正电子核素药物多功能自动分装仪的研制

正电子核素药物多功能自动分装仪的研制

杨学文李剑明

泰达国际心血管病医院 核医学科 天津 邮编：300457

【摘要】目的：设计一种核素自动分装仪，用于核素自动化分装时，根据实际需要分装的核素，控制不同管线的闭合状态，达到精确分装不同核素的目的。方法：精度控制部分基于电路仿真软件Protues和单片机软件开发软件Keil设计，在设备运行过程中用于控制蠕动泵的何时中断，何时切换旋转方向。调节功能操作台体积按钮，将核素分装体积参数设置为1.5ml、2ml和2.5ml，对该系统进行测试。结果：该自动分装仪可以实现两种放射性核素自动分装功能，分装精度可以达到设计要求（精度±0.1ml）。结论：该设备可以满足设计要求，减少工作人员的辐射的同时，达到交叉分装两种不同种类核素的功能。

【关键词】自动分装；扫码；解码；

Design and research of multifunctional and automatic instrument for subpacking positron nuclide

Abstract Objective This paper designs a kind of nuclide automatic packing instrument, which is used for the nuclide automatic packing, according to the actual needs of the nuclide, control the closed state of different pipelines, and achieve the purpose of accurate packing of different nuclides. Methods The precision control part is designed based on the circuit simulation software Protues and the SCM software development software Keil, which is used to control when the peristaltic pump is interrupted and when the rotation direction is switched during the operation of the equipment. The system was tested by adjusting the volume button of the functional operating platform and setting the volume parameters of the nuclide packing to 1.5ml, 2ml and 2.5ml. Results The automatic dispensing instrument can realize the function of automatic dispensing of two radionuclides, and the dispensing accuracy can meet the design requirements (accuracy ±0.1ml). Conclusion The equipment can meet the design requirements, reduce the radiation of workers, and achieve the function of cross-packing two different types of radionuclides.

Key words automatic subassembly; scan the code; decode

0 引言

随着PET/CT临床开展日益普及，检查数量和种类不断攀升，这对从事 PET/CT的专业技术人员日常操作和自身放射防护也提出了更高的要求。尤其是随着正电子药物突破性研发，除常规的18F-FDG（中英文全称）以外的多种正电子核素逐步应用于临床，亦出现多种正电子核素同时使用情况，这需要在同一个时间段至少两种不同正电子核素药物可被有序分装[1]。

目前尚无任何产品能够有效解决同时段多核素自动精准分装问题。我们在满足回旋加速器制药中心生产标准的前提下，研制了一台自动分装仪。该设备体积小、结构简单，提高了工作效率。

1 仪器设计

正电子自动分装仪由核素抽取机械装置、精度控制装置和控制程序组成。通过3个部分的协调工作，可以完成两种不同核素无缝衔接分装，同时做到精准体积分装[2][3]。分装仪设计效果图见图1。

图1 分装仪设计效果图：1、盐水瓶，2、核素原液Ⅰ瓶，3、回收瓶，4、核素原液Ⅱ瓶，5、蠕动泵，6、核素抽取机械装置，7、注射器连接管，8、传感器，9、注射器，10、控制线，11、工作操控台，12、分装功能按键，13、设备总开关，14、体积显示屏，15、体积设置按钮,16、管路a1，17、管路a2，18、管路a3，19、管路a4，20、管路a5，21、电磁阀Ⅰ，22、电磁阀Ⅱ，23、电磁阀Ⅲ，24、电磁阀Ⅳ，25、电磁阀Ⅴ，26、管路b1，27、管路b2，28、管路b3，29、三通阀Ⅱ，30、三通阀Ⅰ，31、四通阀

1.1核素抽取机械装置设计

核素抽取机械装置主要由管路相连结构和机械动力结构两个部分组成。

管路相连结构主要由放射性核素瓶Ⅰ、放射性核素瓶Ⅱ、液体回收瓶、无菌盐水瓶、5个电磁阀、2个三通阀和1个四通阀组成，按照图1方式连接，形成5条相互独立的液体管线通路，均通过机械动力结构最终连接于分装注射器：

管线：内径3mm，壁厚1mm，外径5mm，软管；电磁阀：12V，行程5mm，管线穿过电磁阀内部凹槽，电磁阀通电时，挤压管线使管线处于截止状态；电磁阀断电时，松开管线使管线处于导通状态。

1.2精度控制装置设计

精度控制装置位于操作台内，原理如图2所示，系统以stc89c52开发板单片机为控制核心。单片机的P0口作为功能按键信号接受端口；P1口的P1^0、P1^1、P1^2和P1^3分别控制锁存器0、锁存器1、锁存器2和锁存器3的工作状态；P2口作为单片机内部指令信号输出端口，经过锁存器与各个电器设备的启动控制电路相连；P3口作为微控信号接受端口，P3^0与按键电路相连、P3^2接收传感器触发信号，P1口和P2口作为信号程序指令输出端，实现对蠕动泵正反转、传感器激活关闭和电磁阀通断的同步协调，完成对设备的精准控制[4-6]。

图2 精度控制系统结构框图

1.2.1信号输入单元

stc89C52单片机共有8个功能按键，分别为按键0-7号，均为一侧低电平（接地），另一侧高电平（接5v电源），高电平表示为”1”，低电平表示为”0”，将有序排列的8个功能按键的电平信息（0或1）定义为一个8位十六进制数DATA，与单片机P0（P0^0-P0^7）通过锁存器0对应相连，锁存器0处于常断状态（信号无法传输），见图3。

