李楊 陳林 黃勇 曾松柏 雷嗣煩

摘 要：目前，國內(nèi)碘Na131I口服溶液的批量化生產(chǎn)都是采用高濃度的Na131I溶液進行稀釋后獲得，還沒有安全性、穩(wěn)定性和高效性均能滿足實際生產(chǎn)需求的自動化稀釋裝置。因操作必須在密封鉛屏蔽熱室內(nèi)進行，為了提高稀釋生產(chǎn)的效率，本文設(shè)計了一種用于Na131I原料液稀釋的全自動裝置。該裝置采用人機界面和PLC控制箱實現(xiàn)遠程操控，以步進電機、高精度蠕動泵等功能部件為執(zhí)行元件，可順利完成Na131I原料液稀釋的各工藝步驟。經(jīng)測試，本裝置能實現(xiàn)自動化控制，在保證穩(wěn)定性的同時，極大地提高了生產(chǎn)效率，進行相應(yīng)的調(diào)整可滿足其他核素的生產(chǎn)使用，具備實現(xiàn)整條生產(chǎn)線自動化生產(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核素進行甲狀腺疾病的診斷和治療基本成為了國內(nèi)外首選的方法[1-3]。對于131I藥物的生產(chǎn)廠商來說，其取得的原料基本都是高比活度的Na131I溶液（以下簡稱“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，衰變過程中會發(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，131I核素還具有較強的揮發(fā)性和吸附性，屬于高毒性核素，在生產(chǎn)操作的過程中極易產(chǎn)生含131I的放射性氣溶膠，其一旦泄漏，極易對外環(huán)境造成污染[9]，還會對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)過程的安全，防止131I泄漏，對涉及Na131I產(chǎn)品的生產(chǎn)基本都是在帶負壓的密封屏蔽熱室內(nèi)進行，其單瓶原料液的稀釋操作過程大體如下：

（1）將裝有原料液的管制抗生素玻璃瓶（以下簡稱“料液瓶”）放置于工作臺上，將針頭插入料液瓶中，用蠕動泵[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)或搖晃以對其進行清洗，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。

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

1 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

目前，在熱室內(nèi)進行Na131I原料液稀釋生產(chǎn)的操作方式多為手動或半自動，這樣的生產(chǎn)方式不僅總體耗時非常久，而且在操作過程中還存在以下幾個方面的問題：

（1）整個過程中需要多次進行針頭的插拔和蠕動泵直流電機的正負極切換，操作極其煩瑣;

（2）稀釋過程中的很多關(guān)鍵步驟都需要人工操作，對操作人員的經(jīng)驗和熟練程度要求很高，出錯的風(fēng)險較大;

（3）料液瓶保護措施不完善，存在破碎的風(fēng)險;

（4）料液瓶的橡膠塞經(jīng)過大劑量的輻照后非常容易老化，在針頭插拔時會因為控制不夠精準而使得其每次扎的位置不同，極易使橡膠塞產(chǎn)生碎屑，碎屑掉入溶液中會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響;

（5）對溶液進行抽取時，可能因為操作不到位而導(dǎo)致料液瓶中的殘留量過多，既造成了原料的浪費，又增加了放射性廢物。

針對上述情況，也有一些廠家設(shè)計出了自動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]。

這類裝置通常自動化程度較高，在冷實驗或者低劑量場下運行時效果很好，但是一旦安裝到劑量較高的熱室內(nèi)運行就會出現(xiàn)各種問題。其原因主要是因為在強劑量場下，電離輻射對電氣元件的穩(wěn)定性和使用壽命均有較大程度的影響，從而導(dǎo)致裝置運行不穩(wěn)定或無法使用。

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)計的這一類裝置。

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

（1）無法做到全流程的自動化運行，仍然需要人工輔助操作;

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

（3）對料液瓶的清洗不到位，且無法將料液瓶中的液體抽取干凈，導(dǎo)致放射性原料的浪費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，目前國內(nèi)尚沒有安全性、穩(wěn)定性和高效性等方面均能滿足實際生產(chǎn)需求的高濃度Na131I原料液自動稀釋裝置。

2 裝置總體設(shè)計方案

本公司作為國內(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，并通過不斷地試驗和改進，設(shè)計開發(fā)出了一種非常適用于Na131I原料液稀釋生產(chǎn)的自動化裝置。

