医用质子重离子加速器*纯水分析系统设计及应用效果评估

李万宏 伍松海 朱春杰*

上海市质子重离子医院引进的西门子质子重离子加速器设备(IONTRIS系统)射线能量最高可达430 MeV/u，按照我国射线装置分类标准，属于Ⅰ类射线装置[1]。为满足辐射防护要求，束流加速及传输设备安装在密闭区域内，并设置严格的辐射屏蔽[2]。为实现加速器部件的良好散热，采用循环水在电磁装置内部循环流动散热的方式，用于粒子束流加速方向控制的2级磁铁、4级磁铁及6级磁铁的绕线采用中空设计，内部通过循环冷却水流动散发运行过程中产生的热量，因为磁铁绕线带电，所以循环水使用低电导率水，需控制其电导率＜2 μs/cm，否则将引起加速器部件损坏。为此，如何进行纯水制水及循环过程电导率的监控，是本研究关注的重要内容；其次，纯水处理过程中需使用如滤芯、反渗透膜、去离子树脂、连续电除盐(continuous electrodeionization，CEDI)模块等耗材，如何在满足系统良好运行的同时，提高耗材的使用效率，是本研究关注的另一重点内容。

1 资料与方法

1.1 制备工艺及方法

质子重离子加速器纯水制备工艺及方法。纯水的制备过程主要是去除水中杂质和盐，盐一般以离子的形式存在于水中，其中阳离子有Ca2+、Mg2+、K+、Na+及少量的铁、锰离子，阴离子有HCO3-、Cl-、SO4

2-、NO3

-等，水的纯度越高，其含盐越低[3]。使用的纯水制备工艺过程包括多介质过滤、活性碳过滤、软化、反渗透(reverse osmosis，RO)、CEDI、紫外线(ultraviolet rays，UV)杀菌以及树脂抛光过程，除去水中的杂质和盐分，处理后的实际电导率能够达到＜100 ns/cm的标准，远高于IONTRIS系统对于循环水的要求。

各工艺过程均设置双路设备运行，当任意一路出现异常时，另外一路可自动切换至运行状态。各主要工艺过程的原理为多介质过滤器利用石英砂作为介质，除去悬浮杂质及铁锈。活性碳过滤器利用活性碳的吸附能力，提高水的净化程度，可使余氯含量＜0.1 PPM，同时，活性碳能除去水中的异味、有机物及胶体，对于降低水的浊度、色度也有较好的作用。

软化器通过去离子树脂降低水的硬度[4]。RO装置利用循环水泵的压力使水通过RO膜进行分离，去除水中的溶解盐、胶体、细菌等杂质[5]。CEDI装置的工作原理是，阴离子交换膜只允许阴离子通过，阳离子交换膜只允许阳离子通过，在一对阴阳离子交换膜之间充填混合离子交换树脂就形成一个CEDI单元，通过此装置，进一步提高水的纯度[6]。UV杀菌装置利用254 nm的UV灯管进行杀菌，经过UV杀菌后的纯水再经过抛光混床，在抛光树脂的作用下，进一步降低电导率[7]。

1.2 在线电导率控制方法

质子重离子加速器内冷却水系统包括离子源、直线加速器、同步加速器、射频以及高能输运线等内循环水部分。在内循环水系统中，在循环水泵两端并联在线抛光混床，内部添加去离子树脂，实现在线的离子去除。同时，在每个子系统中安装电导率监控仪表，在线监测内循环水电导率数值。同时将数据接入分析系统中，在线实时监控内循环水电导率数据。各循环水子系统在线电导率监控原理如图1所示。

图1 各循环水子系统在线电导率监控原理图

1.3 数据分析方法

1.3.1 多介质与活性碳过滤器

安装在线流量计，记录流量数据，分析软件中设定累积流量报警值，达到这个数值，提醒人为更换过滤介质。报警值可根据运行经验修改[8]。

1.3.2 RO装置、CEDI装置及抛光混床前后的过滤器

为避免残留固体颗粒以及细菌造成RO膜和CEDI的污堵，在RO装置、CEDI装置前及抛光混床前后分别安装过滤器。通过在过滤器前后安装压力变送器，实时记录进出口压力，系统自动计算压差，当压差大于设定值时，系统自动报警，提示更换滤芯。

1.3.3 RO装置

在RO膜前后安装压力变送器，记录跨膜压差；同时通过电导率仪，记录电导率曲线；通过在线流量计记录产水流量值和累计流量值。当运行压差高于报警值或电导率高于设定值或在运行状态时产水流量低于设定值时，报警提示进行RO膜的清洗或更换。

1.3.4 CEDI装置

在淡水室和浓水室安装压力变送器，实时记录运行压力，分析压差，当压差值高于设定压差时，提示进行CEDI保养；实时记录产水电阻率值，若电阻率下降至设定值，提示进行CEDI保养；实时记录运行电流及电压值，通过电流及电压计算电阻值，当电阻值增加至设定值时，系统报警提示进行CEDI保养。

