1、 I 学校代码： 学 号： 密 级： 上海海事大学 SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY 硕士学位论文 MASTERS THESIS 学位类别 ： 论文题目： 学科专业： 作者姓名： 指导老师： 完成日期 : 科学学位 质子治疗装置中的空调 系统设 计 应用研究 制冷及低温工程 年 月 II 摘要 恶性肿瘤是目前世界上的常见病症，是危害人类身体健康的头号敌人。随着各国对治癌项目的关注度的提高，治癌技术正迅速发展，其中质子治疗肿瘤技术是目前新一代治疗手段中最有效的放疗技术。虽然质子治疗方法的疗效最强，但是，由于治疗技术难度太大、治疗装置的成本造价过高，这两个缺点限制了质子治疗
2、技术的推行和应用。因此，研究和开发粒径小、性价比高的国产化局部质子治疗设备显得更加迫切。 空调系统作为 质子治疗装置 系统的重要组成部分，其设计是否合理，不仅影响着质子治疗装置 的使用性，也对病人的舒适性有着重要影响，因此对空调系统的设计很重要。为了空调系统更好的运行，有必要对其房间的气流组织就行模拟研究。 本文结合上海 嘉定某医院 项目，首先对该项目 质子治疗装置的特点及用途 进行了简要介绍， 空调系统在整个装置工作过程中起到的作用 ， 详细介绍了 空调负荷计算的过程及步骤 。 建立三维传热模型，对模拟结果进行分析，为该项目后续的运行提出参考建议，同时也为该地区同类型的质子治疗项目提供参考和
3、借鉴。 本文首先对质子治疗装置以及国内外该装置的研究现状做了简单的介绍，结合工程实例概述了本文研究的意义。 其次，介绍了 质子治疗装置各个空调区域的空调系统设计及原理 。 最后，运用 ANSYS 软件进行模拟。大致分为以下四步： (1)建立三维传热模型。 (2)利用 Ansys 软件对整个模型进行离散网格划分。 (3)针对不同 的温度和速度 情况，合理设定边界条件和其他参数，利用 Ansys 中的 Fluent 求解器进行求解计算。 (4)分析模拟结果，为该项目后续的运行提供参考建议。 关键词 ： 质子治疗， 空调系统 系统， 旋转治疗室 ，模拟分析 III ABSTRACT Malignan
4、t tumor is a common and frequently occurring disease.It is most threatening to the health of human beings.With the development of treatment technology,proton therapy technology has become a new generation of the most effective radiotherapy technology.Proton therapy has been recognized as the best tr
5、eatment and the least side effect in the world.However, the installing cost is expensive and the requirment technology of installing is difficult.It limits the popularization and application of proton therapy.Therefore,it is more urgent to research and develop localized proton therapy devices with s
6、maller size and higher cost performance. As an important part of the proton therapy system,whether the design of air conditioning system is reasonable or not,which not only affects the use of proton therapy device,but also impacts the patients fellings,how to design the air conditioning system is ve
7、ry important.In order to make the air conditioning system run better,it is necessary to imitate the airflow data in the room. According to a hospital project in Jiading, firstly,the characteristics and applications of proton therapy equipment in this project are introduced briefly in this paper.Then
8、,the function of the air conditioning system in the work of the whole unit is introduced.Finally,the process and steps of air conditioning load calculation are introduced in detail.A three-dimensional heat transfer model is established,and by results of the simulation,I put forward some suggestions
9、about the project follow-up operation optimization,which can be used for the region of the same type proton treatment projects. In this paper, at first,the proton treatment device and the domestic research status of the device are briefed reported.With an actual engineering example,the significance
10、of this research is summarized.Secondly,the design and principle of air conditioning system in each air conditioning unit of proton therapy equipment are introduced.Finally, the ANSYS software is used to simulate.This process is roughly divided into four parts.(1)The model which has the same size wi
11、th the actual object IV is established.(2)The entire model is divided into grid.(3)According to different situations,the reasonable boundary conditions and other parameters should be set to solve the calculations by using Fluent solver of Ansys software.(4)For improving the performance of the follow
12、-up project,the analog data should be analyzed to provide references. KEYWORDS: proton therapy, air conditioning system, rotating therapeutic room, simulation analysis V 目录 摘要 .II ABSTRACT . III 目录 . V 第一章 绪 论 . 8 1.1 课题研究的背景和意义 . 8 1.2 质子治疗 系统简介 . 9 1.3 国内外 质子治疗 技术的发展 . 10 1.3.1 国外 质子治疗 技术研究及应用现状 .
