XGD型旋转式伽马刀屏蔽门部件的设计

李建国，冯德进

XGD型旋转式伽马刀屏蔽门部件的设计

李建国，冯德进

目的：对XGD型旋转式伽马刀设备屏蔽门及其部件进行设计，以期使设备运行平稳，安全可靠，故障率小。方法：比较屏蔽门1扇门式设计、窗帘式设计、左右2扇门垂直式旋转设计、上下2扇门水平旋转式设计等几种开门方式及其部件设计的优劣，选择最合适的屏蔽门及其部件设计方案。结果：选用上下2扇门水平式旋转设计，该设计总体布局紧凑，与治疗床的连接易于实现，传动机构简单。结论：合理的屏蔽门运行方式及部件设计，可保证伽马刀设计、安装和调试各个环节的科学、安全、可靠。

屏蔽门；伽马刀；伽马线

0 引言

XGD型旋转式伽马刀设备是我国自主研制开发的高端医疗产品。自从第一台伽马刀发明以来，已配备在国内100多家医院使用，为千万人解除了痛苦[1]。该设备在进行医疗器械注册证取证前经过了反复的设计[2]，下面对XGD型旋转式伽马刀设备屏蔽门部件的改型设计进行总结。

1 设备原理

治疗时，XGD型旋转式伽马刀屏蔽门的作用是上门扇和下门扇同时打开，以便移动床面上的定位支架进入射源体内。非治疗时，将钴-60伽马线屏蔽，保证治疗室内所有地方的杂散漏射量符合有关技术标准[3-4]。OUR-XGD型旋转式伽马刀如图1所示。

图1 OUR-XGD型旋转式伽马刀

2 门部件的设计

基于核物理防护，门的外框需要400 mm厚的铸铁块围成。由于不再设计单独的外罩壳，因此，伽马刀的外观有很大一部分需要通过屏蔽门的外观设计而获得。在满足屏蔽厚度的前提下，为了减轻主机的质量，壁厚应尽量设计为均匀400 mm，还有就是应尽量设计成一体，这样可减少因组合面而造成射线从贴合面中漏出。主要贴合面需要设计成阶梯面，这样可以通过阶梯面将漏出的射线屏蔽。伽马刀设备安装有钴-60放射源，整个屏蔽门机构不允许出现重大故障，否则无法修复。基于这些特点，设计中需要解决下列问题：

（1）开门的方式。可设计成闸门方式；可设计成左右对开，也可设计成上下2扇门水平旋转或者左右2扇门垂直旋转。而一旦确定了开门方案，其传动系统才能确定。

（2）门框的设计。如果四周的门框由多个大铸件组合而成，设计时必须考虑到每个贴合面均由阶梯面构成，还需要考虑外形的设计，这样设计会很复杂。如果门框由很少的铸件构成，每个构件是很厚的铸铁件，铸造和加工会比较困难。再者，其外形轮廓是由一个立体曲面构成，如何设计和加工，这也是个难题。

（3）手动开关门机构。屏蔽门开关门机构要求几十年运行不损坏，考虑到设备故障，有时需要手工关闭屏蔽门，因此，需要设计手动开门或关门机构。该机构应放在易于操作的位置。由于在屏蔽门打开时有很大的辐射量，因此，手动机构应设在安全的位置。

2.1 屏蔽门开门方式的设计

2.1.1 1扇门式设计

设计成1扇门，在门下面挖一个地坑。开门时，这扇门垂直地下降，整扇门上的平面有2排导轨，门下降到位后，导轨面和治疗床的导轨面衔接，保证移动床面能够通过2段导轨顺利地进入射源体内。根据定位支架的设计尺寸要求，门框的开口尺寸要求宽670 mm、高560 mm，门的宽度和高度至少为750和650 mm。根据核物理工程师的计算，屏蔽门的厚度需为400 mm，这样门的质量为 G=0.750×0.650×0.400×7.0= 1.365 t。关闭屏蔽门时，需要将质量为1.365 t的屏蔽门往上提升，如果没有采用配重，电动机功率将很大，这不可取。如果采用配重，则屏蔽门部件设计需要考虑配重位置和空间，整个外形设计、传动设计、手动机构安排、现场的安装和调试等都是问题。另外，治疗床和屏蔽门的连接位置和方式等也是问题。最终放弃该方案。

