李建國，馮德進(jìn)

XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀屏蔽門部件的設(shè)計(jì)

李建國，馮德進(jìn)

目的：對XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設(shè)備屏蔽門及其部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，安全可靠，故障率小。方法：比較屏蔽門1扇門式設(shè)計(jì)、窗簾式設(shè)計(jì)、左右2扇門垂直式旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)、上下2扇門水平旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)等幾種開門方式及其部件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，選擇最合適的屏蔽門及其部件設(shè)計(jì)方案。結(jié)果：選用上下2扇門水平式旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)總體布局緊湊，與治療床的連接易于實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單。結(jié)論：合理的屏蔽門運(yùn)行方式及部件設(shè)計(jì)，可保證伽馬刀設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)的科學(xué)、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(shè)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(shè)備在進(jìn)行醫(yī)療器械注冊證取證前經(jīng)過了反復(fù)的設(shè)計(jì)[2]，下面對XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設(shè)備屏蔽門部件的改型設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

1 設(shè)備原理

治療時(shí)，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(shí)打開，以便移動(dòng)床面上的定位支架進(jìn)入射源體內(nèi)。非治療時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)[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(shè)計(jì)

基于核物理防護(hù)，門的外框需要400 mm厚的鑄鐵塊圍成。由于不再設(shè)計(jì)單獨(dú)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(shè)計(jì)而獲得。在滿足屏蔽厚度的前提下，為了減輕主機(jī)的質(zhì)量，壁厚應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為均勻400 mm，還有就是應(yīng)盡量設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)備安裝有鈷-60放射源，整個(gè)屏蔽門機(jī)構(gòu)不允許出現(xiàn)重大故障，否則無法修復(fù)?；谶@些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中需要解決下列問題：

（1）開門的方式?？稍O(shè)計(jì)成閘門方式；可設(shè)計(jì)成左右對開，也可設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)才能確定。

（2）門框的設(shè)計(jì)。如果四周的門框由多個(gè)大鑄件組合而成，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到每個(gè)貼合面均由階梯面構(gòu)成，還需要考慮外形的設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)會很復(fù)雜。如果門框由很少的鑄件構(gòu)成，每個(gè)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(gè)立體曲面構(gòu)成，如何設(shè)計(jì)和加工，這也是個(gè)難題。

（3）手動(dòng)開關(guān)門機(jī)構(gòu)。屏蔽門開關(guān)門機(jī)構(gòu)要求幾十年運(yùn)行不損壞，考慮到設(shè)備故障，有時(shí)需要手工關(guān)閉屏蔽門，因此，需要設(shè)計(jì)手動(dòng)開門或關(guān)門機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)應(yīng)放在易于操作的位置。由于在屏蔽門打開時(shí)有很大的輻射量，因此，手動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)在安全的位置。

2.1 屏蔽門開門方式的設(shè)計(jì)

2.1.1 1扇門式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)成1扇門，在門下面挖一個(gè)地坑。開門時(shí)，這扇門垂直地下降，整扇門上的平面有2排導(dǎo)軌，門下降到位后，導(dǎo)軌面和治療床的導(dǎo)軌面銜接，保證移動(dòng)床面能夠通過2段導(dǎo)軌順利地進(jìn)入射源體內(nèi)。根據(jù)定位支架的設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，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(dòng)機(jī)功率將很大，這不可取。如果采用配重，則屏蔽門部件設(shè)計(jì)需要考慮配重位置和空間，整個(gè)外形設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)、手動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)

屏蔽門設(shè)計(jì)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(dǎo)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(gè)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，左右絲杠同時(shí)旋轉(zhuǎn)，但旋轉(zhuǎn)方向一邊為順時(shí)針，另一邊則為逆時(shí)針，通過絲杠副上的螺母帶動(dòng)左右2扇門開啟和關(guān)閉。

優(yōu)點(diǎn)：由于采用專用的導(dǎo)軌，傳動(dòng)載荷??；采用的電動(dòng)機(jī)功率小，傳動(dòng)簡單可靠，易于控制；手動(dòng)機(jī)構(gòu)可設(shè)計(jì)在屏蔽門的側(cè)面，易于醫(yī)生緊急時(shí)操作且在相對輻射小的位置；易于和治療床進(jìn)行連接。

缺點(diǎn)：由于左右2扇門打開時(shí)需要往外延伸，并留有往外延伸的導(dǎo)軌，這樣屏蔽門的寬度大，外形設(shè)計(jì)難，總體結(jié)構(gòu)不緊湊；運(yùn)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(shè)計(jì)