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

生產(chǎn)前，用機械手[15]將硅膠管套件安裝好，套件進液端接入緩沖液，出液端接入產(chǎn)品瓶。生產(chǎn)時，由操作人員在熱室外通過控制端設(shè)定好運行參數(shù)并點擊運行，其余操作過程全部由裝置自動完成。設(shè)置的運行參數(shù)可以保存在內(nèi)存中，之后在同樣操作條件下無需再次設(shè)定。在整個稀釋操作的過程中，操作人員只需要用機械手將裝有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)原理與實現(xiàn)

針對目前生產(chǎn)過程中的不足和現(xiàn)在裝置存在的各種缺陷，本裝置在設(shè)計過程中需要解決以下2個關(guān)鍵技術(shù)問題。

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

（2）控制系統(tǒng)：使用簡單易操作的軟件控制裝置的運行，實現(xiàn)稀釋操作過程全自動，減少人工干預(yù)，提高工作效率。

2.1 扎針機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)沖洗部件

為了保證扎針過程的精準，實現(xiàn)料液瓶自動清洗，本裝置在設(shè)計過程中經(jīng)過多次試驗和改進，確定了最終的扎針機構(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)計為一體式結(jié)構(gòu)，再配合特制的氣動升降底座，即可以最少的工序、最小的裝置尺寸實現(xiàn)裝置的核心功能。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

扎針機構(gòu)采用步進電機驅(qū)動，其行程是固定的，為了保證扎針過程中，針頭既不會把料液瓶扎破，還能將料液瓶的溶液最大程度地抽取干凈，針頭的長度是根據(jù)產(chǎn)品瓶的大小而專門定制的。同時，放置料液瓶的底座也進行了特殊的設(shè)計，當(dāng)料液瓶放入后會根據(jù)設(shè)定自動傾斜一個小角度，當(dāng)針頭插入后，針尖可以到達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才會將信號反饋至控制單元以執(zhí)行操作，如果未檢測到料液瓶或者料液瓶放置不到位則不會反饋信號，確保不會發(fā)生空扎針或者扎針錯位等情況。

在完成料液瓶中的原料液抽取后，瓶中依然會有極少量的原料液殘留或吸附于料液瓶內(nèi)壁。經(jīng)實際測量，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和放射性廢物的產(chǎn)生，還必須用緩沖液對料液瓶進行反復(fù)的清洗。為實現(xiàn)對料液瓶的自動清洗，裝置將料液瓶夾頭與旋轉(zhuǎn)沖洗部件設(shè)計成了一體式結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)采用氣動控制，可以翻轉(zhuǎn)180°，翻轉(zhuǎn)的次數(shù)可以根據(jù)情況在控制端進行設(shè)定。經(jīng)過驗證，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，幾乎不可能再進一步地洗脫。

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)主機各個部件的功能需求，裝置設(shè)計了專門的控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)由控制軟件、PLC控制箱及帶觸摸屏的人機控制端[16]組成?？刂栖浖稍赑LC中，PLC控制箱安裝于熱室下方，以避免受到電離輻射影響，人機控制端則位于熱室前的操作臺上，操作人員可以在熱室外通過控制端設(shè)置裝置的運行參數(shù)并控制主機的運行。

2.2.1 軟件控制原理

控制箱中的PLC接收人機控制端發(fā)出的指令并將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)由屏蔽信號線將信號傳輸給主機的各功能部件。各功能部件接收PLC控制箱傳輸?shù)男盘?，并根?jù)信號完成指定的動作，同時將反饋信號回傳至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

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

在原料液參數(shù)界面中，可以對原料液的體積和總活度進行設(shè)定，因為原料來源是固定的，所以該界面的參數(shù)一經(jīng)設(shè)定后基本不會進行更改。

全自動運行界面中，可以設(shè)定默認清洗料液瓶的次數(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長等。

手動運行界面用來手動控制稀釋工序，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)并確認后才會繼續(xù)，一般只有在特殊情況下才會使用。此外，手動運行與自動運行之間也可以根據(jù)需要隨時進行切換。

故障報警界面用來收集系統(tǒng)反饋的故障信號，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)會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)運行。