13、 11 1.3.2 国内质子治疗技术研究及应用现状 . 12 1.4 嘉定某某医院工程项目介绍 . 12 1.5 本文研究的主要内容 . 13 第二章 质子治疗装置空调负荷计算 . 15 2.1 空调冷负荷计算方 法 . 15 2.2 空调热负荷计算方法 . 16 2.3 空调湿负荷计算方法 . 17 2.4 项目资料 . 17 2.4.1 工程概况 . 17 2.4.2 设计范围 . 17 2.5 空调负荷计算 . 19 2.5.1 设计依据、气象参数 . 19 2.5.2 旋转治疗室空调负荷 . 21 2.6 本章小结 . 24 第三章 质子治疗装置空调系统的设计 . 26 3.1 质子治
14、疗装置空调系统设计 . 26 3.1.1 加速器大厅 . 26 3.1.2 束流通道 . 27 3.1.3 固定治疗仓 . 28 3.1.4 设备技术厅 . 29 3.2 旋转治疗仓空调系统 . 29 VI 3.2.1 旋转治疗仓治疗区空调系统 . 30 3.2.1.1 治疗 区空调系统设计 . 30 3.2.1.2 治疗区空调系统中转轮热回收技术的应用 . 31 3.2.2 旋转治疗仓设备区空调系统设计 . 36 3.3 本章小结 . 38 第四章 质子治疗装置旋转治疗室的仿真模拟 . 39 4.1 FLUENT 模拟软件简要介绍 . 39 4.2 模拟方法及理论介绍 . 40 4.2.1
15、控制方程介绍 . 40 4.2.2 温度场计算 . 41 4.2.3 初始条件与边界条件 . 42 4.3 几何模型的建立和网格划分 . 43 4.3.1 三维模型的建立 . 43 4.3.2 网格的划分 . 44 4.4 在 fluent 定义数值模型的条件 . 47 4.4.1 求解器的设置 . 47 4.4.2 湍流模型的选择 . 47 4.4.3 材料的定义 . 48 4.4.4 边界条件的设置 . 48 4.5 求解技术 . 48 4.5.1 算法的设置 . 48 4.5.2 离散方法的选择 . 49 4.5.3 亚松弛因子的设置 . 50 4.5.4 设置求解极限 . 50 4.5
16、.5 初始化设置 . 51 4.5.6 监控设置 . 51 4.5.6.1 残差监控 . 51 4.5.6.2 监视表面积分 . 52 4.6 性能数值模拟结果分析 . 52 4.6.1 不同的进口流体温度对空调房间温度分布的影响 . 53 4.6.2 不同的进口流体温度对空调房间速度分布的影响 . 56 4.6.3 不同的进口流体流速对空调房间温度分布的影响 . 57 VII 4.7 本章小结 . 59 第五章 总结与展望 . 61 5.1 总结 . 61 5.2 展望 . 62 致谢 . 63 攻读硕士学位期间所取 得的成果 . 64 参考文献 . 65 上海海事大学硕士学位论文 质子治疗
17、装置中的空调系统设计应用研究 8 第一章 绪 论 1.1 课题研究的背景和意义 恶性肿瘤（癌症）在众多疾病中是一种常见病与多发病，已严重威胁人类的健康，人类为了征服癌症进行了长期刻苦的研究。放射治疗 1是治疗癌症的重要手段，常规放射治疗作为放射治疗方式其采用放射源产生的射线和电子加速器产生的 X射线，这些射线进入人体后产生的剂量随入射深度指数衰减，因此在治疗肿瘤时，肿瘤前后的正常组织都会受到伤害。随着世界各国的深入研究，治癌技术得到了快速的发展，其中质子治疗肿瘤技术可以根据质子布拉格峰效应带来的深度截止效应，同时具有更精确的宽度方向控制，目前已成为新一代更加有效的放疗技术 2。 质子治疗肿瘤技
18、术所用到的装置是当前国际上肿瘤放射治疗最先进的主流装备，众多临床结果显示，与其他放射治疗方法相比较，质子治疗有重 要组织器官包绕的肿瘤，其显示出较大的优势：精确度高、治愈率高、副作用小。其原理为：带电粒子质子，其质子束射入人体组织，当其射入到达一定的距离会产生一个急剧上升的剂量高峰，剂量高峰即所谓的布拉格峰，而在布拉格峰的后面，质子射束的能量则骤降为零3。 因此，通过测量肿瘤的大小、观测肿瘤的形状和深度通过各类手段如散射、吸收、扫描、调节束流能量和选择束流方向从而方便、精确地改变剂量分布，使质子射束的高剂量区正好集中在所需要照射的肿瘤靶区，对人体病变部位实施放射治疗，无死角地杀死肿瘤细胞，并且
