125I密封籽源自动化装配系统的研制

碘[125I]密封籽源植入病灶进行靶向治疗的方法，是一种先进的体内恶性肿瘤放射治疗技术。125I是一种具有放射性I同位素，125I密封籽源能够利用125I衰变时放射出的射线治疗人体恶性肿瘤。125I密封籽源的放射性活度范围一般在0.3～0.9 mCi。125I密封籽源治疗技术可以治疗人体大多部位的肿瘤，尤其针对脑部肿瘤、肺部肿瘤、肝部肿瘤、前列腺癌等癌症[1]，其优点是微创、精准、可靠性高，对正常组织辐射损伤小等[2]。125I密封籽源是把125I同位素离子用物理或化学方法吸附在银针表面，之后将银针封装在钛制细管中，得到尺寸为Φ0.8 mm×4.5 mm的微型放射源[3]。

目前，国外主要采用自动化设备进行密封籽源的生产，此类定制化设备结构复杂且涉及各自厂商制药工艺，因此并没有引入到中国的先例。而中国的放射性药物生产商在制备过程中，普遍采用人工操作方式，将直径0.5 mm的125I银针装入内径0.6 mm的钛管，并转移至焊接工位完成钛管焊接[4]。因钛管及银针体积微小，现有生产工艺对银针灌装及人工焊封技术要求很高，在人工目测观察的情况下进行操作导致生产效率低下(单粒密封籽源组装焊接时间约为30 s)，而且由于现有工艺要求操作人员近距离操作银丝和钛管，125I所具有的放射性射线会对操作人员造成一定的辐射伤害。近年来，中国虽有少量关于密封籽源自动化生产设备的研究，但受限于放射性操作限制等原因，在实验数据数量及实验完整性等方面还无法满足生产企业投入商业使用的需求[5-7]。

基于上述存在的问题，为了提高125I密封籽源的自动化生产水平，现研制新型125I密封籽源自动化装配系统。125I银针灌装、钛管焊接、籽源收集都通过自动化设备完成，显著提高生产效率，并且将自动化设备安装在铅屏蔽结构的放射性工作箱中，操作员可通过上位机远程操作放射性工作箱内的自动化设备，避免操作员受到125I的辐射伤害。

1 总体方案设计

密封籽源自动化组装焊接设备由钛管盒安装及钛管装夹工位、银针灌装工位、钛管焊接工位和密封籽源下料工位4个相互衔接的工位构成，由上位机控制系统进行控制，工位采用旋转型自动化设计，结构紧凑、直观且符合放射性工作箱操作要求。系统总体方案示意图如图1所示。

图1 系统总体方案设计示意图
Fig.1 Schematic diagram of system overall scheme design

密封籽源自动化组装焊接设备采用CP1H欧姆龙可编程控制器(programmable logic controller，PLC)作为核心控制处理部件，通过PLC与上位机的控制系统进行通信，触控屏设置参数，以达到对旋转工作台、钛管夹具、直线送料模块、振动筛、银针灌装、钛管焊接、钛管下料等部件分步控制的目的，并通过光电检测传感器及位置传感器的信号反馈，实现钛管安装、125I籽源银针自动向钛管进行灌装、焊接以及125I密封籽源的收集等工作，系统工作原理图如图2所示。

图2 125I密封籽源自动化装配系统工作原理图
Fig.2 Working principle diagram of 125I sealed seed source automatic assembly system

2 工位机构结构及功能

2.1 钛管装夹工位结构及工作流程

钛管装夹工位用于钛管自动下料及安装操作的功能。其结构包括装钛管盒进给系统、位置检测传感器、气缸等部件组成。

钛管装夹工位工作过程：将装有钛管的钛管盒安装到钛管梭子并夹紧，进给控制电机通过滚珠丝杠将钛管盒移到钛管安装工作位，旋转工作台带动钛管卡具转到安装位置，并检测钛管夹头是否是空位，钛管安装工位气缸2动作，顶开夹头罩，钛管夹头张开，捅针气缸1动作，从钛管盒推钛管到钛管夹头，气缸2动作复位，夹头罩复位，钛管夹头收紧[8-9]，完成一次钛管安装，上位机控制系统进行计数，重复动作，如图3所示。

图3 钛管安装工位结构示意图
Fig.3 Structure diagram of titanium tube installation station

2.2 银针灌装工位结构及工作流程

银针灌装工位结构如图4所示，银针灌装工位由振动筛、电磁铁、银针检测、气缸等部件组成，主要完成将吸附有125I放射性药液的银针灌入钛管的工作。

图4 银针装芯工位结构示意图
Fig.4 Structure diagram of silver needle core mounting station

银针灌装工位工作过程：上位机控制换位回转电机动作，驱动旋转工作台带动钛管卡具旋转90°至直线送料模块的银针滑出口；125I密封籽源自动化装配系统提供的吸附125I药液的银针经过银针排序系统的自动排序后，在振动筛中会按照螺旋结构轨道逐渐上升，通过导管滑入下针口，凸轮电机转一圈，凸轮带动一根银针进入滑轨。在银针滑入的进管口和出管口各安装有一个电磁铁，控制每次只掉入一根钛管，光电传感器检测有银针掉落后置位气缸动作，使钛管卡具中的钛管口与银针滑落口的中心线一致，然后下顶位气缸工作，把带有125I放射性材料的银针推入钛管中，此时，光电传感器检测银针是否已到位，确保每次顶入单根银针。银针装入后，钛管梭子向前移动的同时旋转工作台移动，为下次装填银针做好准备工作。

