醫(yī)用質(zhì)子重離子加速器*純水分析系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用效果評估

李萬宏 伍松海 朱春杰*

上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院引進(jìn)的西門子質(zhì)子重離子加速器設(shè)備(IONTRIS系統(tǒng))射線能量最高可達(dá)430 MeV/u，按照我國射線裝置分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅰ類射線裝置[1]。為滿足輻射防護(hù)要求，束流加速及傳輸設(shè)備安裝在密閉區(qū)域內(nèi)，并設(shè)置嚴(yán)格的輻射屏蔽[2]。為實現(xiàn)加速器部件的良好散熱，采用循環(huán)水在電磁裝置內(nèi)部循環(huán)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(shè)計，內(nèi)部通過循環(huán)冷卻水流動散發(fā)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量，因為磁鐵繞線帶電，所以循環(huán)水使用低電導(dǎo)率水，需控制其電導(dǎo)率＜2 μs/cm，否則將引起加速器部件損壞。為此，如何進(jìn)行純水制水及循環(huán)過程電導(dǎo)率的監(jiān)控，是本研究關(guān)注的重要內(nèi)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(xù)電除鹽(continuous electrodeionization，CEDI)模塊等耗材，如何在滿足系統(tǒng)良好運(yùn)行的同時，提高耗材的使用效率，是本研究關(guān)注的另一重點(diǎn)內(nèi)容。

1 資料與方法

1.1 制備工藝及方法

質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)和鹽分，處理后的實際電導(dǎo)率能夠達(dá)到＜100 ns/cm的標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)高于IONTRIS系統(tǒng)對于循環(huán)水的要求。

各工藝過程均設(shè)置雙路設(shè)備運(yùn)行，當(dāng)任意一路出現(xiàn)異常時，另外一路可自動切換至運(yùn)行狀態(tài)。各主要工藝過程的原理為多介質(zhì)過濾器利用石英砂作為介質(zhì)，除去懸浮雜質(zhì)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(jī)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(huán)水泵的壓力使水通過RO膜進(jìn)行分離，去除水中的溶解鹽、膠體、細(xì)菌等雜質(zhì)[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(jìn)一步提高水的純度[6]。UV殺菌裝置利用254 nm的UV燈管進(jìn)行殺菌，經(jīng)過UV殺菌后的純水再經(jīng)過拋光混床，在拋光樹脂的作用下，進(jìn)一步降低電導(dǎo)率[7]。

1.2 在線電導(dǎo)率控制方法

質(zhì)子重離子加速器內(nèi)冷卻水系統(tǒng)包括離子源、直線加速器、同步加速器、射頻以及高能輸運(yùn)線等內(nèi)循環(huán)水部分。在內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)中，在循環(huán)水泵兩端并聯(lián)在線拋光混床，內(nèi)部添加去離子樹脂，實現(xiàn)在線的離子去除。同時，在每個子系統(tǒng)中安裝電導(dǎo)率監(jiān)控儀表，在線監(jiān)測內(nèi)循環(huán)水電導(dǎo)率數(shù)值。同時將數(shù)據(jù)接入分析系統(tǒng)中，在線實時監(jiān)控內(nèi)循環(huán)水電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。各循環(huán)水子系統(tǒng)在線電導(dǎo)率監(jiān)控原理如圖1所示。

圖1 各循環(huán)水子系統(tǒng)在線電導(dǎo)率監(jiān)控原理圖

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 多介質(zhì)與活性碳過濾器

安裝在線流量計，記錄流量數(shù)據(jù)，分析軟件中設(shè)定累積流量報警值，達(dá)到這個數(shù)值，提醒人為更換過濾介質(zhì)。報警值可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)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(xì)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(jìn)出口壓力，系統(tǒng)自動計算壓差，當(dāng)壓差大于設(shè)定值時，系統(tǒng)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(dǎo)率儀，記錄電導(dǎo)率曲線；通過在線流量計記錄產(chǎn)水流量值和累計流量值。當(dāng)運(yùn)行壓差高于報警值或電導(dǎo)率高于設(shè)定值或在運(yùn)行狀態(tài)時產(chǎn)水流量低于設(shè)定值時，報警提示進(jìn)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(yùn)行壓力，分析壓差，當(dāng)壓差值高于設(shè)定壓差時，提示進(jìn)行CEDI保養(yǎng)；實時記錄產(chǎn)水電阻率值，若電阻率下降至設(shè)定值，提示進(jìn)行CEDI保養(yǎng)；實時記錄運(yùn)行電流及電壓值，通過電流及電壓計算電阻值，當(dāng)電阻值增加至設(shè)定值時，系統(tǒng)報警提示進(jìn)行CEDI保養(yǎng)。

1.3.5 UV裝置

實時記錄累積時間。設(shè)定當(dāng)累積時間達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)報警提示更換燈管。

1.3.6 在線拋光混床

實時記錄產(chǎn)水電導(dǎo)率值，若產(chǎn)水電導(dǎo)率大于設(shè)定值時，系統(tǒng)報警提示更換樹脂?；蜻\(yùn)行人員觀察到電導(dǎo)率曲線有明顯上升趨勢時，進(jìn)行樹脂的更換。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計及監(jiān)控軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)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(jī)監(jiān)控軟件采用WINCC集成開發(fā)平臺完成監(jiān)控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析曲線界面的開發(fā)。

1.5 應(yīng)用效果評估方法

現(xiàn)場運(yùn)行人員根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)的狀態(tài)及報警值進(jìn)行耗材的更換，同時，記錄耗材的更換量。對比分析系統(tǒng)運(yùn)行前后的耗材使用經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行應(yīng)用效果評估。評估方法為：統(tǒng)計分析系統(tǒng)應(yīng)用前后的平均單月耗材成本進(jìn)行比較，評估實際效果。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)據(jù)分析曲線

