碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣收集裝置的研制和應(yīng)用

程海旭，孫銳鋒，郭宏利，毛寶豐，張雪峰，付 博

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

隨著我國(guó)核醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展，碘[131I]系列體內(nèi)放射性藥物臨床應(yīng)用日益廣泛[1]。碘[131I]化鈉口服溶液、碘[131I]化鈉膠囊可用于甲狀腺功能亢進(jìn)癥和甲狀腺相關(guān)腫瘤的診斷和治療；碘[131I]美妥昔單抗注射液以單克隆抗體為載體，可特異性結(jié)合肝癌細(xì)胞表面抗原，通過(guò)免疫阻斷和β射線雙重靶向殺傷肝癌細(xì)胞，為肝癌的治療提供了新的選擇[2]；碘[131I]芐胍注射液作為精準(zhǔn)靶向診療一體化藥物，可用于神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤如嗜鉻細(xì)胞瘤和神經(jīng)母細(xì)胞瘤的診斷和治療[3-6]。

隨著市場(chǎng)對(duì)放射性診斷與治療藥物需求的不斷增長(zhǎng)，碘[131I]系列體內(nèi)放射性藥物產(chǎn)量也大幅上升，對(duì)碘[131I]原料液需求量也相應(yīng)增加。碘[131I]原料液密封裝載在由膠塞、鋁蓋密封的青霉素瓶中。放射性碘[131I]原料液運(yùn)輸過(guò)程中瓶?jī)?nèi)積存的放射性廢氣在瓶蓋開(kāi)啟的瞬間集中大量釋放。碘[131I]常溫下易揮發(fā)，空氣中最大允許濃度低，屬于親甲狀腺的高毒性核素[7-8]。放射性廢氣的大量釋放使放射性廢氣年排放總量增高，易造成生產(chǎn)操作人員個(gè)人劑量升高，并對(duì)周邊環(huán)境造成較大壓力。

在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，對(duì)碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣進(jìn)行收集和暫存工作的設(shè)計(jì)實(shí)施中存在諸多困難，如無(wú)現(xiàn)成設(shè)備參考，熱室空間有限，設(shè)備材質(zhì)須耐輻照、穩(wěn)定性高，機(jī)械手操作的便捷性及對(duì)不同來(lái)源的碘[131I]原料液瓶的適用性等。國(guó)內(nèi)外無(wú)相關(guān)適用的熱室內(nèi)初始產(chǎn)生端放射性廢氣收集裝置，需自主研制。

針對(duì)碘[131I]原料液瓶蓋開(kāi)啟時(shí)可能因放射性氣體釋放而導(dǎo)致熱室污染的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)操作條件，研制一種合適的裝置進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)移和暫存放射性碘[131I]原料液瓶?jī)?nèi)積存的放射性廢氣。

1 裝置設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)備尺寸

生產(chǎn)車(chē)間有大、小兩種熱室，分別配裝劍式機(jī)械手和關(guān)節(jié)機(jī)械手。兩種熱室內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)和操作方式區(qū)別顯著。由于熱室空間有限，半自動(dòng)廢氣吸收裝置應(yīng)控制尺寸，便于熱室內(nèi)機(jī)械手的擺放和操作，且需預(yù)留調(diào)整空間。采用3D空間模擬布置操作演練，為設(shè)備組裝和調(diào)試提供技術(shù)支持，對(duì)安裝和使用的空間合理性提供保證。

1.2 設(shè)備穩(wěn)定可靠性

該裝置安裝在熱室中，用于高活度放射性物質(zhì)操作，其運(yùn)行須長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，主要結(jié)構(gòu)部件選用安全、耐用的304不銹鋼；核心部件選用穩(wěn)定性高的精密型電動(dòng)升降臺(tái)和正反轉(zhuǎn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件?？刂葡洳糠职惭b在熱室外，通過(guò)線控方式遠(yuǎn)距離操控。側(cè)開(kāi)口式抽氣針頭可有效防堵塞，卡槽式半固定安裝便于故障情況下進(jìn)行拆換處理。以上特殊選材設(shè)計(jì)和核心部件的選擇保證了本套設(shè)備操控的穩(wěn)定可靠性。

