基于振動排序技術的放射性粒籽源彈夾自動裝填設備

房世博，張 旭，趙子豪，劉志博，周 圍，張思祥

腫瘤發生率逐年上升，嚴重威脅著人們的生命和健康。 放射治療是腫瘤的主要治療手段中頗為重要的一項內容，距今已有100 多年的歷史［1］。傳統的放療由于技術的問題，在治療腫瘤的同時對正常組織也造成較大傷害。 放射性粒子治療是隨著介入技術的進步而發展起來的一種近距離放療模式，是臨床問世的一種新型惡性腫瘤治療方式。 在術中直視作用下，或CT、超聲等輔助儀器引導下將放射性粒籽源直接植入到腫瘤組織內部或病變組織周圍，進而達到選擇性、 持續性殺傷惡性腫瘤細胞的效果，而正常組織不損傷或只有微小損傷［2-4］。但是在進行放療準備時，醫務人員需在與公安部門實時聯網的監控室中對放射性粒籽源植入槍的彈夾進行裝填。在裝填過程中，醫務人員在半封閉的鉛玻璃操作箱中進行操作，將放射性粒籽源用鑷子手工裝填到彈夾中。 這種操作方式存在很大的弊端和安全隱患，放射性粒籽源裝填操作不便、裝填效率不高，人工裝填容易對放射性粒籽源表面產生破壞，操作箱沒有安全防護與通訊裝置，放射性粒籽源產生的輻射會對醫務人員的身體健康造成一定影響［5］。為此，設計了振動給料式放射性粒籽源彈夾自動裝填設備；使用振動技術，根據放射性粒籽源的結構特點，設計了振動盤的結構，完成放射性粒籽源的自動定向排序；設計彈夾進給機構，實現了彈夾與振動盤的精準對接，完成放射性粒籽源的自動裝填工作［6］；使用光電計數器對裝填到彈夾中的放射性粒籽源精準計數；使用輻射探測器對放射性粒籽源彈夾自動裝填設備中的放射性粒籽源進行檢測。 該設備有效地解決了放射性粒籽源彈夾裝填過程中存在的問題，大大地提高了介入治療手術的效率，保障了醫療安全。

1 材料與方法

1.1 放射性粒籽源彈夾自動裝填設備模型建立

首先運用三維設計軟件完成放射性粒籽源彈夾自動裝填設備三維實體模型的創建，該設備主要由箱體部分、粒籽源排序部分、彈夾進給部分、電控部分組成，其結構如圖1①所示。 粒籽源排序部分、彈夾進給部分、電控部分均位于箱體部分內，電控部分用于控制各部分動作。 粒籽源排序部分包括振動盤、圓周電磁振動器，彈夾進給部分包括彈夾托盤、彈夾托盤連接塊。

圖1 放射性粒籽源彈夾自動裝模開型

1.1.1 放射性粒籽源彈夾自動裝填設備工作原理 放射性粒籽源彈夾自動裝填裝置系統意味著該系統能夠替代人工完成放射性粒籽源的自動裝填工作，因此該系統須具有一套完整的放射性粒籽源的定向排序裝填的機械結構，能夠實現放射性粒籽源準確的裝填到彈夾中，其裝配結構如圖1②所示。

本裝置采用振動送料的方式實現放射性粒籽源的定向與排序，由圓周電磁振動器提供動力，帶動與其連接的振動盤振動，隨機倒入振動盤中的放射性粒籽源在盤中的料道上完成定向與排序。 在料道的末端設計了彈夾托盤連接塊，將裝有彈夾的彈夾托盤與彈夾托盤連接塊相接，完成定向與排序的放射性粒籽源通過彈夾托盤連接塊上的放射性粒籽源通道后落入彈夾中。 放射性粒籽源在彈夾中呈沿粒籽源軸線平行的橫向排列，如若掉落到彈夾中的放射性粒籽源呈傾斜狀態，則彈夾中的放射性粒籽源會隨著振動盤的不斷振動，直到放射性粒籽源在彈夾中呈橫向穩定姿態為止。

1.1.2 振動盤的結構設計 根據放射性粒籽源的結構尺寸，設計出合適的振動盤，如圖1③所示。 振動盤的側面為圓柱形，其內表面設有能夠使放射性粒籽源定向的料道，料道設計為前寬后窄，前部的尺寸略寬，以可提高上料速度，料道末端的尺寸設計為僅僅能夠使一個放射性粒籽源通過的尺寸，使放射性粒籽源完成定向排序。 圖1④。

振動盤與圓周電磁振動器相連接，圓周電磁振動器動力學部分由彈簧片，電磁鐵及線圈，銜鐵等部分組成，是控制振動盤工作的，內部的脈沖電磁鐵及線圈，可以使振動盤作垂直方向振動，由傾斜的彈簧片帶動振動盤繞其垂直軸做扭擺振動。 振動盤內的粒籽源，由于受到這種振動而沿螺旋振動盤料道上升。 在上升的過程中經過料道定向機構的篩選或者姿態變化，能夠將無序的放射性粒籽源通過振動的方式自動有序的排列整齊，準確地輸送到出料口［7-8］。