為了能夠?qū)崿F(xiàn)壓差數(shù)據(jù)變化趨勢的監(jiān)控，針對主要過濾材料(如過濾器、RO裝置等)設(shè)置壓差監(jiān)控曲線，如果發(fā)現(xiàn)壓差出現(xiàn)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(jiān)控曲線圖

為了實現(xiàn)離子交換樹脂使用狀態(tài)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)樹脂失效，針對在線拋光混床設(shè)置電導(dǎo)率監(jiān)控曲線。當(dāng)去離子樹脂失效時循環(huán)水會出現(xiàn)上升趨勢；當(dāng)進(jìn)行樹脂更換后，循環(huán)水電導(dǎo)率會逐漸下降至穩(wěn)定，拋光混床在線電導(dǎo)率監(jiān)控曲線如圖3所示。

圖3 拋光混床在線電導(dǎo)率監(jiān)控曲線圖

因純水分析系統(tǒng)涉及的監(jiān)控曲線較多，此處不再詳細(xì)列舉，曲線展示的基本原則是按照本研究中“數(shù)據(jù)分析方法”(1.3節(jié))描述的方法進(jìn)行。通過曲線展示，便于監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化趨勢而進(jìn)行耗材的更換或故障的處理。

2.2 功能參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)查詢

為了便于查詢實時運(yùn)行狀態(tài)，在分析系統(tǒng)中設(shè)置功能參數(shù)設(shè)定及數(shù)據(jù)查詢界面，其中包括水泵、多介質(zhì)過濾器及活性碳過濾器的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定界面，以及RO裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)定界面和CEDI功能參數(shù)設(shè)定及查詢界面，可通過這些數(shù)據(jù)監(jiān)控界面查詢系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)定報警參數(shù)(如圖4、圖5和圖6所示)。

圖4 水泵、多介質(zhì)過濾器、活性碳過濾器運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)定界面圖

圖5 反滲透裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及參數(shù)設(shè)定界面圖

圖6 CDI功能參數(shù)設(shè)定及查詢界面圖

表1 純水分析系統(tǒng)應(yīng)用前后耗材經(jīng)濟(jì)性評估

2.3 報警信息查詢

為了能夠讓監(jiān)控人員及時發(fā)現(xiàn)報警信息，在分析系統(tǒng)中設(shè)置報警信息查詢界面，顯示的是參數(shù)超出規(guī)定的限值，以及檢測到系統(tǒng)故障后發(fā)出的信息列表。在故障信息列表中可以清晰地看到系統(tǒng)參數(shù)偏離或設(shè)備故障發(fā)生具體時間以及持續(xù)時間(如圖7所示)。

圖7 報警信息查詢界面圖

2.4 運(yùn)行效果評估

醫(yī)院于2016年4月完成純水分析系統(tǒng)的開發(fā)并上線使用，應(yīng)用該系統(tǒng)后，現(xiàn)場運(yùn)行人員對于純水系統(tǒng)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(yīng)用效果，對耗材的使用進(jìn)行了統(tǒng)計，并對分析系統(tǒng)應(yīng)用前后的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。統(tǒng)計純水分析系統(tǒng)應(yīng)用前的36個月(從2013年5月至2016年4月)與系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)行對比，見表1。

統(tǒng)計結(jié)果顯示，分析系統(tǒng)應(yīng)用前的單月耗材成本為33980元/月，分析系統(tǒng)應(yīng)用后的單月耗材成本為14313元/月，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性明顯提升。

3 討論

通過純水分析系統(tǒng)的應(yīng)用，使醫(yī)院現(xiàn)場運(yùn)行人員更加清晰地查看系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，并能根據(jù)數(shù)據(jù)曲線預(yù)測維護(hù)保養(yǎng)及耗材更換的時間。系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用提高了系統(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)用時間較短，對于成本分析的精確性還有待于數(shù)據(jù)長時間累計后做進(jìn)一步驗證。

隨著智能化與信息技術(shù)的進(jìn)步，針對質(zhì)子重離子加速器純水制備系統(tǒng)還有許多值得研究的內(nèi)容。①需要進(jìn)一步研究如何做好系統(tǒng)重要部件的維護(hù)保養(yǎng)，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(tǒng)管理中的科學(xué)風(fēng)險評估的方法。作為醫(yī)用設(shè)備設(shè)施，需要以高穩(wěn)定性的運(yùn)行要求來管理，針對系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能存在的問題需要進(jìn)行科學(xué)的風(fēng)險評估，并針對運(yùn)行風(fēng)險較大的問題做好預(yù)防與應(yīng)急[11-14]。針對可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的故障，做好應(yīng)急準(zhǔn)備及預(yù)防性檢測與維護(hù)非常必要[14]；③當(dāng)前處于互聯(lián)網(wǎng)+及大數(shù)據(jù)高度發(fā)展的時期，各醫(yī)療機(jī)構(gòu)均在建立設(shè)備設(shè)施信息化平臺，純水制備系統(tǒng)作為醫(yī)院的重要設(shè)施，需實現(xiàn)與上層平臺的數(shù)據(jù)接入，同時，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)的深層次挖掘及穩(wěn)定性評估也需深入研究。此外，質(zhì)子重離子加速器純水系統(tǒng)作為一套醫(yī)用裝置，需參考醫(yī)用實驗室的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)行管理[15]?？紤]將其制備的純水應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實驗，這將對于降低醫(yī)院運(yùn)行成本起到一定積極的作用。

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