醫用質子重離子加速器*純水分析系統設計及應用效果評估

李萬宏 伍松海 朱春杰*

上海市質子重離子醫院引進的西門子質子重離子加速器設備(IONTRIS系統)射線能量最高可達430 MeV/u，按照我國射線裝置分類標準，屬于Ⅰ類射線裝置[1]。為滿足輻射防護要求，束流加速及傳輸設備安裝在密閉區域內，并設置嚴格的輻射屏蔽[2]。為實現加速器部件的良好散熱，采用循環水在電磁裝置內部循環流動散熱的方式，用于粒子束流加速方向控制的2級磁鐵、4級磁鐵及6級磁鐵的繞線采用中空設計，內部通過循環冷卻水流動散發運行過程中產生的熱量，因為磁鐵繞線帶電，所以循環水使用低電導率水，需控制其電導率＜2 μs/cm，否則將引起加速器部件損壞。為此，如何進行純水制水及循環過程電導率的監控，是本研究關注的重要內容；其次，純水處理過程中需使用如濾芯、反滲透膜、去離子樹脂、連續電除鹽(continuous electrodeionization，CEDI)模塊等耗材，如何在滿足系統良好運行的同時，提高耗材的使用效率，是本研究關注的另一重點內容。

1 資料與方法

1.1 制備工藝及方法

質子重離子加速器純水制備工藝及方法。純水的制備過程主要是去除水中雜質和鹽，鹽一般以離子的形式存在于水中，其中陽離子有Ca2+、Mg2+、K+、Na+及少量的鐵、錳離子，陰離子有HCO3-、Cl-、SO4

2-、NO3

-等，水的純度越高，其含鹽越低[3]。使用的純水制備工藝過程包括多介質過濾、活性碳過濾、軟化、反滲透(reverse osmosis，RO)、CEDI、紫外線(ultraviolet rays，UV)殺菌以及樹脂拋光過程，除去水中的雜質和鹽分，處理后的實際電導率能夠達到＜100 ns/cm的標準，遠高于IONTRIS系統對于循環水的要求。

各工藝過程均設置雙路設備運行，當任意一路出現異常時，另外一路可自動切換至運行狀態。各主要工藝過程的原理為多介質過濾器利用石英砂作為介質，除去懸浮雜質及鐵銹?；钚蕴歼^濾器利用活性碳的吸附能力，提高水的凈化程度，可使余氯含量＜0.1 PPM，同時，活性碳能除去水中的異味、有機物及膠體，對于降低水的濁度、色度也有較好的作用。

軟化器通過去離子樹脂降低水的硬度[4]。RO裝置利用循環水泵的壓力使水通過RO膜進行分離，去除水中的溶解鹽、膠體、細菌等雜質[5]。CEDI裝置的工作原理是，陰離子交換膜只允許陰離子通過，陽離子交換膜只允許陽離子通過，在一對陰陽離子交換膜之間充填混合離子交換樹脂就形成一個CEDI單元，通過此裝置，進一步提高水的純度[6]。UV殺菌裝置利用254 nm的UV燈管進行殺菌，經過UV殺菌后的純水再經過拋光混床，在拋光樹脂的作用下，進一步降低電導率[7]。

1.2 在線電導率控制方法

質子重離子加速器內冷卻水系統包括離子源、直線加速器、同步加速器、射頻以及高能輸運線等內循環水部分。在內循環水系統中，在循環水泵兩端并聯在線拋光混床，內部添加去離子樹脂，實現在線的離子去除。同時，在每個子系統中安裝電導率監控儀表，在線監測內循環水電導率數值。同時將數據接入分析系統中，在線實時監控內循環水電導率數據。各循環水子系統在線電導率監控原理如圖1所示。

圖1 各循環水子系統在線電導率監控原理圖

1.3 數據分析方法

1.3.1 多介質與活性碳過濾器

安裝在線流量計，記錄流量數據，分析軟件中設定累積流量報警值，達到這個數值，提醒人為更換過濾介質。報警值可根據運行經驗修改[8]。

1.3.2 RO裝置、CEDI裝置及拋光混床前后的過濾器

為避免殘留固體顆粒以及細菌造成RO膜和CEDI的污堵，在RO裝置、CEDI裝置前及拋光混床前后分別安裝過濾器。通過在過濾器前后安裝壓力變送器，實時記錄進出口壓力，系統自動計算壓差，當壓差大于設定值時，系統自動報警，提示更換濾芯。

1.3.3 RO裝置

在RO膜前后安裝壓力變送器，記錄跨膜壓差；同時通過電導率儀，記錄電導率曲線；通過在線流量計記錄產水流量值和累計流量值。當運行壓差高于報警值或電導率高于設定值或在運行狀態時產水流量低于設定值時，報警提示進行RO膜的清洗或更換。

1.3.4 CEDI裝置

在淡水室和濃水室安裝壓力變送器，實時記錄運行壓力，分析壓差，當壓差值高于設定壓差時，提示進行CEDI保養；實時記錄產水電阻率值，若電阻率下降至設定值，提示進行CEDI保養；實時記錄運行電流及電壓值，通過電流及電壓計算電阻值，當電阻值增加至設定值時，系統報警提示進行CEDI保養。