2.1.2 窗帘式设计

屏蔽门设计成窗帘式，左右对开或关闭。2扇门中间采用阶梯齿闭合，防止伽马线从门中间贴合面的门缝漏出，每扇门高560 mm、宽350 mm、厚400 mm，下面固定有承重的导轨，上面安装有丝杠，分别通过联轴器和一边的换向齿轮连接到一个电动机。电动机运行时，左右丝杠同时旋转，但旋转方向一边为顺时针，另一边则为逆时针，通过丝杠副上的螺母带动左右2扇门开启和关闭。

优点：由于采用专用的导轨，传动载荷小；采用的电动机功率小，传动简单可靠，易于控制；手动机构可设计在屏蔽门的侧面，易于医生紧急时操作且在相对辐射小的位置；易于和治疗床进行连接。

缺点：由于左右2扇门打开时需要往外延伸，并留有往外延伸的导轨，这样屏蔽门的宽度大，外形设计难，总体结构不紧凑；运输中，2扇门不易固定，可能需要现场安装，工作量比较大。经过总体考虑，最终放弃该方案。

2.1.3 左右2扇门垂直旋转式设计

屏蔽门设计成左右2扇门垂直旋转式，整个门框分别由左屏蔽体、右屏蔽体、顶梁和底座通过螺栓连接而成，各连接面设计成阶梯形状，用于防止射线漏出，门洞左右两边分别有2扇屏蔽门（如图2所示）。其中，2扇门分别由半个圆柱体加上门沿连接而成。2个门沿的结合面通过齿状相互结合，从而减少射线从结合面中漏出。每扇门下面安装有一个平面轴承，支撑质量接近1 t的门扇。当开始治疗时，左门扇逆时针旋转90°，右门扇顺时针同步旋转90°，从而开启一个治疗的空间。治疗结束后，移动床面完全退出屏蔽门到达治疗床的电气原点处，屏蔽门各自按照相反的方向转动90°，而将伽马线屏蔽在腔内。屏蔽体的阶梯圆孔将与射源体的阶梯凸出圆柱体装配而成，防止伽马线从结合面缝隙中漏出。

图2 左右2扇门垂直旋转式设计示意图

优点：总体布局紧凑；外形易于按照效果图进行设计；与治疗床的连接易于实现；左右2扇门设计巧妙，运行时安全可靠；传动机构简单。

缺点：根据该布局，传动机构安装在顶梁上，这样手动机构的位置在上，无法满足操作方便的要求。如果将手动机构引到侧面，则该机构暴露在外，影响外观。

2.1.4 上下2扇门水平旋转式设计

上下2扇门水平地相互旋转，分别由半个圆柱体加上门沿连接而成，2个门沿的结合面通过齿状相互结合，从而减少射线从结合面中漏出。与2.1.3方案的不同是：将其设计成水平方向，当开始治疗时，上门扇逆时针旋转90°，下门扇顺时针同步旋转90°，从而开启一个治疗的空间。治疗结束后，移动床面完全退出屏蔽门到达治疗床的电气原点处，屏蔽门各自按照相反的方向转动90°，而将伽马线屏蔽在腔内[5]。

优点：总体布局紧凑；外形易于按照效果图进行设计；与治疗床的连接易于实现；上下2扇门设计巧妙，运行时安全可靠；传动机构简单；手动机构易于安装在左右两侧，方便医生在紧急情况下手动关门。

最后，通过专家评审选用该方案（如图3所示）。

图3 上下2扇门水平旋转式设计示意图

2.2 门框的组合设计

由于门框需要屏蔽伽马线，门框和屏蔽体的外屏蔽球最好能成一体，防止伽马线从结合面中漏出，因此，设计结合面通过阶梯圆和阶梯凸出圆柱装配而成，且尽量设计成较少的实体组成屏蔽框，而每个大实体又能保证具有较好的铸造性能、加工性能且方便安装。

经过仔细研究，采用前后2块实体构成屏蔽门的门框结构（如图4所示），改变了前面样机由前、后、左、右4块实体构成的复杂加工实体和复杂装配工艺。每扇门左右各由2个铰接触球轴承支撑，左边侧面一边安装有蜗轮减速器，中间连接一个自行设计的T型箱，上边连接一个电动机并自带减速器，侧面连接手柄，整个结构简单清晰。其中，2扇门上下各装有一对大齿轮，保证其能够同步朝相反方向旋转。

图4 屏蔽门结构示意图

图4中的曲线体是个三维的曲线，是根据美工的外形效果图进行的三维设计。由于当时AUTOCAD软件还没有很强的三维设计功能，为此，采用了PROE三维设计软件进行实体设计，很好地解决了该问题。