1.3 設(shè)備操作簡(jiǎn)單、安全、高效

高活度放射性原料液操作是放射性藥物制備的首要步驟，因此設(shè)備操作步驟應(yīng)簡(jiǎn)單、安全和高效。該裝置采用遠(yuǎn)程控制方式，使用時(shí)只需單手通過(guò)按鍵操作就能完成升降和抽氣全過(guò)程，且在升降過(guò)程中任何位置都可暫停和保持，可將人員操作失誤風(fēng)險(xiǎn)降至最低。整個(gè)過(guò)程中機(jī)械手操作部分只須單只機(jī)械手進(jìn)行原料液瓶和負(fù)壓瓶的取、放動(dòng)作。整體操作僅2～3 min，可有效降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、保證設(shè)備使用效率和安全性。

1.4 適用不同供應(yīng)商的原料液瓶

不同供應(yīng)商的原料液瓶尺寸差別較大，高低、粗細(xì)不等。通過(guò)仔細(xì)對(duì)比和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，不同供應(yīng)商原料液瓶的規(guī)格為20 mL或25 mL，瓶頸口外徑分別為16.5 mm和17.5 mm，瓶身外徑最大為36 mm。利用該特點(diǎn)設(shè)計(jì)了可適用目前不同原料液瓶的升降瓶架和卡瓶裝置，結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。升降瓶架內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)為40.6 mm，卡瓶裝置內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)為18.5 mm，以保證裝置的通用性。

圖1 升降瓶架和卡瓶裝置結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的可操作性，通過(guò)U型管壓力差產(chǎn)生的分子運(yùn)動(dòng)，利用管路將原料液瓶和另一負(fù)壓瓶連接[9-17]。通過(guò)負(fù)壓抽吸進(jìn)行廢氣的收集、轉(zhuǎn)移和暫存，并基于此進(jìn)行設(shè)備研制。

2 裝置組成及操作說(shuō)明

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)的要求，自主設(shè)計(jì)碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣收集裝置，其結(jié)構(gòu)示于圖2，裝置實(shí)物圖示于圖3。該裝置主要分為三部分：控制箱、控制電纜、廢氣收集臺(tái)架。其中廢氣收集臺(tái)架放置于熱室中，相關(guān)操作由機(jī)械手配合完成；控制箱放置于熱室外，內(nèi)外設(shè)施通過(guò)電纜連接。

控制箱(1)、控制電纜(2)、廢氣收集臺(tái)架(3)；控制箱(1)組件：電源開(kāi)關(guān)(1-1)、電機(jī)調(diào)速開(kāi)關(guān)(1-2)、電機(jī)升降控制開(kāi)關(guān)(1-3)、開(kāi)始鍵(1-4)、停止鍵(1-5)、夾管閥控制開(kāi)關(guān)(1-6)；廢氣收集臺(tái)架(3)組件：機(jī)架(3-1)；廢氣抽取針(3-2)；夾管閥(3-3)；負(fù)壓瓶(3-4)；負(fù)壓瓶卡瓶裝置(3-5)；廢氣釋放針(3-6)；料液卡瓶裝置(3-7)；碘[131I]原料液瓶(3-8)；直流電機(jī)(3-9)；蝸桿(3-10)、電動(dòng)升降臺(tái)底座(3-11)；下限位開(kāi)關(guān)(3-12)；電動(dòng)升降平臺(tái)(3-13)；限位桿(3-14)、上限位開(kāi)關(guān)(3-15)。