1.3.5 UV裝置

實時記錄累積時間。設定當累積時間達到設定值，系統報警提示更換燈管。

1.3.6 在線拋光混床

實時記錄產水電導率值，若產水電導率大于設定值時，系統報警提示更換樹脂。或運行人員觀察到電導率曲線有明顯上升趨勢時，進行樹脂的更換。

1.4 控制系統設計及監控軟件開發

控制系統選用西門子S7-300PLC，采用STEP7軟件完成可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)控制程序的編寫。上位機監控軟件采用WINCC集成開發平臺完成監控系統及數據分析曲線界面的開發。

1.5 應用效果評估方法

現場運行人員根據監控數據的狀態及報警值進行耗材的更換，同時，記錄耗材的更換量。對比分析系統運行前后的耗材使用經濟性進行應用效果評估。評估方法為：統計分析系統應用前后的平均單月耗材成本進行比較，評估實際效果。

2 結果

2.1 數據分析曲線

為了能夠實現壓差數據變化趨勢的監控，針對主要過濾材料(如過濾器、RO裝置等)設置壓差監控曲線，如果發現壓差出現明顯上升趨勢時，及時更換過濾材料，如圖2所示。

圖2 壓差監控曲線圖

為了實現離子交換樹脂使用狀態的監控，及時發現樹脂失效，針對在線拋光混床設置電導率監控曲線。當去離子樹脂失效時循環水會出現上升趨勢；當進行樹脂更換后，循環水電導率會逐漸下降至穩定，拋光混床在線電導率監控曲線如圖3所示。

圖3 拋光混床在線電導率監控曲線圖

因純水分析系統涉及的監控曲線較多，此處不再詳細列舉，曲線展示的基本原則是按照本研究中“數據分析方法”(1.3節)描述的方法進行。通過曲線展示，便于監控人員及時發現數據變化趨勢而進行耗材的更換或故障的處理。

2.2 功能參數設定及數據查詢

為了便于查詢實時運行狀態，在分析系統中設置功能參數設定及數據查詢界面，其中包括水泵、多介質過濾器及活性碳過濾器的運行參數設定界面，以及RO裝置運行數據監控及參數設定界面和CEDI功能參數設定及查詢界面，可通過這些數據監控界面查詢系統內的設備運行狀態及設定報警參數(如圖4、圖5和圖6所示)。

圖4 水泵、多介質過濾器、活性碳過濾器運行數據監控及參數設定界面圖

圖5 反滲透裝置運行數據監控及參數設定界面圖

圖6 CDI功能參數設定及查詢界面圖

表1 純水分析系統應用前后耗材經濟性評估

2.3 報警信息查詢

為了能夠讓監控人員及時發現報警信息，在分析系統中設置報警信息查詢界面，顯示的是參數超出規定的限值，以及檢測到系統故障后發出的信息列表。在故障信息列表中可以清晰地看到系統參數偏離或設備故障發生具體時間以及持續時間(如圖7所示)。

圖7 報警信息查詢界面圖

2.4 運行效果評估

醫院于2016年4月完成純水分析系統的開發并上線使用，應用該系統后，現場運行人員對于純水系統故障處理及耗材更換的及時性得到明顯提高。為了評估其實際應用效果，對耗材的使用進行了統計，并對分析系統應用前后的經濟性進行評估。統計純水分析系統應用前的36個月(從2013年5月至2016年4月)與系統應用后的12個月(2016年5月至2017年4月)的耗材用量，計算單月成本并進行對比，見表1。

統計結果顯示，分析系統應用前的單月耗材成本為33980元/月，分析系統應用后的單月耗材成本為14313元/月，系統運行經濟性明顯提升。

3 討論

通過純水分析系統的應用，使醫院現場運行人員更加清晰地查看系統運行的狀態，并能根據數據曲線預測維護保養及耗材更換的時間。系統的設計及應用提高了系統分析及診斷的能力，同時，對耗材成本的控制起到了積極的作用。然而，由于分析系統的應用時間較短，對于成本分析的精確性還有待于數據長時間累計后做進一步驗證。

隨著智能化與信息技術的進步，針對質子重離子加速器純水制備系統還有許多值得研究的內容。①需要進一步研究如何做好系統重要部件的維護保養，減少耗材更換成本，如CEDI裝置、RO膜等屬于比較昂貴的耗材，需要做好其清洗及滅菌，并研究其延長使用壽命的方法[9-10]；②需要研究系統管理中的科學風險評估的方法。作為醫用設備設施，需要以高穩定性的運行要求來管理，針對系統運行過程中可能存在的問題需要進行科學的風險評估，并針對運行風險較大的問題做好預防與應急[11-14]。針對可能導致系統停機的故障，做好應急準備及預防性檢測與維護非常必要[14]；③當前處于互聯網+及大數據高度發展的時期，各醫療機構均在建立設備設施信息化平臺，純水制備系統作為醫院的重要設施，需實現與上層平臺的數據接入，同時，如何進行數據的深層次挖掘及穩定性評估也需深入研究。此外，質子重離子加速器純水系統作為一套醫用裝置，需參考醫用實驗室的相關標準進行運行管理[15]。考慮將其制備的純水應用于醫學實驗，這將對于降低醫院運行成本起到一定積極的作用。

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