水瓶；2：進(jìn)氣針管；3：高活屏蔽倉；4：原液屏蔽罐；5：原液瓶；6：低活屏蔽倉；7：電動往復(fù)執(zhí)行器；8：活度計測量井；9：注射針頭；10：電控分裝三通閥；11：電控活度三通閥；12：電控注射三通閥；13：沖洗注射器；14：旋轉(zhuǎn)底輪；15：梯形對板；16：橫桿；17：拉手孔槽；18：低活屏蔽推拉門；19：面板；20：高活屏蔽推拉門；21：自動控制與顯示屏；22：支撐基板；23：注射防護(hù)鉛板1：bottle of normal saline；2：air intake needle；3：high-activity shielding tank；4：stock solution shielding tank；5：bottle of stock solution；6：low-activity shielding tank；7：electric reciprocating actuator；8：measuring well of activity meter；9：injection needle；10：electronically controlled three-way valve for filling；11：electronically controlled three-way valve for activity testing；12：electronically controlled three-way valve for injection；13：flushing syringe；14：rotating bottom wheel；15：trapezoidal opposite plate；16：cross bar；17：hole slot for handling；18：sliding door of low-activity shielding；19：panel；20：sliding door of high-activity shielding；21：automatic control and display screen；22：supporting substrate；23：lead plate for injection protection圖1 自動分裝與注射系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(A)和主體設(shè)計(B)示意圖Fig 1 Schematic diagram of the internal structure(A)and the main body design(B)of the automatic dispensing and injection system

自動分裝注射系統(tǒng)操作方法設(shè)備啟動前進(jìn)行輸液管路連接，將一次性無菌輸液軟管與三通閥、活度計測量井內(nèi)注射器生理鹽水瓶等連接，安裝注射端的單向過濾膜，同時插入1根長針到原液瓶底，系統(tǒng)內(nèi)形成密閉輸液管路；設(shè)備加電，初始化系統(tǒng)完成系統(tǒng)自動質(zhì)量控制檢測，確認(rèn)設(shè)備分裝注射系統(tǒng)、活度計、觸摸屏等處于正常運(yùn)行狀態(tài)；系統(tǒng)向整個系統(tǒng)管路注滿生理鹽水；啟動放射性原藥液的稀釋程序，系統(tǒng)按要求稀釋放射性藥液完成放射性藥物濃度稀釋，準(zhǔn)備工作完成，系統(tǒng)待機(jī)。在不同的時間間隔，完成穿刺建立靜脈通路后，將頭皮針連接到注射三通閥上，系統(tǒng)按照輸入的患者體質(zhì)量或活度執(zhí)行放射性藥物的衰變計算，系統(tǒng)自動完成藥物分裝、注射并抽取生理鹽水沖洗殘留液注射。

系統(tǒng)性能指標(biāo)和防護(hù)效能測定方法對完成整體組裝的正電子放射性藥物自動分裝注射系統(tǒng)進(jìn)行模擬空白和放射性藥物分裝注射試運(yùn)行。對試運(yùn)行過程中的分裝精度、穩(wěn)定性、分裝注射時間相關(guān)性能指數(shù)進(jìn)行記錄和評價，同時檢驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行效果。防護(hù)效能的測定方法采用美國ALERT多功能射線檢測儀測量并記錄自動分裝注射設(shè)備表面輻射劑量率，測量儀已經(jīng)中國計量科學(xué)研究院檢定合格。

結(jié) 果

系統(tǒng)硬件研制結(jié)果整個系統(tǒng)方案采用AutoCAD制圖軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計，按照設(shè)計要求完成箱體與電控組件的模具開發(fā)、工藝加工、制作及整機(jī)組裝，初步轉(zhuǎn)化成果見圖2。設(shè)備外部由帶底輪和頂部推拉面板的長方形防護(hù)箱構(gòu)成，主機(jī)重量約300 kg。沿防護(hù)箱長軸并列設(shè)置高活屏蔽倉、低活屏蔽倉，分別放置原藥屏蔽罐和內(nèi)置活度計測量井；防護(hù)箱臺面設(shè)置屏蔽推拉門方便鎢合金罐的取放和活度計井內(nèi)注射器安裝，臺面邊緣安裝有計算機(jī)觸摸屏、生理鹽水袋掛架。關(guān)鍵組件電動往復(fù)執(zhí)行器的精密絲杠通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定量分裝放射性藥物(圖3)。經(jīng)過優(yōu)化布局和制作，系統(tǒng)通過電磁閥門輸液管路轉(zhuǎn)化形成回路連接放射性藥物稀釋、分裝、注射通路任務(wù)控制。