圖3 碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣收集裝置實(shí)物圖

如圖2所示，控制箱(1)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)升降平臺(tái)(3-13)的升降和夾管閥(3-3)的控制，通過(guò)控制電纜(2)連接至廢氣收集臺(tái)架(3)。電動(dòng)升降底座(3-11)安裝于廢氣收集臺(tái)架的機(jī)架(3-1)底部，電動(dòng)升降平臺(tái)通過(guò)蝸桿(3-10)連接至直流電機(jī)(3-9)，可通過(guò)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿實(shí)現(xiàn)電動(dòng)升降平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)。碘[131I]原料液瓶(3-8)可固定在卡瓶裝置上(3-7)，隨電動(dòng)升降平臺(tái)上下動(dòng)作。限位桿(3-14)可以在上限位開(kāi)關(guān)(3-15)及下限位開(kāi)關(guān)(3-12)之間運(yùn)行，進(jìn)行限位控制。上限位高度控制廢氣抽取針(3-2)穿透膠塞與瓶?jī)?nèi)空氣連通，遠(yuǎn)離碘[131I]原料液瓶液面。固定在機(jī)架橫梁上廢氣抽取的針頭正對(duì)原料液卡瓶裝置的瓶口位置。負(fù)壓瓶卡瓶裝置(3-5)安裝在機(jī)架橫梁另一側(cè)，廢氣釋放針(3-6)倒置固定在負(fù)壓瓶卡瓶裝置下側(cè)，負(fù)壓瓶(3-4)可倒置插于廢氣釋放針(3-6)上。夾管閥安裝于機(jī)架橫梁上，介于廢氣釋放針與廢氣抽取針安裝位置之間，廢氣釋放針與廢氣抽取針通過(guò)軟管連接，軟管卡在夾管閥內(nèi)。

當(dāng)電動(dòng)升降平臺(tái)帶著碘[131I]原料液瓶上升到設(shè)定高度，廢氣抽取針完全刺入碘[131I]原料液瓶?jī)?nèi)，但針頭保持在液面上方。將負(fù)壓瓶倒置于臺(tái)架上部的負(fù)壓瓶卡瓶裝置內(nèi)，并完全推入；開(kāi)啟夾管閥控制開(kāi)關(guān)(1-6)使廢氣抽取針和廢氣釋放針之間管路暢通，由于壓力差，碘[131I]原料液瓶?jī)?nèi)的放射性廢氣被抽入負(fù)壓瓶?jī)?nèi)，實(shí)現(xiàn)廢氣的收集和暫存。本裝置將碘[131I]原料液瓶?jī)?nèi)放射性廢氣安全高效地轉(zhuǎn)移至負(fù)壓瓶，解決了碘[131I]料液瓶開(kāi)啟時(shí)大量放射性廢氣釋放難以收集的問(wèn)題，為減少放射性廢氣排放提供了有力的保障。

3 運(yùn)行效果

3.1 運(yùn)行效果

自該裝置投入運(yùn)行以來(lái)，共收集并測(cè)量22批次131I廢氣放射性活度，每批次用3個(gè)負(fù)壓瓶進(jìn)行抽取。收集到的放射性碘[131I]廢氣累計(jì)活度為198.8 GBq(5.3 Ci)。平均每批收集量為9.0 GBq(244.3 mCi)。各批次收集的放射性碘[131I]廢氣活度及相應(yīng)日期和溫度列于表1。

表1 各批次收集的131I廢氣放射性活度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1碘[131I]廢氣量與溫度關(guān)系 由表1數(shù)據(jù)可知，每批次放射性碘[131I]操作料液總量基本穩(wěn)定，但每批收集碘[131I]廢氣量變化較大，其中第2批收集的碘[131I]廢氣量最大，為23.9 GBq；第19和21批收集的廢氣量最小，為2.3 GBq。由于溫度升高會(huì)促進(jìn)碘[131I]的揮發(fā)[18-19]，因此將收集量與北京市月平均氣溫比較[20]，發(fā)現(xiàn)在9月到12月(對(duì)應(yīng)1～12批次)期間，北京市月平均氣溫降低23.9 ℃，收集量隨之降低了7.0 GBq；12月末到2月(對(duì)應(yīng)13～20批次)收集量繼續(xù)下降了6.5 GBq，月平均氣溫輕微上升了1.8 ℃；2月末到3月(對(duì)應(yīng)21～22批次)，氣溫上升10.38 ℃，收集量隨之上升3.1 GBq。整體上看，除12月到2月氣溫整體變化較小外，其余月份碘[131I]廢氣收集量基本隨每月平均氣溫的下降而降低，隨環(huán)境氣溫的升高而升高。收集的碘[131I]廢氣量與北京市月平均氣溫的關(guān)系示于圖4。

