[科普中國]-醫(yī)用回旋加速器

醫(yī)用回旋加速器是“粒子加速器”的一種，其設(shè)計(jì)、制造的理論基礎(chǔ)是拉摩爾定律和勞倫斯回旋加速理論?，F(xiàn)代回旋加速器則結(jié)合了托馬斯提出的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角變化的AVF 原理，采用規(guī)律變化的磁場(chǎng)系統(tǒng)，修正粒子加速過程中的相位移動(dòng)、相對(duì)速度減慢和粒子回旋頻率變化等，提高粒子加速效率和聚焦度。

簡(jiǎn)介PET/CT(Positron emission computed tomography/CT，正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像/X 線CT 顯像儀) 利用圖像融合技術(shù)，綜合了PET 功能、分子代謝影像與CT精細(xì)解剖影像的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合正電子放射性核素標(biāo)記的多種分子探針的應(yīng)用，在惡性腫瘤早期診斷與腫瘤分期分級(jí)、臨床療效評(píng)估與隨訪監(jiān)測(cè)，良、惡性病變鑒別，協(xié)助臨床治療方案決策和放療生物靶區(qū)確定，以及探索腫瘤生物學(xué)特征等方面具有極為重要的作用，在心腦血管疾病、神經(jīng)變性性疾病、癲癇等的診斷、評(píng)估等方面有獨(dú)特價(jià)值，在臨床的應(yīng)用不斷增加。標(biāo)記各種分子探針?biāo)匦璧恼娮臃派湫院怂厝?8F( 氟-18)、11C( 碳-11)、13N( 氮-13) 等的半衰期一般都很短，依賴于醫(yī)用回旋加速器即時(shí)生產(chǎn)制備。隨著我國PET/CT 應(yīng)用的迅速發(fā)展，對(duì)醫(yī)用回旋加速器的需求也快速增長，據(jù)2010 年全國調(diào)查，國內(nèi)醫(yī)用回旋加速器需求的年增長率達(dá)兩位數(shù)1。

醫(yī)用回旋加速器工作原理回旋加速器是“粒子加速器”的一種，其設(shè)計(jì)、制造的理論基礎(chǔ)是拉摩爾定律和勞倫斯回旋加速理論?，F(xiàn)代回旋加速器則結(jié)合了托馬斯提出的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角變化的AVF 原理，采用規(guī)律變化的磁場(chǎng)系統(tǒng)，修正粒子加速過程中的相位移動(dòng)、相對(duì)速度減慢和粒子回旋頻率變化等，提高粒子加速效率和聚焦度?，F(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器多采用分離扇形磁鐵調(diào)變磁場(chǎng)技術(shù)，屬等時(shí)性回旋加速器范疇。醫(yī)用回旋加速器的工作原理是：帶電粒子在磁場(chǎng)和交變電場(chǎng)作用下，反復(fù)在磁場(chǎng)做彎曲運(yùn)動(dòng)(回旋) 并被交變電場(chǎng)反復(fù)加速，直至達(dá)到預(yù)期所需粒子能量，通過粒子束流引出系統(tǒng)引出，轟擊靶系統(tǒng)中的靶材料，獲得所需正電子放射性核素。

經(jīng)典勞倫斯(E.O.Lawrence) 回旋加速器回旋加速器的核心結(jié)構(gòu)是磁場(chǎng)系統(tǒng)和射頻(RF)系統(tǒng)，性能要求很高。為防止帶電粒子運(yùn)動(dòng)中與其他原子碰撞損失能量，需置于真空(系統(tǒng))，因此對(duì)真空條件的要求也很高。經(jīng)典的E.O.Lawrence 回旋加速器原理示意圖，兩塊磁鐵上、下隔開放置，在兩磁極間形成一個(gè)均勻磁場(chǎng)(B)，兩個(gè)半圓形的金屬扁盒(D形盒) 隔開相對(duì)放置其中，D形盒與高頻振蕩電源相聯(lián)，在兩個(gè)D形盒的間隙處產(chǎn)生為粒子加速的交變。

交變電場(chǎng)的中心位置是粒子源(Ion Source)，整個(gè)系統(tǒng)置于真空室內(nèi)。粒子源產(chǎn)生的帶電粒子在D形盒間隙電場(chǎng)作用下被加速，飛入D形盒，進(jìn)入D形盒中的帶電粒子不受電場(chǎng)作用，但受磁極間磁場(chǎng)的洛倫茲力作用，其運(yùn)動(dòng)遵循拉摩爾定律。拉摩爾定律是帶電粒子被反復(fù)回旋加速的理論基礎(chǔ)之一，即恒定磁場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)角頻率是一個(gè)常數(shù)，與粒子本身運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。

