醫用回旋加速器原理、生產核素過程及一例常見故障排除

王治國 張國旭 左峰 石慶學(沈陽軍區總醫院，110016)

正電子顯像劑是正電子發射計算機斷層顯像(positron emission tomography，PET)檢查的必備條件，這些正電子顯像劑大多使用11C、13N、15O和18F等正電子核素進行標記[1]。由于它們的半衰期較短，所以這些核素必須由回旋加速器適時生產，并在一定時間內標記合成為適宜的正電子顯像劑供臨床PET顯像。回旋加速器生產正電子示蹤劑的原理就是電離氫氣產生質子，經磁場加速獲得能量，用高能量的質子轟擊靶原子核，利用質子/中子(P/N)反應，將其中一個中子擊出，質子留下，形成半衰期很短的新原子核。將其傳入放化合成器，通過化學反應，將新原子核標記到具有生理活性的代謝物質上(如葡萄糖、膽堿、乙酸鹽等化合物)，合成出PET檢查所需的顯像劑。本文以通用公司(GE)生產的微型醫用加速器(MINItrac)為例介紹醫用回旋加速器的結構及工作原理與核素生產方法，并結合生產經驗介紹1例加速器故障現象、原因分析及解決方法[2-3]。

1 醫用回旋加速器的構成

1.1 基本構成 ①用戶操控主系統(master)，即1臺包含操作系統及軟件的計算機。②回旋加速器主體，包括多個子系統在內。③回旋加速器支持柜。④靶支持柜，氧16水(16O-H2O)與氧18水(18O-H2O)均在此添加。⑤控制柜。⑥射頻(RF)柜。⑦介質供應和廢氣系統，包括壓縮空氣、氦氣、氫氣、甲烷等。

1.2 回旋加速器主體下又包括多個子系統 ①磁場系統：提供被加速的帶電粒子在所控制的軌道中做圓周運動所需要的磁場強度，由抗磁性磁鐵、線圈、磁場電源配給系統等組成。②射頻系統：射頻系統產生回旋加速器的高頻振蕩加速高電壓，它有兩個主要功能，其一為在回旋加速器中被加速的束流每旋轉一次給予離子4次能量躍沖；其二是從離子源中拉出離子。③離子源系統：產生需要加速的帶電粒子；由離子源、離子源電源和氣體管理系統組成。④束流提取系統：該系統直接將加速的帶電粒子從真空腔中引出。⑤束流診斷系統：為了控制從離子源到靶的束流，診斷系統監測在回旋加速器和靶系統間不同位置時的束流。⑥靶系統：可包含多個靶位，如氟-18靶(液體靶)、碳-11靶(氣體靶)、氮-13靶(液體靶)、氧-15靶(氣體靶)。⑦真空系統：真空系統主要在真空腔內建立離子加速所需要的真空壓力水平，以降低束流的丟失，同時對高電壓RF場提供絕緣保護。⑧冷卻系統：冷卻系統包括水冷卻系統和He冷系統及真空超導系統(compact superconducting cyclotron，CSC)內部的二級水冷系統，用于控制各個子系統的溫度。⑨自屏蔽系統：由混合有氫和硼的高密度混凝土組成，能夠將設備運轉過程中產生的中子及α射線控制在很小的范圍內(在設備1 m范圍外＜10μSv/h)[4-5]。

2 醫用回旋加速器原理(表1)

表1 醫用回旋加速器原理

3 18F生產方法

3.1 生產流程 主要包括生產前的檢查，加磁場，預轟(保護靶體)，轟擊(生產核素)，清洗干燥，退出操作系統。

3.2 檢查設備 檢查空氣壓縮機壓力：4～8 bar，空壓機排水。水冷系統：一級水冷11～13℃；二級水冷18～22℃。二級水冷電導率：＜5μSiemens/cm。真空壓力：3×10－6～2×10－7Pa。氣瓶壓力是否過低，過低應更換氣體，注意將氣體閥門打開，觀察通風是否正常。

3.3 加磁場 開機，輸入用戶名、密碼，點擊maintenance，在新菜單中點擊cyclotron，選擇start up，此時開始加磁場，點擊第一排菜單中的system status，觀察磁場電流先加到150μA后穩定在132μA左右，點擊tracer，選擇18F target，在新窗口中點擊handle target，選擇fill with16O-H2O，綠線消失后，雙擊左上角關閉窗口。點擊production，選擇18F target。輸入操作員信息：用戶名PET，密碼pet，選擇束流和時間。在新窗口中點擊start irradiation，轟擊結束后點abort production，點擊tracer，選擇18F target。在新窗口中點擊handle target，選擇empty to outlet 2 or waste，待綠線消失，預轟完畢。

3.4 轟擊 點擊handle target，選擇fill target，待綠線消失，關閉此窗口，點擊production，選擇18F target，輸入操作員信息：用戶名、密碼，以及轟擊束流和時間(比如35μA，60 min)，在新窗口中點擊start irradiation，待轟擊結束，點OK，點擊deliver，核素將自動傳到合成模塊，部分需要手動傳輸即點擊tracer，選擇18F target，在新窗口中點擊handle target，選擇empty to outlet，待綠線消失，關閉此窗口。

3.5 清洗干燥 點擊handle target，選擇fill with16O-H2O，待綠線消失，點擊handle target，選擇empty to outlet 2 or waste。待合成模塊合成完畢，點擊handle target，選擇dry to outlet 2 or waste，干燥過程大約為20 min。

3.6 退出系統 點擊窗口右上角關閉按鈕，關閉窗口。關閉system status窗口。點擊cyclotron，選擇shut down關閉磁場，點擊第一排菜單中的exit，出現窗口點OK，退出操作界面，在對話框中選擇turn down the computer。

4 加速器的一個常見故障

結合生產經驗，發現一個加速器常見故障。

4.1 故障現象 加磁場，設置電流30μA，開始轟擊，轟擊一段時間后離子源電流突然降為0，并報錯“serious fault ion source fault”，重啟無效。

4.2 故障分析 經分析離子源已使用較長時間，可能被擊穿，故檢查離子源，聯系工程師取出離子源，發現并未擊穿，但凸起的離子源一側已被電流擊成向內凹進去的坑狀，并且離子源附近有大量碎屑，還有黑色碳狀物，這些雜物使離子源短路。

4.3 故障解決 將離子源取下，除去碎屑，并用丙酮浸泡離子源，使用超聲清洗器清洗10 min，將碳垢清除將離子源翻轉使另一凸起側面向轟擊電流，安裝后經調試可以正常使用。同時聯系廠家預定離子源備用。

4.4 提示 離子源屬于消耗品，有固定使用壽命，與時間及電流成正比，電流過大對離子源損害較大，大幅降低使用時間，如想延長使用時間，可以在滿足需求的條件下盡量使用小電流。

[1] Strijckmans K.The isochronous cyclotron：principles and recent developments[J].Comput Med Imaging Graph，2000，25(2)：69-78.

[2]賈峰濤，楊星，洪軍，等.醫用回旋加速器原理及應用[J].醫療設備信息，2006，21(6)：37-38.

[3]陳澤龍.醫用回旋加速器生產正電子核素的質量控制[J].醫療衛生裝備，2008，29(4)：101-102，105.

[4]李少林.核醫學[M].北京：人民衛生出版社，2004：55-64.

[5]張虎軍，楊勤，向艷，等.醫用回旋加速器的基本原理與組成[J].醫療衛生裝備，2007，28(11)：59-60.