屏蔽門設(shè)計(jì)成左右2扇門垂直旋轉(zhuǎn)式，整個(gè)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(shè)計(jì)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(gè)圓柱體加上門沿連接而成。2個(gè)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(gè)平面軸承，支撐質(zhì)量接近1 t的門扇。當(dāng)開始治療時(shí)，左門扇逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，右門扇順時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)90°，從而開啟一個(gè)治療的空間。治療結(jié)束后，移動(dòng)床面完全退出屏蔽門到達(dá)治療床的電氣原點(diǎn)處，屏蔽門各自按照相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)示意圖

優(yōu)點(diǎn)：總體布局緊湊；外形易于按照效果圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；與治療床的連接易于實(shí)現(xiàn)；左右2扇門設(shè)計(jì)巧妙，運(yùn)行時(shí)安全可靠；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單。

缺點(diǎn)：根據(jù)該布局，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在頂梁上，這樣手動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置在上，無法滿足操作方便的要求。如果將手動(dòng)機(jī)構(gòu)引到側(cè)面，則該機(jī)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(shè)計(jì)

上下2扇門水平地相互旋轉(zhuǎn)，分別由半個(gè)圓柱體加上門沿連接而成，2個(gè)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(shè)計(jì)成水平方向，當(dāng)開始治療時(shí)，上門扇逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，下門扇順時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)90°，從而開啟一個(gè)治療的空間。治療結(jié)束后，移動(dòng)床面完全退出屏蔽門到達(dá)治療床的電氣原點(diǎn)處，屏蔽門各自按照相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，而將伽馬線屏蔽在腔內(nèi)[5]。

優(yōu)點(diǎn)：總體布局緊湊；外形易于按照效果圖進(jìn)行設(shè)計(jì)；與治療床的連接易于實(shí)現(xiàn)；上下2扇門設(shè)計(jì)巧妙，運(yùn)行時(shí)安全可靠；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單；手動(dòng)機(jī)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(dòng)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(shè)計(jì)示意圖

2.2 門框的組合設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)結(jié)合面通過階梯圓和階梯凸出圓柱裝配而成，且盡量設(shè)計(jì)成較少的實(shí)體組成屏蔽框，而每個(gè)大實(shí)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(xì)研究，采用前后2塊實(shí)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(jī)由前、后、左、右4塊實(shí)體構(gòu)成的復(fù)雜加工實(shí)體和復(fù)雜裝配工藝。每扇門左右各由2個(gè)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(gè)自行設(shè)計(jì)的T型箱，上邊連接一個(gè)電動(dòng)機(jī)并自帶減速器，側(cè)面連接手柄，整個(gè)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(gè)三維的曲線，是根據(jù)美工的外形效果圖進(jìn)行的三維設(shè)計(jì)。由于當(dāng)時(shí)AUTOCAD軟件還沒有很強(qiáng)的三維設(shè)計(jì)功能，為此，采用了PROE三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)體設(shè)計(jì)，很好地解決了該問題。

2.3 手動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

采用該方案使得手動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)容易解決，沒有影響到外形。手動(dòng)機(jī)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(gè)蓋子即可取下，將手柄把手放平，即可搖動(dòng)把手快速關(guān)閉屏蔽門。

3 整個(gè)部件的運(yùn)行可靠性評估

由于是放射性設(shè)備，萬一門框里面機(jī)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(yīng)按長期運(yùn)行不出現(xiàn)故障來設(shè)計(jì)。因?yàn)樯舷麻T扇采用的軸承型號相對2個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性也相當(dāng)高，即便電動(dòng)機(jī)壞了，也容易進(jìn)行修理和更換。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

經(jīng)過一段時(shí)間的試驗(yàn)，XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀設(shè)備的屏蔽門治療時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠、故障率低；非治療時(shí)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)[6-8]。

5 結(jié)語

XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀治療設(shè)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(jī)的重要部分。屏蔽門結(jié)構(gòu)看似簡單，但設(shè)計(jì)中需要充分考慮患者、醫(yī)生的人身安全。通過合理的設(shè)計(jì)處理，伽馬刀的設(shè)計(jì)、制造、安裝和調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)科學(xué)、安全、可靠，最后批量生產(chǎn)，進(jìn)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(zhǔn)，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(jìn).XGD型旋轉(zhuǎn)式伽馬刀治療床的設(shè)計(jì)、調(diào)試和改進(jìn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（2）：163-164.

[3]GB W3—1980 醫(yī)用遠(yuǎn)距治療線機(jī)衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]李星洪，孫建永.伽馬治療刀的輻射屏蔽設(shè)計(jì)計(jì)算[J].核醫(yī)學(xué)與工程，1998（2）：21-22.

[5]張欽富，姚仲甫，楊均芳.伽馬刀放射防護(hù)監(jiān)測與評價(jià)[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(dòng)屏蔽門自動(dòng)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(dòng)部分改進(jìn)[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(dòng)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(dá)B型伽馬刀故障維修一例[J].臨床放射學(xué)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(tuán)有限公司（馮德進(jìn)）