圖2 自動分裝與注射系統(tǒng)實(shí)物圖(A)及用戶觸屏界面(B)Fig 2 The picture of the automatic dispensing and injection system(A)and the touching screen interface for users(B)

圖3 電動往復(fù)執(zhí)行器Fig 3 Electric reciprocating actuator

軟件研制結(jié)果采用STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化控制以及觸屏操作，用戶界面見圖2，操作程序由設(shè)備自檢、管路注水、核藥輸入、核藥稀釋、核藥標(biāo)定、核藥輸出、系統(tǒng)設(shè)置模塊組成。設(shè)備自檢模塊能夠自動完成對控制程序的檢測、電控組件與輸液管路的安裝狀態(tài)、傳感器信號的檢驗(yàn)和初始化；管路注水模塊實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)內(nèi)通路灌注生理鹽水并執(zhí)行氣泡檢測功能；核藥輸入和稀釋模塊使系統(tǒng)按照實(shí)際要求執(zhí)行對原液的體積稀釋；核藥標(biāo)定活度控制往復(fù)執(zhí)行器上的活度計測量井內(nèi)注射器抽取推注精準(zhǔn)定量核素活度、體積；核藥輸出模塊實(shí)現(xiàn)包括患者信息輸入、記錄、存儲和執(zhí)行放射性藥物注射啟動的控制程序。信息錄入可實(shí)現(xiàn)成批信息集中錄入或單個信息錄入或臨時急診優(yōu)先，程序可順序或隨機(jī)選擇患者執(zhí)行注射。程序可按照體質(zhì)量自動衰減校準(zhǔn)后，設(shè)定注射活度或按輸入活度直接注射。實(shí)際使用中，用戶可逐步點(diǎn)擊“核藥輸入”“核藥稀釋”“核藥標(biāo)定”與“核藥輸出”鍵以實(shí)現(xiàn)質(zhì)控自檢、藥物分裝與注射功能。為增強(qiáng)該系統(tǒng)的使用范圍，在系統(tǒng)設(shè)置中拓展了核素種類與對應(yīng)的物理半衰期，也可對產(chǎn)藥時間進(jìn)行記錄，系統(tǒng)設(shè)置中實(shí)現(xiàn)了對核藥活度衰變的實(shí)時修正。該系統(tǒng)的軟件集成度高，用戶界面簡潔友好，操作便捷，結(jié)果符合設(shè)計預(yù)期。

系統(tǒng)性能指標(biāo)和防護(hù)效能測定結(jié)果試用運(yùn)行結(jié)果表明：自動分裝放射性藥物約40 s，注射時間約20 s，完成1次分裝注射時間約60 s。系統(tǒng)分裝注射穩(wěn)定性測試中，50次生理鹽水空白運(yùn)行試驗(yàn)成功率100%。分裝精度試驗(yàn)中，經(jīng)活度計比對，記錄10組相同活度370 MBq(10 mCi)經(jīng)自動分裝注射系統(tǒng)的分裝藥物注射至西林瓶內(nèi)，轉(zhuǎn)移至熱室活度計活度復(fù)核測量，進(jìn)行比對統(tǒng)計結(jié)果：注射車分裝活度與熱室校準(zhǔn)活度計的差值絕對值為3.7～11.1 MBq，分裝誤差≤3%，10組重復(fù)自動分裝注射經(jīng)熱室活度計復(fù)核對比活度值見表1。

表1 自動分裝與高活性實(shí)驗(yàn)室活度對比結(jié)果(絕對偏差基于熱室活度計復(fù)核活度)Table 1 Comparison of activity in automatic dispensing system and high-activity laboratory(the absolute deviation is based on the activity checked in activity meter of high-activity laboratory)

經(jīng)輻射防護(hù)最優(yōu)化設(shè)計與考慮，注射系統(tǒng)箱體屏蔽40 mmPb，臺面屏蔽60 mmPb，醫(yī)患箱體邊緣隔離防護(hù)屏蔽15 mmPb。內(nèi)置鎢合金原液罐50 mmPb。將1.517E+4 MBq(410 mCi)18F-FDG溶液放置于高活屏蔽倉鉛罐內(nèi)，設(shè)備通電前距設(shè)備30 cm處測得(扣除本底后)前側(cè)操作位、左側(cè)、右側(cè)和桌面上方的劑量率分別為0.51、0.28、0.35和0.04 μSv/h，運(yùn)行中前側(cè)操作位的劑量率為1.44 μSv/h。自動注射分裝儀操作人員肢端的輻射劑量較使用注射器防護(hù)套注射操作輻射劑量降低99%以上。