2.3 钛管焊接工位结构及工作流程

钛管焊接工位，主要由激光焊机、电机及滚轮机构、惰性气体释放控制机构组成，如图5所示，主要工作是将已经装好银针的钛管进行焊接。

图5 钛管焊接系统结构示意图
Fig.5 Structural diagram of titanium pipe welding system

钛管焊接工作过程：旋转工作台带动钛管夹头以及工件旋转至钛管焊接工位，然后停止，在夹头部分即将进入停止点的时候，摩擦轮开始与卡头相接触，旋转工作台停止运作之后，摩擦轮电机直接带动摩擦轮旋转使卡头旋转，当摩擦轮电机开始旋转时焊机开始进行焊接，同时惰性气体喷射覆盖焊接点进行焊接保护[10]。完成焊接后摩擦轮旋转电机停转，激光焊机停止焊接，惰性气体关闭，此工位工作完成。

2.4 密封籽源下料工位结构及工作流程

密封籽源下料工位的功能是将钛管焊接工位完成封装的125I密封籽源钛管通过卡具卸到钛管收集容具中，主要由钛管检测部件、气缸、气缸位置检测传感器、装料盒等组成，如图6所示。密封籽源下料工位工作过程：旋转工作台与钛管下料工位对正后，钛管下料工位底部气缸带动气缸推杆使夹头向上运动直至卡头打开，成品125I密封籽源钛管沿着推杆预留的孔滑落，进入装料盒中，在成品滑落之后气缸复位，回到初始位置，自此4个工位动作完成，往复循环，完成自动组装焊接功能。

图6 密封籽源下料系统结构示意图
Fig.6 Structure diagram of sealed seed source blanking system

2.5 上位机控制系统

上位机控制系统用于控制125I密封籽源自动化装配系统运行钛管安装、125I银针灌装、钛管焊接、籽源收集等工位机械动作。如图7所示，由于在放射性工作箱中应用，须稳定可靠的长期运行，对控制系统的可靠性要求较高。125I密封籽源自动化装配系统采用了欧姆龙CP1H型PLC作为核心控制模块，其硬件集成度高、抗干扰力强、功能扩展性好等特点符合放射性场所的苛刻环境下的使用[11-12]。PLC根据工位动作要求，通过编程实现如下功能。

图7 125I密封籽源自动化装配系统PLC控制原理图
Fig.7 PLC control schematic diagram of 125I sealed seed source automatic assembly system

(1)通过步进电机控制指令编程，驱动步进电机实现旋转工作台的工位定位。

(2)通过输入/输出(input/output，I/O)数字输出接口对各工位气缸电磁阀、夹具进行电平信号控制，以电-气信号转换驱动气动部件动作。

(3)通过I/O数字输入接口实时采集位置传感器及光电传感器检测信号，以判断各工位部件的运行状态。

(4)通过通信接口实现对激光焊机焊接操作的控制。

(5)与上位机触控屏进行通信，通过MCGS组态软件进行界面操作及参数设置[13]。

3 性能评价

3.1 钛管装夹工位操作效果评价

钛管装夹工位通过预填装模式将钛管装入设备，可免去生产过程中手工下料受到的射线照射，大幅降低人员所受剂量。预填装模式虽然在无剂量场所进行夹具填装，仍存在填装过程较慢的问题，将在未来的工作中进行改进提升。

3.2 密封籽源组装焊接效率评价

作为密封籽源自动化生产设备，密封籽源组装成功率、焊接成功率是生产过程中的关键控制点。银丝曲度、环境湿度等因素都会影响组装成功效率。以400粒/批进行5组试验，组装成功率为98.8%～99.5%，焊接成功率为96.7%～97.5%。

3.3 设备性能指标

密封籽源自动化组装焊接设备经实验调试后，确定的设备技术指标如表1所示。

表1 技术指标
Table 1 Technical index

4 结论

经过实验调试，研制的125I密封籽源自动化装配系统可以完成对放射性药物的排序、灌装、焊接、收集等工作，设备具有密封籽源装配速度快、自动化程度高、稳定性好等特点。125I密封籽源自动化装配系统的研制，有效缩短了密封籽源的制备时间，提升了125I密封籽源的生产效率，减少了操作人员在125I密封籽源装配过程度的人为因素影响，可有效提高125I密封籽源生产企业的生产供应能力及125I密封籽源生产质量。自动化设计将操作人员的近距离接触变更为远距离操控，对降低放射性操作人员所受的辐射伤害及生产场所碘[125I]气溶胶的产生具有重要意义。