2.3 手动机构的设计

采用该方案使得手动机构设计相当容易解决，没有影响到外形。手动机构在辐射较小的位置，操作方便，只需在盖子一角轻轻一压，整个盖子即可取下，将手柄把手放平，即可摇动把手快速关闭屏蔽门。

3 整个部件的运行可靠性评估

由于是放射性设备，万一门框里面机械出问题，需要将钴源取出后才能修理，因此，该屏蔽门的可靠性应按长期运行不出现故障来设计。因为上下门扇采用的轴承型号相对2个门扇的载荷来说绰绰有余，上下齿轮同样如此，因此，2扇门长期开启和关闭的可靠性没有问题。传动机构的可靠性也相当高，即便电动机坏了，也容易进行修理和更换。

4 实际应用效果

经过一段时间的试验，XGD型旋转式伽马刀设备的屏蔽门治疗时运行平稳、安全可靠、故障率低；非治疗时，屏蔽钴-60伽马线可保证表面漏射线剂量最大不超过50 μSv/h，低于我国医用伽马线机头漏射线剂量限值（100 μSv/h）。治疗室内所有地方的杂散漏射量符合有关技术标准[6-8]。

5 结语

XGD型旋转式伽马刀治疗设备是一种放射性外科治疗仪器，所用核素钴-60平均能量为1.25MeV，屏蔽门是其主机的重要部分。屏蔽门结构看似简单，但设计中需要充分考虑患者、医生的人身安全。通过合理的设计处理，伽马刀的设计、制造、安装和调试各个环节科学、安全、可靠，最后批量生产，进入临床治疗，并取得了美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准，从而形成了领先世界的伽马刀新兴产业[9-10]。

[1]朱国力，张晓光.旋转式头部伽马刀控制系统[J].中国医疗器械杂志，2001，25（2）：75.

[2]李建国，冯德进.XGD型旋转式伽马刀治疗床的设计、调试和改进[J].医疗卫生装备，2014，35（2）：163-164.

[3]GB W3—1980 医用远距治疗线机卫生防护标准[S].

[4]李星洪，孙建永.伽马治疗刀的辐射屏蔽设计计算[J].核医学与工程，1998（2）：21-22.

[5]张钦富，姚仲甫，杨均芳.伽马刀放射防护监测与评价[J].中国辐射卫生，1999（1）：12-13.

[6]金建鹤，方明明.直线加速器治疗室电动屏蔽门自动开门故障的检修[J].医疗卫生装备，2006，27（10）：45.

[7]雷续虎，吕文红，卫伟.SGS-Ⅰ型超级伽马刀故障维修3例[J].医疗卫生装备，2014，35（6）：163-164.

[8]王建坤.伽马刀治疗床驱动部分改进[J].医疗卫生装备，2002，23（4）：6-7.

[9]朱红兵，汪东仿.LGK-464型伽马刀自动控制原理[J].中国医疗器械杂志，1999（4）：9.

[10]梁爱军，黄埔新.瑞典医科达B型伽马刀故障维修一例[J].临床放射学杂志，2001（4）：2-3.

（收稿：2014-03-19 修回：2014-07-20）

Design of rotating shielding door for XGD gamma knife

LI Jian-guo1,FENG De-jin2
(1.Center for Tumor Diagnosis and Treatment,Navy General Hospital,Beijing 100048,China; 2.CMS Concord Medical Group Co.,LTD.,Shenzhen 518048,Guangdong Province,China)

ObjectiveTo design a rotating shielding door for XGD gamma knife to gain high stability,reliability and low failure rate.MethodsOptimal door structure and components were determined by comparing several schemes,involving one-piece structure,curtain-type structure,horizontal-rotating structure with left and right parts,and horizontal-rotating structure with upper and lower parts.ResultsHorizontal-rotating structure with left and right parts was chosen for compact layout,simple drive mechanism and easy interface with therapy bed.ConclusionReasonable structure and components of shielding door make gamma knife designed,installed and tested properly.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：50-52]

shielding door;gamma knife;gamma rays

R318.6；TH777

A

1003-8868（2015）03-0050-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.050

李建国（1967—），男，工程师，主要从事放疗物理及质量控制方面的研究工作，E-mail：13671133301@126.com。

100048北京，海军总医院肿瘤诊疗中心（李建国）；518048广东深圳，CMS泰和诚医疗集团有限公司（冯德进）