19、将肿瘤周围的无病变器官和 正常的组织所受到的照射剂量控制在最低值 4。 质子治疗技术在临床应用中有如下优点： (1)即便在使用单独一个照射野的条件下，与肿瘤所受到的剂量相比，位于肿瘤前方的组织所受到照射剂量要低得多，其值几乎为零。因此可以简化放射治疗计划的设计，并且可选择不经过重要的器官的入射途径，避开这些器官受到照射； (2)当选择的射束在达到靶区的途径上必须经过某些重要器官时，这些器官和组织所受到的照射剂量也要比光子照射低得多，因此有更多的投照角度可供选择； (3)三维适形和调强放射治疗计划设计技术可以应用与质子治疗中。用质子作三维 适形和调强放射治疗计划的设计时，所需用的照射野远比光子和
20、电子照射时所需要的照射野少得多。因此可以降低总的体内放射积分量，以减低正常上海海事大学硕士学位论文 质子治疗装置中的空调系统设计应用研究 9 组织的损伤和减低由于小量放射线引起的正常组织放射致癌的几率，这一点在儿童肿瘤的治疗中尤为突出； (4)由于减低了周围重要器官和组织的受量，因此可对肿瘤靶区给予更高的剂量 (剂量递增 )，并可使用低分割照射，以提高肿瘤的局部控制率。 由于质子在到达肿瘤前波能放射较小，因此对组织的其他正常细胞的伤害程度较小，这有利于治疗体内深部肿瘤特别是形状复杂或靠近重要器官的肿瘤。目前适用于质子治疗技术 的肿瘤主要包括中枢神经系统肿瘤、颅底肿瘤、眼部脉络膜黑色素瘤、头颈部
21、肿瘤、盆腔肿瘤如前列腺癌、子宫肿瘤及脊索瘤、软骨瘤等。 目前，国内外最新研究表明质子治疗技术是一种可靠度极高的肿瘤治疗技术，其治愈成功率能达到 95%，该治疗设备俨然已成为现今世界上最为先进、最为昂贵的设备，现在已经在全球范围内逐步推广 5。 由于质子治疗的优点及可靠性，质子治疗作为一种放射治疗手段，已经成为当今肿瘤治疗的重要研究发展方向。 作为全世界认可的疗效最好、副作用最少的治疗方法，质子治疗也存在一些问题，由于这项技术难度还是比较大，同时治疗装置成本较高，这大大限制了质子治疗的推广和应用，给人们带来了 “看病难、看病贵”的困扰 6。 因此研究人员更加急切的致力于研究体积更小、性价比更高的
22、国产化质子治疗装置，以便于给更多的肿瘤患者带来希望，真正造福于广大的人民群众。 1.2 质子治疗 系统简介 质子治疗设备的基本组成 7 上海海事大学硕士学位论文 质子治疗装置中的空调系统设计应用研究 10 图 1-1 质子治疗装置的系统原理示意图 1 质子加速器 对于能够治疗深度在 3cm-30cm 的肿瘤来讲， 这样的设备就需要具有相关的 70MeV-230MeV 的质子加速器。 2 旋转机架 在进行治疗的过程当中，旋转机架主要是为了减少对身体正常细胞的伤害，也就是说能够增加治疗时焦皮比值。如果进行此类操作就必须拥有旋转支架，其作用是能够使质子束转动。 3 能量选择系统 该系统的功能主要是为
23、了应对不同深度肿瘤所配置质子束的能量选择系统。 4 剂量验证系统 该系统工作的主要任务是能够对治疗时所选择的质子计量进行验证，确保质子剂量使用安全、高效。 5 治疗头 加速器中质子束存在一个射出不均匀的现象，因此需要对加速器中所射出的质子流扩大，同时要对其进行稳定化处理，使得质子束能够覆盖相应的肿瘤截面。这个进行质子束工作的就是治疗头。治疗头中含有十多种设备，其中包括能够将质子流扩展成布拉格峰的束流能量调制器。 6 患者准直以及精确定位系统 无论对于固定治疗椅还是旋转治疗床，质子治疗系统中的每一个治疗室中都需要配置一套患者准直以及精确定位系统，同时该系统有一个 0.5mm以内的定位精度。 7 治疗控制系统 该系统主要目的是将本来在系统中独立工作的各个子系统工作进行相互连接， 通过专用的软件系统对系统中的子系统工作进行安排与管理。 8 治疗计划系统 该系统的主要工作是展开质子治疗的应用工作，这样医生就能够根据相关的诊断信息来制定针对性比较强的治疗方案，并且对仪器运行中的一些具体参数进行确定。 9 治疗安全系统 该系统的主要工作是保护相关工作人员以及患者的人身安全，是专门用来应对辐射安全问题的。 1.3 国内外 质子治疗 技术 的发展