圖4 收集的131I廢氣量與北京市月平均氣溫的關(guān)系

3.2.2收集瓶數(shù)量 前3批次共采用5個(gè)負(fù)壓瓶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，第4瓶和第5瓶平均每批收集廢氣量分別為0.2、0.1 GBq，后兩瓶廢氣量已較低。碘[131I]原料液瓶的規(guī)格為20 mL或25 mL，用于廢氣收集的負(fù)壓瓶體積為20 mL，三個(gè)負(fù)壓瓶體積共60 mL，為原料液瓶體積的2.4～3倍。綜合考慮廢氣活度、負(fù)壓瓶體積和生產(chǎn)效率，后續(xù)一般采用3個(gè)負(fù)壓瓶進(jìn)行收集。如第3瓶廢氣活度仍大于3.0 GBq，則繼續(xù)進(jìn)行第4瓶收集，直至降低到3.0 GBq以下。表1中列出了每批次三個(gè)負(fù)壓瓶收集的廢氣量。第一瓶可收集的碘[131I]廢氣量平均值為5.4 GBq(占三瓶吸收總量的60.0%)，第2瓶為2.7 GBq(占三瓶吸收總量的29.6%)，第3瓶為0.9 GBq(占三瓶吸收總量的10.4%)。第3瓶收集量已相對(duì)較低，表明三瓶基本可對(duì)碘[131I]廢氣充分收集。

3.2.3碘[131I]廢氣量與原料液放射性濃度關(guān)系 進(jìn)一步考察收集的碘[131I]廢氣量與原料液放射性濃度的關(guān)系。9批次碘[131I]料液同時(shí)進(jìn)口自兩個(gè)國(guó)家(A和B)，兩種原料放射性活度接近，但放射性濃度差異顯著。A原料平均每批收集的廢氣量占總活度比例為0.14%，其相應(yīng)放射性濃度為603.1 GBq/mL；B原料液每批收集的廢氣量占總活度比例為0.05%，其相應(yīng)放射性濃度為275.4 GBq/mL。結(jié)果表明，隨著原液放射性濃度由275.4 GBq/mL升高到603.1 GBq/mL，相應(yīng)碘[131I]廢氣收集量占總活度比例為由0.05%升高到0.14%，即放射性碘[131I]廢氣收集量占總活度比例隨原液放射性濃度的增高而增高。

4 結(jié)論

針對(duì)放射性廢氣排放超標(biāo)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，研制出了碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣收集裝置。該裝置組裝簡(jiǎn)單、成本低廉，半自動(dòng)化操作容易，可高效收集放射性廢氣并暫存。22批次共收集放射性廢氣198.8 GBq，緩解了放射性廢氣排放壓力。在國(guó)內(nèi)外無(wú)現(xiàn)成適用設(shè)備的情況下，創(chuàng)新研制成功的碘[131I]原料液瓶中放射性廢氣收集裝置，簡(jiǎn)單從源頭降低了碘[131I]等放射性廢氣的釋放，再與其他控制碘[131I]排放措施相結(jié)合，可有效地控制放射性氣體排放以滿足環(huán)保要求。研究工作為國(guó)內(nèi)其他碘[131I]系列體內(nèi)放射性藥物生產(chǎn)單位提供了借鑒，對(duì)碘[131I]工業(yè)用及其他核素放射性廢氣的收集和暫存也有一定參考價(jià)值。