1.3.5 UV装置

实时记录累积时间。设定当累积时间达到设定值，系统报警提示更换灯管。

1.3.6 在线抛光混床

实时记录产水电导率值，若产水电导率大于设定值时，系统报警提示更换树脂。或运行人员观察到电导率曲线有明显上升趋势时，进行树脂的更换。

1.4 控制系统设计及监控软件开发

控制系统选用西门子S7-300PLC，采用STEP7软件完成可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)控制程序的编写。上位机监控软件采用WINCC集成开发平台完成监控系统及数据分析曲线界面的开发。

1.5 应用效果评估方法

现场运行人员根据监控数据的状态及报警值进行耗材的更换，同时，记录耗材的更换量。对比分析系统运行前后的耗材使用经济性进行应用效果评估。评估方法为：统计分析系统应用前后的平均单月耗材成本进行比较，评估实际效果。

2 结果

2.1 数据分析曲线

为了能够实现压差数据变化趋势的监控，针对主要过滤材料(如过滤器、RO装置等)设置压差监控曲线，如果发现压差出现明显上升趋势时，及时更换过滤材料，如图2所示。

图2 压差监控曲线图

为了实现离子交换树脂使用状态的监控，及时发现树脂失效，针对在线抛光混床设置电导率监控曲线。当去离子树脂失效时循环水会出现上升趋势；当进行树脂更换后，循环水电导率会逐渐下降至稳定，抛光混床在线电导率监控曲线如图3所示。

图3 抛光混床在线电导率监控曲线图

因纯水分析系统涉及的监控曲线较多，此处不再详细列举，曲线展示的基本原则是按照本研究中“数据分析方法”(1.3节)描述的方法进行。通过曲线展示，便于监控人员及时发现数据变化趋势而进行耗材的更换或故障的处理。

2.2 功能参数设定及数据查询

为了便于查询实时运行状态，在分析系统中设置功能参数设定及数据查询界面，其中包括水泵、多介质过滤器及活性碳过滤器的运行参数设定界面，以及RO装置运行数据监控及参数设定界面和CEDI功能参数设定及查询界面，可通过这些数据监控界面查询系统内的设备运行状态及设定报警参数(如图4、图5和图6所示)。

图4 水泵、多介质过滤器、活性碳过滤器运行数据监控及参数设定界面图

图5 反渗透装置运行数据监控及参数设定界面图

图6 CDI功能参数设定及查询界面图

表1 纯水分析系统应用前后耗材经济性评估

2.3 报警信息查询

为了能够让监控人员及时发现报警信息，在分析系统中设置报警信息查询界面，显示的是参数超出规定的限值，以及检测到系统故障后发出的信息列表。在故障信息列表中可以清晰地看到系统参数偏离或设备故障发生具体时间以及持续时间(如图7所示)。

图7 报警信息查询界面图

2.4 运行效果评估

医院于2016年4月完成纯水分析系统的开发并上线使用，应用该系统后，现场运行人员对于纯水系统故障处理及耗材更换的及时性得到明显提高。为了评估其实际应用效果，对耗材的使用进行了统计，并对分析系统应用前后的经济性进行评估。统计纯水分析系统应用前的36个月(从2013年5月至2016年4月)与系统应用后的12个月(2016年5月至2017年4月)的耗材用量，计算单月成本并进行对比，见表1。

统计结果显示，分析系统应用前的单月耗材成本为33980元/月，分析系统应用后的单月耗材成本为14313元/月，系统运行经济性明显提升。

3 讨论

通过纯水分析系统的应用，使医院现场运行人员更加清晰地查看系统运行的状态，并能根据数据曲线预测维护保养及耗材更换的时间。系统的设计及应用提高了系统分析及诊断的能力，同时，对耗材成本的控制起到了积极的作用。然而，由于分析系统的应用时间较短，对于成本分析的精确性还有待于数据长时间累计后做进一步验证。

随着智能化与信息技术的进步，针对质子重离子加速器纯水制备系统还有许多值得研究的内容。①需要进一步研究如何做好系统重要部件的维护保养，减少耗材更换成本，如CEDI装置、RO膜等属于比较昂贵的耗材，需要做好其清洗及灭菌，并研究其延长使用寿命的方法[9-10]；②需要研究系统管理中的科学风险评估的方法。作为医用设备设施，需要以高稳定性的运行要求来管理，针对系统运行过程中可能存在的问题需要进行科学的风险评估，并针对运行风险较大的问题做好预防与应急[11-14]。针对可能导致系统停机的故障，做好应急准备及预防性检测与维护非常必要[14]；③当前处于互联网+及大数据高度发展的时期，各医疗机构均在建立设备设施信息化平台，纯水制备系统作为医院的重要设施，需实现与上层平台的数据接入，同时，如何进行数据的深层次挖掘及稳定性评估也需深入研究。此外，质子重离子加速器纯水系统作为一套医用装置，需参考医用实验室的相关标准进行运行管理[15]。考虑将其制备的纯水应用于医学实验，这将对于降低医院运行成本起到一定积极的作用。

参考文献

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