医用回旋加速器原理、生产核素过程及一例常见故障排除

王治国 张国旭 左峰 石庆学(沈阳军区总医院，110016)

正电子显像剂是正电子发射计算机断层显像(positron emission tomography，PET)检查的必备条件，这些正电子显像剂大多使用11C、13N、15O和18F等正电子核素进行标记[1]。由于它们的半衰期较短，所以这些核素必须由回旋加速器适时生产，并在一定时间内标记合成为适宜的正电子显像剂供临床PET显像。回旋加速器生产正电子示踪剂的原理就是电离氢气产生质子，经磁场加速获得能量，用高能量的质子轰击靶原子核，利用质子/中子(P/N)反应，将其中一个中子击出，质子留下，形成半衰期很短的新原子核。将其传入放化合成器，通过化学反应，将新原子核标记到具有生理活性的代谢物质上(如葡萄糖、胆碱、乙酸盐等化合物)，合成出PET检查所需的显像剂。本文以通用公司(GE)生产的微型医用加速器(MINItrac)为例介绍医用回旋加速器的结构及工作原理与核素生产方法，并结合生产经验介绍1例加速器故障现象、原因分析及解决方法[2-3]。

1 医用回旋加速器的构成

1.1 基本构成 ①用户操控主系统(master)，即1台包含操作系统及软件的计算机。②回旋加速器主体，包括多个子系统在内。③回旋加速器支持柜。④靶支持柜，氧16水(16O-H2O)与氧18水(18O-H2O)均在此添加。⑤控制柜。⑥射频(RF)柜。⑦介质供应和废气系统，包括压缩空气、氦气、氢气、甲烷等。

1.2 回旋加速器主体下又包括多个子系统 ①磁场系统：提供被加速的带电粒子在所控制的轨道中做圆周运动所需要的磁场强度，由抗磁性磁铁、线圈、磁场电源配给系统等组成。②射频系统：射频系统产生回旋加速器的高频振荡加速高电压，它有两个主要功能，其一为在回旋加速器中被加速的束流每旋转一次给予离子4次能量跃冲；其二是从离子源中拉出离子。③离子源系统：产生需要加速的带电粒子；由离子源、离子源电源和气体管理系统组成。④束流提取系统：该系统直接将加速的带电粒子从真空腔中引出。⑤束流诊断系统：为了控制从离子源到靶的束流，诊断系统监测在回旋加速器和靶系统间不同位置时的束流。⑥靶系统：可包含多个靶位，如氟-18靶(液体靶)、碳-11靶(气体靶)、氮-13靶(液体靶)、氧-15靶(气体靶)。⑦真空系统：真空系统主要在真空腔内建立离子加速所需要的真空压力水平，以降低束流的丢失，同时对高电压RF场提供绝缘保护。⑧冷却系统：冷却系统包括水冷却系统和He冷系统及真空超导系统(compact superconducting cyclotron，CSC)内部的二级水冷系统，用于控制各个子系统的温度。⑨自屏蔽系统：由混合有氢和硼的高密度混凝土组成，能够将设备运转过程中产生的中子及α射线控制在很小的范围内(在设备1 m范围外＜10μSv/h)[4-5]。

2 医用回旋加速器原理(表1)

表1 医用回旋加速器原理

3 18F生产方法

3.1 生产流程 主要包括生产前的检查，加磁场，预轰(保护靶体)，轰击(生产核素)，清洗干燥，退出操作系统。

3.2 检查设备 检查空气压缩机压力：4～8 bar，空压机排水。水冷系统：一级水冷11～13℃；二级水冷18～22℃。二级水冷电导率：＜5μSiemens/cm。真空压力：3×10－6～2×10－7Pa。气瓶压力是否过低，过低应更换气体，注意将气体阀门打开，观察通风是否正常。

3.3 加磁场 开机，输入用户名、密码，点击maintenance，在新菜单中点击cyclotron，选择start up，此时开始加磁场，点击第一排菜单中的system status，观察磁场电流先加到150μA后稳定在132μA左右，点击tracer，选择18F target，在新窗口中点击handle target，选择fill with16O-H2O，绿线消失后，双击左上角关闭窗口。点击production，选择18F target。输入操作员信息：用户名PET，密码pet，选择束流和时间。在新窗口中点击start irradiation，轰击结束后点abort production，点击tracer，选择18F target。在新窗口中点击handle target，选择empty to outlet 2 or waste，待绿线消失，预轰完毕。

3.4 轰击 点击handle target，选择fill target，待绿线消失，关闭此窗口，点击production，选择18F target，输入操作员信息：用户名、密码，以及轰击束流和时间(比如35μA，60 min)，在新窗口中点击start irradiation，待轰击结束，点OK，点击deliver，核素将自动传到合成模块，部分需要手动传输即点击tracer，选择18F target，在新窗口中点击handle target，选择empty to outlet，待绿线消失，关闭此窗口。

3.5 清洗干燥 点击handle target，选择fill with16O-H2O，待绿线消失，点击handle target，选择empty to outlet 2 or waste。待合成模块合成完毕，点击handle target，选择dry to outlet 2 or waste，干燥过程大约为20 min。

3.6 退出系统 点击窗口右上角关闭按钮，关闭窗口。关闭system status窗口。点击cyclotron，选择shut down关闭磁场，点击第一排菜单中的exit，出现窗口点OK，退出操作界面，在对话框中选择turn down the computer。

4 加速器的一个常见故障

结合生产经验，发现一个加速器常见故障。

4.1 故障现象 加磁场，设置电流30μA，开始轰击，轰击一段时间后离子源电流突然降为0，并报错“serious fault ion source fault”，重启无效。

4.2 故障分析 经分析离子源已使用较长时间，可能被击穿，故检查离子源，联系工程师取出离子源，发现并未击穿，但凸起的离子源一侧已被电流击成向内凹进去的坑状，并且离子源附近有大量碎屑，还有黑色碳状物，这些杂物使离子源短路。

4.3 故障解决 将离子源取下，除去碎屑，并用丙酮浸泡离子源，使用超声清洗器清洗10 min，将碳垢清除将离子源翻转使另一凸起侧面向轰击电流，安装后经调试可以正常使用。同时联系厂家预定离子源备用。

4.4 提示 离子源属于消耗品，有固定使用寿命，与时间及电流成正比，电流过大对离子源损害较大，大幅降低使用时间，如想延长使用时间，可以在满足需求的条件下尽量使用小电流。

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

[2]贾峰涛，杨星，洪军，等.医用回旋加速器原理及应用[J].医疗设备信息，2006，21(6)：37-38.

[3]陈泽龙.医用回旋加速器生产正电子核素的质量控制[J].医疗卫生装备，2008，29(4)：101-102，105.

[4]李少林.核医学[M].北京：人民卫生出版社，2004：55-64.

[5]张虎军，杨勤，向艳，等.医用回旋加速器的基本原理与组成[J].医疗卫生装备，2007，28(11)：59-60.