1.1.3 彈夾托盤連接塊的設計 彈夾托盤連接塊是振動盤出料口與彈夾托盤的連接機構，其結構如圖1⑤所示，彈夾托盤連接塊設計成燕尾槽型，可實現與彈夾托盤連接，在連接塊的正面設有兩個磁鐵安裝孔，內部安裝磁鐵，可實現與彈夾托盤之間的固定。 在頂部設有一個能夠使彈夾進料口與振動盤出料口平齊的凹槽，凹槽的尺寸僅比放射性粒籽源的尺寸略大，使完成定向排序的放射性粒籽源能夠依次通過。 在彈夾托盤連接塊的側面設有放射性粒籽源光電計數器支架安裝孔，用于安裝光電計數器支架，安裝的光電計數器正對彈夾托盤連接塊的凹槽料道。 圖 1⑤。

1.1.4 彈夾托盤的設計 彈夾托盤是一種簡易的安放粒籽源植入槍彈夾的機構，其結構簡單，尺寸緊湊，可以實現彈夾的安放與固定。其結構如圖1⑥所示，彈夾托盤設計成燕尾型，可與彈夾托盤連接塊的燕尾槽相連接。 在托盤的正面設有兩個磁鐵安裝孔，內部安裝磁鐵，通過與彈夾托盤連接塊正面的磁鐵安裝孔中安裝的磁鐵相吸引，可以實現彈夾托盤與彈夾托盤連接塊的精準對接，即實現振動盤出料口與彈夾托盤連接塊的凹槽料道以及彈夾進料口的精密對接。在中部設有一個能夠安放彈夾的凹槽，內部設有兩個放射性粒籽源定位塊，防止落入彈夾的放射性粒籽源從彈夾兩側的通孔中出來。在托盤的頂部設有防止放射性粒籽源溢出的凸臺，使完成定向排序的放射性粒籽源一定會落入彈夾中。

彈夾、彈夾托盤、彈夾托盤連接塊以及放射性粒籽源的相對運動方向如圖2 所示，彈夾裝入彈夾托盤中，將裝有彈夾的彈夾托盤沿著燕尾槽推入彈夾托盤連接塊中，磁鐵相互吸合固定，完成定向排序的放射性粒籽源沿著彈夾托盤連接塊上的放射性粒籽源通道前進，從彈夾口中落入彈夾，完成彈夾的裝填。

圖2 彈夾、彈夾托盤、彈夾托盤連接塊以及放射性粒籽源的相對運動方向

1.1.5 箱體設計 由于放射性粒籽源不同于其他物質，對人體具有很強的放射性，所以在進行箱體設計時，不僅需要保證其外形美觀，操作方便，還需采用防輻射材料進行防護［9-10］。 其頂部設有顯示屏，可以顯示箱體內的輻射值，放射性粒籽源裝填數量等信息。 顯示屏下方設有操作按鍵，可以設置放射性粒籽源裝填數量，控制該裝置的啟動與停止等。在箱體的箱蓋上覆蓋一層隔音棉，可以對振動產生的噪音起到很好的抑制作用。

1.2 放射性粒籽源彈夾自動裝填裝置檢測系統設計

一種放射性粒籽源彈夾自動裝填裝置的檢測系統主要包含兩個部分：①實現對箱體內部殘留的放射性粒籽源進行檢測，防止放射性粒籽源的遺漏丟失；②實現對裝入彈夾的放射性粒籽源進行精準計數，以免產生放射性粒籽源誤裝的情況。

檢測系統的設計方案如圖3 所示，單片機控制器與輻射傳感器模塊、 顯示模塊進行雙向通信，電源模塊為單片機控制器供電，單片機控制器的輸出端分別與振動盤控制器模塊、 報警模塊電連接，傳感器模塊與光電計數器連接，顯示模塊與顯示屏連接。 報警模塊通過單片機控制模塊采集光電計數器的計數值，隨光電計數器計數增加單片機控制模塊控制報警模塊實時報數，當計數到最大裝填數量后，單片機控制模塊控制報警模塊自動發出提示音，并控制振動盤控制器模塊停止工作。

圖3 檢測系統設計方案

放射性檢測是指對能夠產生電離輻射或電磁輻射等帶有放射性的機器或工地進行安全檢測。 按介質可分為氣體探測器、閃爍探測器、半導體探測器。 根據放射性粒籽源的尺寸以及輻射劑量，本自動裝填裝置選用氣體探測器即蓋革—米勒計數器對裝置內的放射性粒籽源進行輻射檢測。 其特點是制造簡單，價格便宜，易于操作，輸出脈沖幅度大，對電子學路線要求簡單［11-12］。

