TOMO-C加速器作为全球首台新型肿瘤放射治疗设备,在肿瘤治疗领域展现出巨大的潜力｡其创新的技术融合了先进的放射治疗与精准的影像引导,为肿瘤患者带来了更高效､更精确的治疗方案,极大地提升了肿瘤治疗的效果和患者的生存质量｡然而,其运行环境需满足极其严苛的温湿度要求:设备满负荷15kW运行时,需保证送风温度12.8±1℃,相对湿度维持在30%-60%且无冷凝现象｡如此严格的环境条件对机房建设提出了前所未有的挑战｡

在本项目建设初期,由于全球范围内缺乏同类设备机房建设经验,我们主要参考设备厂家推荐的常规恒温恒湿空调方案｡但在实际调试中,该方案遭遇了严重的失败,无法满足设备对温湿度的严格要求｡这不仅影响了设备的正常运行,也对项目的推进造成了阻碍｡面对这一困境,我们基于两台TOMO-C加速器机房的建设实践,展开了深入的研究和探索,系统地总结机房改造关键技术及空调系统优化创新成果,旨在解决TOMO-C加速器机房建设的难题,为后续同类项目提供宝贵的经验和参考｡

1、TOMO-C加速器机房基础建设关键技术创新与实践应用

1.1屏蔽工程关键技术

TOMO-C机房建设的另一重大挑战来自其自屏蔽结构的特殊性｡与传统C型臂加速器不同,TOMO-C配备了900mm×250mm×130mm的铅制自屏蔽体,对主射束有显著衰减作用,但同时也改变了机房内的辐射场分布｡这种自屏蔽结构虽然减少了主屏蔽墙的防护压力,却使漏射和散射辐射成为主要防护对象,增加了屏蔽计算及防护设计的复杂性｡在实际工程中,这种复杂性体现在需针对设备特性定制开发屏蔽计算方法,如蒙特卡洛(MC)模拟与经验公式计算的结合应用,以实现辐射防护的最优化｡具体到屏蔽工程中,可供选用的关键技术如下:

自屏蔽结构优化设计｡针对TOMO-C的自屏蔽特性,研究人员开发了宽度验证计算模型,确保自屏蔽体完全覆盖有用线束范围｡该模型基于国家标准《放射治疗机房的辐射屏蔽规范》提供的方法,通过公式Y_p=2\times(SAD+a+X)\timestg(\alpha/2)^\circ计算自屏蔽结构理论宽度下限｡式中,SAD为源到等中心距离(TOMO-C为850mm),a为等中心至自屏蔽装置距离(580mm),X为自屏蔽厚度,α为主射束最大张角｡应用此模型验证表明,TOMO-C的铅制自屏蔽体能够完全覆盖有用线束范围,为主防护设计提供了理论基础｡在屏蔽计算方法的创新上,我们采用蒙特卡洛模拟(FLUKA软件)与经验公式计算相结合的双轨验证体系｡蒙特卡洛方法通过模拟电子打靶产生X射线并在最大张角范围内传播,定性分析屏蔽墙外辐射分布;而经验公式则依据国家标准提供的计算方法,估算各关注点辐射水平｡这种双重验证机制有效解决了自屏蔽结构带来的计算复杂性,确保屏蔽设计的可靠性｡具体计算中,主屏蔽区关注点A的透射剂量率采用公式H=\frac{H_{0}\timesSAD^{2}}{R^{2}}\cdotB\cdotQ,而次屏蔽区关注点B､C的散射剂量率则采用H=\frac{H_{0}\timesSAD^{2}\times\alpha_{ph}\times(F/400)}{R^{2}}\cdotB,其中B为混凝土墙体屏蔽因子,Q为自屏蔽体透射率｡