图3 功能指令输入单元电路原理图

P3口作为微控信号接受端口，当P3^0为低电平表示功能按键被按下；P3^2与传感器触发信号相连接，当P3^2 为低电平时，表示注射器连接管内液体经过传感器；P3^3和P3^4分别与体积按键增加和减少按键电路相连。分装仪开机之后，体积显示屏初始显示值为“0.0”，即分装核素原液体积为0。体积调节电路见图4，软件程序设置待机体积参数（volume）初始值为0，当“+0.1ml”被按下瞬间时，按键两侧均变为低电平，同时P3^3处变为低电平，单片机延时1s后，volume自动+1，程序将volume/10取整赋值给临时变量a，P2口输出显示a的代码信号，P1^3口输出可使锁存器1导通的电平信号，a值输出显示在左侧显示屏上，同理程序将volume/10取余显示在右侧显示屏上，效果详见2.1.1 体积调节功能测试章节。volume参数值会被存储在单片机内部存储器内[7-8]。

图4 体积调节电路示意图

1.2.2信号输出单元

stc89c52单片机P1口和P2口设定为程序指令输出口，P1口的电平信号与各信号锁存器的LE位（信号传输允许位）相连，控制信号的传输通道。P2口输出的信号控制电磁阀、蠕动泵、传感器和LED显示屏的工作状态。

P1口的P1^0与锁存器0的LE相连，当P1^0输出低电平时，单片机P0口可接收到即时的功能按键信号，反之当P1^0为高电平，功能按键信号无法被P0接收到。同理P1^1、P1^2和P1^3分别控制锁存器1、锁存器2和锁存器3的导通状态[9]，见图5。

图5驱动单元电路原理图

1.3控制程序设计

上述核素抽取机械装置和精度控制装置（包括输入、输出单元）所包含的电路与管线按不同指令连接、执行目标行动等所有功能，均需要在控制中枢配套软件的主控程序控制下，有序运行，程序编译环境为Keil C51单片机C语言软件开发系统。软件程序控制分为两个部分，主程序（接收操作者指令）和子程序（精准执行分项功能）。

1.3.1主程序

主程序主要功能为“扫码、解码、跳转和返回”，主程序流程逻辑见图6。

图6主程序流程图

1.3.2子程序

自动分装仪可分装两种不同放射性核素，分装一种放射性核素需要4个独立功能：安装、分装、回收和清洗。因此两种核素的分装共设置8个独立功能按键，对应8个子功能，见图7。

图7 8个功能按键对应十六进制DATA值及执行功能参照表

以执行主要功能（功能2：分装核素Ⅰ）为例：系统执行过程如下（图8）：

图8 分装核素Ⅰ子程序运行逻辑图

以上步骤为分装核素Ⅰ的主要部分，每一步均在子程序中有与之对应的程序代码。其它7个子功能与功能2执行过程中，逻辑相似。

2设备测试

2.1 软件测试

采用Keil软件（ Software，uVision2）和C语言对stc89c52单片机进行编程，导入Proteus软件（Lab Center Electronics公司，7 Professional）内进行测试。

2.1.1 体积调节功能

启动软件系统程序设置默认0.0ml，按动依次连续多次按下“+0.1ml”按钮，观察LED显示屏是否按动一次增加0.1；然后再多次连续多次按下“-0.1ml”按钮，当按动左侧”+0.1ml”，体积设置功能程序运行准确（见图9）。

图9体积调节效果图

2.1.2 功能按键指令执行

测试所有8个功能按键，采用软件模拟测试法，观察界面模拟图标中驱动单元电磁阀、蠕动泵和传感器外部中断信号传输情况。软件测试经过多次调试运行准确（图10）。

图10 软件模拟测试功能效果图

2.2设备整体系统

采用去离子高纯水（密度：1g/ml）作为介质进行设备整体系统测试，在核素原液瓶Ⅰ和核素原液Ⅱ瓶中分别加入25ml的高纯水，每个核素原液瓶分别抽取三组数据，分装体积分别为1.5ml、2.0ml和2.5ml，每组数据抽取三次计算平均值，每次分装均使用新的无菌注射器，1g高纯水的体积为1ml，可通过重量推算出实际体积[10]。结果见表1：

表1 实验分装测试记录表

测试结果中，分装最大误差为0.08g,平均误差均小于0.1g，换算体积为平均误差小于0.1ml,分装稳定性佳。根据正电子药物质控标准要求，分装总活度误差应控制在1.5mCi之内，通常产出核素比活度为10mCi/ml-15mCi/ml，因此体积误差应小于0.1ml,上述测试满足上述误差范围,符合设计要求。

3 结语

本设计为具有安装、分装、清洗等多功能的正电子核素自动分装仪，以stc89c52单片机为开发板，使用12V直流电机带动蠕动泵作为动力和趋向单元，通过在Keil环境下编译程序实现中枢软件控制，配合5个电磁阀门开闭合关系及注射器上端的红外传感器实现指令行为。经过焊接实体运行调试后，设备基本满足使用要求，分装体积误差小于0.1ml。

综上，该设备最终能够实现自动、交叉分装两种正电子核素药物，兼具性价比与高精度，操作相对简单，极大降低工作人员的辐射剂量，预期具有广阔的市场需求和推广前景。

参考文献：

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一、作者信息：

基金项目：泰达国际心血管病医院课题基金项目（2021-TD-001）

专     利：多通道核素自动分装仪（ZL 2022 2 0496941.9）

作者简介：杨学文（1989—），男，本科，学士，核医学物理师，工程师，医用回旋加速器研究，电话：15802282746，E-mail：xw_yang@live.cn

通信作者：李剑明，E-mail：ichlijm@l163.com 

二、通信作者信息：

李剑明ichlijm@l163.com，男，1971，辽宁人，中国医科大学影像医学与核医学专业，医学博士，硕士生导师