計數模塊選用risym 品牌的M3 激光漫反射傳感器，工作電壓為10～30 V，具有靈敏度高、響應頻率塊、定位精準、穩定性高等特點。

電源模塊為220 V開關電源，振動盤控制器模塊為SDVC31-S 數字調頻振動送料控制器。 如果電壓過小時，圓周電磁振動控制器無法提供足夠的前進動力給振動盤中的放射性粒籽源，如果電壓過大時，放射性粒籽源彈夾的裝填準確率會降低，而且設備的噪音很大。 所以通過實驗，電壓為110 V、頻率為80 Hz 時，放射性粒籽源彈夾裝填設備的穩定性最好。單片機控制器控制模塊為Arduino 單片機，優選Arduino Uno 單片機，顯示模塊為通用LCD 液晶顯示屏，報警模塊為risym 品牌的有源蜂鳴器模塊。

2 實驗與結果

2.1 放射性粒籽源彈夾自動裝填裝置的實驗過程

實驗樣機如圖4 所示，打開箱蓋，將彈夾插入彈夾托盤中，將裝有彈夾的彈夾托盤沿著燕尾槽滑道安裝到彈夾托盤連接塊上，彈夾托盤連接塊磁鐵安裝孔中的磁鐵與彈夾托盤磁鐵安裝孔中的磁鐵相互吸合，實現彈夾托盤連接塊與彈夾托盤的定位與固定。 此時彈夾的進彈口與彈夾托盤連接塊上的放射性粒籽源通道平齊。 將放射性粒籽源倒入振動盤，關閉箱蓋，按下電源開關按鈕打開電源，通過設置按鈕設置最大裝填量，按下啟動按鈕啟動裝置，振動盤本體開始工作，粒籽源在振動盤的料道中進行定向排序，未通過料道上定向機構的放射性粒籽源會掉落到振動盤底部重新進行定向排序，直到所有放射性粒籽源定向排序完畢。 完成定向排序的放射性粒籽源從出料口進入彈夾托盤連接塊上的放射性粒籽源通道，由于振動盤的振動慣性，放射性粒籽源繼續前進，直至落入彈夾中。在彈夾口處安裝有光電計數器，每次有粒籽源通過時都會記一次數，顯示屏數字顯示累加一次，至計數到最大裝填量，振動盤本體停止工作，并發出提示聲響，按下電源按鈕關閉電源，裝填過程完畢，打開箱蓋，將彈夾托盤與彈夾托盤連接塊分離，從彈夾托盤中取出彈夾。

圖4 實驗樣機

2.2 結果

以一個彈夾裝填10 粒放射性粒籽源為標準，在100 次放射性粒籽源彈夾自動裝填重復性實驗中，準確裝填97 次，裝填準確姿態如圖5①所示。另外3 次實驗中，存在裝填姿態不符合要求的情況，裝填有誤的姿態如圖5②所示，需要重新裝填，裝填準確率97%。 完成10 粒放射性粒籽源的定向，排序以及裝填到一個彈夾中的平均用時為1 分鐘，相比于人工裝填平均用時需要10～15 min，裝填效率是目前人工裝填的15 倍。

3 討論

圖5 放射性粒籽源彈夾準確裝填與錯誤裝填

放射性粒籽源介入治療是腫瘤治療的重要方法，但是目前相關的植入醫療輔助設備還存在粒籽源裝填效率低、缺少放射性檢測功能、放射性粒籽源安全防護措施不足等問題［13-15］。 本文綜合應用了現代計算機技術、輻射檢測技術、自動化技術開展了相關方面的研究。 相比于目前現有的放射性粒籽源彈夾自動裝填設備，采用振動送料的方式可以有效地保護放射性粒籽源的薄壁外殼，避免了在裝填過程中由于薄壁外殼表面的破損而造成放射性物質泄漏產生的危害。 相比于目前采取人工統計的方式，本文采用了光電傳感器實現了對裝入彈夾中的放射性粒籽源自動計數，有效地提高了放射性粒籽源的裝填效率，同時也避免了操作人員的主觀失誤造成安全管理上的漏洞。 相比于目前還需要額外的探測器檢測設備中遺漏的放射性粒，本文研發的設備中集成了蓋革米勒計數器以實現對遺漏的放射性粒籽源進行檢測并且報警，實時有效地監測每一粒放射性粒籽源的狀況。 最后對整個設備進行輻射防護以及隔音的設計，有效地阻止了輻射對操作人員造成的傷害，提高了放射性粒籽源裝填過程中的安全性［16］。

本研究結論為本設備的裝填準確性為97%，裝填效率較目前人工裝填提高了15 倍，本文研究的設備極大縮短了介入治療的術前準備時間，有效地降低了放射性粒籽源對醫務人員以及患者造成的傷害。