混凝土屏蔽技术升级｡TOMO-C机房对混凝土屏蔽提出了极高要求,典型墙体厚度达1.4-2.9m,局部区域甚至需要4.0m的超厚防护结构｡为满足这一需求,我们开发了重晶石防辐射混凝土技术体系,通过掺入重晶石骨料(硫酸钡含量≥85%)显著提升混凝土的屏蔽性能｡该技术的关键创新在于实现了普通混凝土与重晶石混凝土的无缝联合浇筑:在交接处采用预制的钢筋骨架加双层钢丝网进行分区隔离,普通混凝土采用泵送工艺,重晶石混凝土则采用料斗上料,两种混凝土同时浇筑,避免产生施工冷缝｡在材料配比方面,通过选择高密度重晶石(密度4.2g/cm3以上)､调整重晶石级配比例,并选用低热硅酸盐水泥作为胶凝材料,掺加高效减水剂和纤维膨胀剂,成功制备出和易性好､表观密度达3.5g/cm3以上的防辐射混凝土｡这种配比优化不仅满足了屏蔽要求,还显著降低了混凝土的绝热温升,减少了温度裂缝风险｡实际应用中,在两种混凝土交接处额外增设条形铅板加强带,进一步提升了防辐射效果,确保无泄漏风险｡

缝隙防泄漏技术｡辐射泄漏防护是TOMO-C机房建设的关键挑战,特别是各种建筑缝隙的处理｡我们开发了一套综合防泄漏技术体系,核心创新点在于对拉螺栓的防辐射处理:所有对拉螺栓禁止使用塑料套管,必须直接浇筑在混凝土中;螺栓设置三道直径50mm､厚3mm的止水片;端部采用橡胶塞临时封闭,拆模后取出橡胶塞,将外露螺栓烧除,最后用重晶石水泥砂浆填补抹光｡这种工艺彻底阻断了通过螺栓孔的辐射泄漏路径｡针对施工缝这一薄弱环节,我们制定了严格的企口型施工缝标准:禁止留置平直通缝,必须采用凹凸企口缝形式,深度不小于100mm,并确保新旧混凝土紧密结合｡对于管线穿墙部位,采用迷宫式套管布置,避免直通式穿越;门洞和迷路设计则采用铅钢复合防护门(铅当量≥10mm)和折线型迷路(夹角≥45°),有效衰减散射辐射｡这些细节创新共同构成了TOMO-C机房的全面防泄漏保障体系｡

1.2大体积混凝土施工技术

TOMO-C机房的大体积混凝土施工面临水化热控制和连续浇筑两大核心挑战｡我们创新性地采用“竖向分层环形浇筑法”,将2.9m厚墙体分为7层(每层40cm),顶板分8层浇筑,每层严格控制浇筑时间在4小时内,总连续施工时间长达30小时｡这种分层方式既确保了振捣密实,又有效分散了水化热积累｡为加强层间结合,在下层混凝土初凝前完成上层浇筑,并在接缝处采用二次振捣技术,消除冷缝风险｡

温控技术方面,实施“内降外保”的综合方案:内部预埋冷却水管网(管径25mm,间距800mm×800mm),根据温度监测数据(每200m2设1个测点)动态调节冷却水流量,控制混凝土芯表温差≤25℃｡外部采取智能保温养护:墙板拆模后挂双层湿麻袋持续保温保湿养护≥14天;顶板初凝后(8-12小时)覆盖塑料薄膜+双层模板+麻袋的复合保温层,控制降温速率≤2℃/d｡通过这一系列措施,成功将2900mm厚混凝土的最大温升控制在65℃以下,芯表温差≤22℃,有效防止了温度裂缝产生｡

针对防辐射混凝土以及大体积混凝土施工的特殊性,我们开发了一套分阶段精准养护工艺｡带模养护阶段:墙板混凝土浇筑后保持模板完整≥7天,利用模板形成保温保湿环境,减少早期收缩｡此阶段重点监控模板内部温湿度(≥90%),避免水分过早蒸发｡拆模后保温阶段:拆模后立即覆盖双层湿麻袋,通过喷淋系统保持麻袋持续湿润,继续保温保湿养护至14天｡麻袋覆盖确保混凝土表面始终处于湿润状态,同时避免直射阳光引起的温度骤变｡顶板养护特殊处理:顶板混凝土终凝后6小时内严禁浇水,防止表面起皮;8-12小时后覆盖塑料薄膜+双层模板+麻袋复合保温层｡这种阶段性养护工艺既满足了防辐射混凝土的特殊需求,又有效防止了早期裂缝的产生｡