急停和啟動用來對整個裝置的運行狀態(tài)進行控制，當(dāng)在生產(chǎn)過程中發(fā)生緊急情況時，操作人員可以通過急停按鈕終止裝置的運行，緊急情況解除后可再次啟動裝置。

3 結(jié)論

在該裝置的設(shè)計過程中，本公司組織了經(jīng)驗豐富的一線人員及設(shè)計人員與加工單位之間就設(shè)計方案進行了多次的討論和修改，其原型機也在我公司的Na131I生產(chǎn)線熱室中進行了為期3個月的試運行，其運行情況良好，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。其主機及控制器的最終實物詳見圖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題，具有下幾個特點：

（1）可以實現(xiàn)稀釋全過程的自動化控制，生產(chǎn)效率提高了3倍以上，同時減少了人工干預(yù)，降低了出錯的風(fēng)險;

（2）考慮了稀釋過程中的各種風(fēng)險情況，并設(shè)計有相應(yīng)的針對措施，可有效保證料液瓶不會破碎，安全可靠;

（3）稀釋過程中可以自動對料液瓶進行多次沖洗，經(jīng)驗證，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)的主機中僅設(shè)計有氣動部件和直流電機，而PLC控制箱和人機控制端則安裝于熱室外，有效地杜絕了電離輻射對裝置穩(wěn)定性和使用壽命的影響;

（7）裝置軟件功能完善，人機界面簡潔直觀，操作簡單方便;

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

參考文獻

[1] 王榮福，吳彩霞.放射性核素及其標記物的臨床應(yīng)用價值[J].同位素，2019，32（3）：195-203.

[2] 黃立群，李曙芳，孫鴿，等.放射性核素的治療應(yīng)用及展望[J].同位素，2021，34（4）：412-420.

[3] 張錦明，杜進.中國放射性藥物制備的現(xiàn)狀及展望[J].同位素，2019（3）：178-185.

[4] 秦傳洲，李梅，鐘正坤，等.放射性Na131I液體藥品自動灌裝裝置的研制[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2015，49（8）：1534-1536.

[5] 肖蓉川，陳守強，宮霞霞，等.同位素液體稀釋分裝系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)[J].中國輻射衛(wèi)生，2008（2）：222-225.

[6] Enayatolah Yazdankish，Maryam Foroughi，Mohammad Hossein Ahmadi Azqhandi，Capture of I131 from medical-based wastewater using the highly effective and recyclable adsorbent of g-C3N4 assembled with Mg-Co-Al-layered double hydroxide[J]， Journal of Hazardous Materials， 2020，389，122151

[7] S. S. Alam，T. Bhattacharjee，D. Banerjee，et al;Lifetimes and transition probabilities for the low-lying states in 131I and 132Xe[J]， PHYSICAL REVIEW C 99， 2019，014306.

[8] 黃 偉，梁積新，吳宇軒，等.我國放射性同位素制備技術(shù)的發(fā)展[J]，同位素，2019，（3）.208-217.

[9] 李德平，潘自強主編.輻射防護手冊（第一分冊）[M].北京：原子能出版社，1990：94-95.

[10] 文湘閩，劉忠恕，李興義，等.碘[131I]化鈉口服液生產(chǎn)線輻射防護安全措施評價[J].職業(yè)衛(wèi)生與病傷，2007（4）：399-400.

[11] 邵武國，郭宏利，秦紅斌，等.高精度放射性藥液自動分裝系統(tǒng)的研制[J].同位素，2019，32（6）：395-402.

[12] 陳守強，柏海平，工霞霞.放射性液體自動稀釋分裝機的研制開發(fā)[J].中國輻射衛(wèi)生，2008（1）：83-85.

[13] 李廣義，劉 峰，項茂琳.基于PLC控制的蠕動泵式核素藥物自動稀釋分裝儀的研制[J].醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜質(zhì)，2010，20（10）：1520-1523.

[14] 董海坤.自動化控制技術(shù)與計算機技術(shù)的應(yīng)用研究[J].中小企業(yè)管理與科技，2019（36）：160-161

[15] 陶建國，陶建軍.機械手在同位素自動分裝系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機械工程師，2001（11）：55-56.

[16] 郭寧，王瞳，霍力，等.正電子放射性藥物自動分裝注射系統(tǒng)的設(shè)計與測試[J].中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報，2021，43（3）：429-434.

3943500338286