討 論

放射性藥液自動分裝與注射系統(tǒng)的操作流程高效便捷。該系統(tǒng)集成了分裝設(shè)備(分裝儀、活度儀)以及注射設(shè)備(防護(hù)注射車和鉛套防護(hù)注射器)于一體，簡化了設(shè)備啟動、劑量準(zhǔn)備、患者注射與殘余后處理等繁雜環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了自動分裝與注射，簡化操作步驟，極大降低了工作人員出錯的概率，進(jìn)一步提升醫(yī)療安全質(zhì)量。在傳統(tǒng)工作方式下，正電子顯像劑的手工注射操作過程通常需要3～4 min[6]，而自動分裝與注射整個過程時間可控約為1 min，這提高了工作人員效率，在相同工作時間下可服務(wù)更多患者，也為醫(yī)療機(jī)構(gòu)帶來更大的效益。

在臨床核醫(yī)學(xué)中，職業(yè)照射的劑量影響因素主要為放射性藥物活度、源距離、輻射暴露時間與屏蔽措施[7]。臨床上根據(jù)患者自身?xiàng)l件調(diào)整放射性藥物活度，為保障職業(yè)照射水平小于20 mSv·a-1的有效劑量要求[8]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作、減少輻射暴露時間以及增強(qiáng)屏蔽的有效性。放射性藥液的分裝與注射屬于開放型放射性操作，根據(jù)輻射防護(hù)最優(yōu)化原則，盡可能使用密封操作代替非密封操作[9]。據(jù)報道，手部無任何防護(hù)措施操作時所接受的輻射劑量為：(1)分裝時左、右手分別為3000、600 μSv/h；(2)注射時為600 μSv/h[10]。操作者注射時，距離放射源30 cm處無防護(hù)分裝，注射時接受的劑量約為196 μSv/d[11]。本研究采用防護(hù)性能相對優(yōu)越的鎢合金，將放射性藥液完全密封于系統(tǒng)內(nèi)，以此實(shí)現(xiàn)屏蔽防護(hù)；系統(tǒng)高效自動完成分裝與注射，從而實(shí)現(xiàn)了時間防護(hù)；醫(yī)護(hù)人員通過提前靜脈穿刺，連通患者的靜脈通路與注射系統(tǒng)的連接管路，在特定的注射速率下，醫(yī)護(hù)人員可遠(yuǎn)距離啟動注射和監(jiān)控藥物注射過程，實(shí)現(xiàn)了距離防護(hù)。放射性藥液自動分裝與注射系統(tǒng)從多方位降低了醫(yī)護(hù)人員的職業(yè)照射，保障了醫(yī)護(hù)安全。

放射性藥液自動分裝與注射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)個性化給藥。PET顯像診斷在計算處方劑量時一般按照3.70～5.55 MBq/kg進(jìn)行決策[12-17]，設(shè)備也可執(zhí)行更低活度的處方劑量?；颊唛g具有體質(zhì)量個體差異性藥液手工分裝很難做到一次精準(zhǔn)抽取預(yù)定活度，且重復(fù)性差。自動分裝與注射系統(tǒng)可依據(jù)給藥標(biāo)準(zhǔn)自動計算患者給藥劑量，同時兼顧對放射性藥液衰變校準(zhǔn)[18]，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分裝注射。系統(tǒng)對進(jìn)一步控制電控分裝三通閥與電控活度三通閥之間橫向輸藥軟管內(nèi)的余藥量進(jìn)行了精準(zhǔn)個性化給藥的優(yōu)化設(shè)計，并對輸液管路殘余藥液進(jìn)行二次補(bǔ)注，相對于傳統(tǒng)手動操作具有更高的精準(zhǔn)性。

綜上，本研究從臨床需求、放射防護(hù)要求以及放射防護(hù)原則等角度出發(fā)，設(shè)計了一種新型的放射性藥物自動分裝與注射系統(tǒng)，該設(shè)計已獲得國家發(fā)明專利(專利號：201510679352.9)。測試結(jié)果表明，自動分裝注射系統(tǒng)屏蔽射線防護(hù)效果好，可以有效降低職業(yè)照射，能夠高效、快捷、精準(zhǔn)地自動分裝及注射放射性藥物，充分保障醫(yī)療照射的最優(yōu)化，具備臨床轉(zhuǎn)化潛力和推廣價值。