1.3设备基础内管道预留精准化设计

采用BIM技术构建三维模型,对设备冷却水管道､气体供应管道､电缆桥架等12类管线进行综合排布｡在构建模型的过程中,我们详细录入了各类管线的规格､材质､走向等信息,通过BIM软件的碰撞检查功能,提前发现并解决了潜在的管线交叉问题｡针对设备特殊需求,在基础内预留直径200-300mm的专用管道井,通过分层敷设､柔性连接等技术,避免管线交叉碰撞｡分层敷设时,我们根据管线的类型和功能,将其分为不同的层次,例如将冷却水管道布置在最下层,电缆桥架布置在中层,气体供应管道布置在上层,确保各类管线互不干扰｡柔性连接则采用了可弯曲的管道接头和弹性支架,有效吸收了设备运行时产生的振动和位移,减少了对管线的损坏｡同时设置检修口,为后期设备维护提供便利｡检修口的位置经过精心设计,确保在不影响设备正常运行的前提下,能够方便地对管道进行检修和更换｡

1.4地面地沟模块化施工

设计“主地沟+支地沟”网格化地沟系统｡主地沟深度800mm,坡度3%,配置排水系统｡主地沟的主要作用是集中收集和排放机房内的积水,其深度和坡度的设计经过精确计算,确保积水能够顺利流向排水口｡排水系统采用了高效的排水泵和耐腐蚀的排水管道,能够及时排除地沟内的积水,防止积水对设备造成损害｡支地沟采用可开启式模块化盖板,单块承重达500kg｡模块化盖板的设计使得地沟的维护和检修更加方便,当需要对地沟内的管线进行检查或维修时,只需打开相应的盖板即可｡单块承重500kg的设计,确保了盖板能够承受设备运输和人员行走时的压力｡通过预埋止水钢板､设置伸缩缝等措施,有效防止地面沉降与渗水问题｡止水钢板的预埋深度和焊接质量都经过严格把控,确保其能够有效地阻止地下水的渗透｡伸缩缝的设置则考虑了地面因温度变化和设备振动而产生的伸缩变形,避免了地面出现裂缝和沉降｡

1.5墙体预留洞标准化处理

根据设备外形尺寸及安装要求,精确预留设备进出洞口｡在预留洞口之前,我们对设备的运输路线和安装位置进行了详细的规划,确保洞口的位置和尺寸能够满足设备的进出需求｡洞口尺寸比设备实际尺寸每边预留100mm余量,并设置钢筋混凝土过梁增强结构稳定性｡钢筋混凝土过梁的配筋和混凝土强度等级都经过计算确定,确保其能够承受洞口上方墙体的重量,增强墙体的稳定性｡通风管道､线缆穿墙处采用防火､密封材料填充,确保机房气密性｡防火材料采用了符合国家标准的防火岩棉,密封材料则选用了耐老化､密封性好的密封胶,有效防止了火灾和灰尘的侵入,保证了机房的气密性｡

1.6机电安装精细化管控

建立机电安装质量控制标准,对强弱电线路敷设､接地系统安装､设备接线等环节进行严格把控｡在强弱电线路敷设过程中,我们遵循相关的电气安装规范,确保线路的走向合理､固定牢固,避免出现线路交叉和短路的情况｡接地系统安装时,采用了深埋接地极和多股铜芯接地线,确保接地电阻小于规定值,保障设备的安全运行｡设备接线则严格按照设备厂家提供的接线图进行,确保接线牢固､正确,避免出现虚接和错接的问题｡采用双路供电系统,配备UPS不间断电源,保障设备供电可靠性｡双路供电系统分别来自不同的变电站,当一路电源出现故障时,另一路电源能够自动切换,确保设备的正常运行｡UPS不间断电源则在市电中断时,能够为设备提供一定时间的电力支持,保证设备的安全关机和数据的保存｡空调､通风系统管道安装严格控制坡度与垂直度,确保气流组织合理｡管道坡度的设置确保了冷凝水能够顺利排出,避免积水对管道造成腐蚀｡垂直度的控制则保证了管道的安装美观,同时也有利于气流的均匀分布,提高空调和通风系统的效率｡

2、恒温恒湿空调系统调试困境与创新突破

2.1首次机房空调调试失败分析

在十四室机房建设中,按设备厂家要求配置单台40kW双变频恒温恒湿空调(配置日立压缩机､施乐百风机),设计风量11650m3/h｡设备满负荷运行时,实测送风温度波动达±3℃,无法稳定在12.8±1℃标准范围内｡经分析,主要存在以下问题:

①气流组织不合理:大空间机房内,单台空调难以实现温度均匀分布｡机房的空间较大,设备分布较为分散,单台空调的送风范围有限,导致机房内不同区域的温度差异较大｡

②局部散热不足:设备内部核心部件散热需求未得到针对性满足｡设备内部的核心部件在运行过程中会产生大量的热量,而原有的空调系统无法将这些热量及时带走,导致局部温度过高｡

③控制逻辑缺陷:常规空调控制策略无法适应设备动态负荷变化｡设备的负荷会随着治疗过程的进行而发生变化,而常规空调的控制策略较为简单,无法根据设备的动态负荷及时调整制冷量和送风量,导致温度波动较大｡

2.2主辅双空调协同控温方案创新

针对上述问题,提出“主辅空调协同控温”方案:

主空调系统:保留原有40kW恒温恒湿空调,负责机房整体环境温度控制｡主空调系统能够对机房内的大部分区域进行温度调节,维持机房的整体温度稳定｡

辅助空调系统:新增一台小功率精密空调(制冷量5kW),采用独立送风管道直接接入设备内部散热区域,实现局部精准控温｡辅助空调系统专门针对设备内部的核心部件进行散热,通过独立的送风管道将冷空气直接送到发热部位,有效解决了局部散热不足的问题｡

智能联动控制:通过温湿度传感器实时监测设备内部及机房环境参数,主辅空调系统根据负荷变化自动调节运行功率与送风量｡温湿度传感器分布在机房内的各个关键位置,能够实时采集环境参数,并将数据传输给控制系统｡控制系统根据这些数据,自动调整主辅空调系统的运行状态,实现了智能联动控制,提高了温度控制的精度和稳定性｡

2.3方案优化效果验证

在八室机房建设中应用该方案,经实测:

设备满负荷运行时,送风温度稳定在12.8±0.5℃:主辅双空调协同控温方案有效地解决了温度波动问题,确保了设备在满负荷运行时,送风温度能够稳定在规定的范围内｡

相对湿度维持在45%-55%之间:通过对空调系统的优化,不仅实现了温度的精准控制,还将相对湿度维持在一个较为理想的范围内,满足了设备对湿度的要求｡

建设成本降低约18%,设备厂家最终认可该创新方案:在满足设备运行环境要求的同时,通过优化空调系统,减少了不必要的设备投入和能源消耗,降低了建设成本｡设备厂家对该方案进行了严格的测试和评估后,最终认可了这一创新方案,为该方案的推广应用奠定了基础｡

3、发展趋势与挑战

3.1设备-建筑一体化设计

TOMO-C机房建设的未来发展方向是设备与建筑的一体化集成设计｡山东省肿瘤医院引进的全球首台TOMO-C系统采用“同轴共环”设计,将螺旋双源CT与TOMO放疗系统完美整合,不仅提升了诊疗精度,也简化了机房布局｡这种设备创新要求建筑设计与设备安装更紧密协同:土建阶段需预埋高精度基础件(位置公差≤1mm),并预留设备运输通道(净宽≥3.5m)｡

设备-建筑一体化还体现在智能屏蔽系统的应用｡通过传感器实时监测辐射场分布,动态调整屏蔽装置(如移动式屏蔽块),在保证安全前提下优化空间利用｡这种主动屏蔽技术可减少固定防护结构30%以上的体积,是未来TOMO-C机房建设的重要趋势｡

3.2智能化防护与绿色低碳化

未来,我们将进一步研究空调系统智能化控制策略,探索可再生能源在机房环境控制中的应用,为高精度医疗设备机房建设提供更高效､节能的解决方案｡随着科技的不断进步,我们相信未来的机房建设将更加智能化､绿色化,为医疗事业的发展提供更坚实的保障｡在智能化控制策略方面,我们将引入人工智能和大数据技术,通过对机房环境参数和设备运行数据的实时分析,实现空调系统的自适应控制｡例如,利用机器学习算法预测设备的负荷变化,提前调整空调系统的运行参数,进一步提高温度控制的精度和稳定性｡智能化辐射防护是TOMO-C机房的另一发展方向｡通过部署AI驱动的辐射场模拟系统,结合实时监测数据,实现防护效能的动态评估与预警｡该系统可学习历史数据,预测不同治疗模式下的辐射分布,指导防护优化｡

在可再生能源应用方面,我们将探索太阳能､地热能等在机房环境控制中的可行性｡例如,在机房屋顶安装太阳能板,为空调系统提供部分电力支持;利用地源热泵技术,实现机房的供热和制冷,降低对传统能源的依赖,减少碳排放,实现机房建设的可持续发展｡绿色低碳化趋势要求TOMO-C机房建设考虑环境足迹｡具体措施包括:推广高掺量矿物掺合料(粉煤灰､矿渣)防辐射混凝土,减少水泥用量;采用预制装配式防护模块(如铅钢复合板系统),减少现场湿作业;实施拆除后重晶石混凝土的回收利用(经破碎分选,重晶石回收率≥85%)｡这些绿色技术响应了建筑业碳中和目标,是未来发展的重要方向｡同时,开发新型防护材料如纳米钨聚合物(密度≥11g/cm3)､硼聚乙烯复合材料(中子屏蔽性能提升50%)等,有望显著降低屏蔽结构厚度,减少混凝土用量30%以上｡

3.3模块化建设与标准化挑战

面对TOMO-C设备更新速度快的特点,模块化机房建设成为重要趋势｡某部TOMO-C机房改造项目(2025-JKYXZX-G4116)采用“快速部署模式”:在既有建筑内选址改造,通过预制混凝土防护模块(尺寸标准化,误差≤2mm)实现快速安装,工期缩短40%｡这种模式特别适合军队医院等需要快速部署的场景｡

然而,TOMO-C机房建设仍面临标准化不足的挑战｡目前缺乏针对自屏蔽加速器的专项施工规范,现有标准如《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》(GB/T50577-2010)未涵盖TOMO-C的特殊要求｡未来需制定《自屏蔽加速器机房建设技术标准》,统一材料､设计､施工､验收要求,促进行业规范发展｡同时,加强专业人才培养,解决既懂辐射防护又精通土建施工的复合型人才短缺问题,为TOMO-C机房建设提供人才保障｡

4、结论

本项目通过创新主辅双空调协同控温方案,成功解决全球首台TOMO-C加速器机房恒温恒湿难题,同时在设备基础施工､机电安装等方面形成标准化建设经验｡这些经验不仅为我院后续的机房建设项目提供了有力的支持,也为国内其他医疗机构建设同类机房提供了参考和借鉴｡综上所述,本项目的研究成果具有重要的实践意义和应用价值,为高精度医疗设备机房建设领域的发展做出了积极贡献｡我们期待未来能够在这一领域取得更多的创新成果,推动医疗事业不断向前发展｡

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文章来源:韩中华.TOMO-C加速器机房基础建设关键技术创新与实践应用[J].价值工程,2025,44(23):111-114.