托馬斯(L.H.Thomas)等時(shí)性回旋加速器根據(jù)相對(duì)論理論，隨著粒子被加速而不斷向光速接近，不僅其動(dòng)能增加，其相對(duì)論質(zhì)量也會(huì)隨之增加。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，隨著粒子不斷被加速，其相對(duì)論質(zhì)量增加，在高頻頻率保持恒定時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)減慢、偏向圓心發(fā)生加速相位移動(dòng)、粒子回旋頻率發(fā)生改變(即回旋周期或時(shí)間不等)。受此限制，經(jīng)典回旋加速器的粒子能量難以超過每核子20多MeV的能量范圍，且束流聚焦度降低。為克服上述不足，1938年托馬斯(L.H.Thomas) 提出了磁場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角變化的AVF原理，并初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念，他建議采用規(guī)律排列的扇形磁鐵使磁場(chǎng)沿方位角調(diào)變(調(diào)變磁場(chǎng)，即磁場(chǎng)強(qiáng)度沿方位角按一定規(guī)律周期性變化)，使粒子沿平衡軌道受到一個(gè)沿方位角周期性變化的磁場(chǎng)作用力，保證粒子軸向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)平均磁場(chǎng)沿半徑擴(kuò)大逐漸增強(qiáng)以保持嚴(yán)格諧振加速，滿足回旋周期保持不變的等時(shí)性磁場(chǎng)要求。這種調(diào)變磁場(chǎng)回旋加速器稱為托馬斯型回旋加速器。因?yàn)榧铀倭Ｗ拥幕匦l率(周期) 保持不變，所以又稱為等時(shí)性回旋加速器。現(xiàn)代回旋加速器根據(jù)磁場(chǎng)分布形式，通過徑向扇形磁鐵結(jié)構(gòu)、螺旋扇形磁鐵結(jié)構(gòu)、分離扇形磁鐵結(jié)構(gòu)等方式形成調(diào)變磁場(chǎng)。等時(shí)性回旋加速器的出現(xiàn)，可以人工生產(chǎn)出多種放射性的同位素，加速了醫(yī)學(xué)臨床研究的發(fā)展2。

醫(yī)用回旋加速器分類1.根據(jù)加速粒子類別分類

根據(jù)加速粒子電荷的不同，一般將現(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器分為正離子回旋加速器和負(fù)離子回旋加速器；根據(jù)可加速粒子的種類，又可分為單粒子加速器和多粒子加速器?，F(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器大多是負(fù)離子回旋加速器，多數(shù)可加速帶負(fù)電荷的質(zhì)子和氘核，又屬于多粒子加速器。

(1) 正離子回旋加速器

用于加速帶正電荷的粒子。生產(chǎn)正電子核素的許多核反應(yīng)是由正離子轟擊靶材料的原子核來完成的，正離子回旋加速器直接將帶正電荷的離子加速，轟擊靶核獲得正電子核素。但加速后的高能正離子束需要由金屬電極偏轉(zhuǎn)板形成的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)來完成束流的引出，在引出過程中，高能粒子束與金屬電極板以及屏蔽材料之間發(fā)生碰撞會(huì)引起附加的輻射。此類加速器醫(yī)療中不常用。

(2) 負(fù)離子回旋加速器

用于加速帶負(fù)電荷的粒子?，F(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器多屬此類，加速離子均為帶負(fù)電的氫離子，其優(yōu)點(diǎn)是加速后高能粒子束流最終的引出效率高，幾乎可達(dá)100%，缺點(diǎn)是獲得高強(qiáng)度H-離子源的難度較大。由于生產(chǎn)正電子核素的許多核反應(yīng)是由正離子轟擊靶材料的原子核來完成的，高能粒子束流引出時(shí)需要特定裝置將其轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子。這一過程利用碳剝離膜來完成，碳膜被驅(qū)動(dòng)裝置定位在回旋加速器粒子旋轉(zhuǎn)軌道最大半徑上，當(dāng)粒子束流的能量達(dá)到所需的最大能量時(shí)，所有出現(xiàn)在碳膜區(qū)域的負(fù)離子束必須穿過碳膜，帶負(fù)電粒子的兩個(gè)約束松弛的外層電子被剝離，轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子。由于磁場(chǎng)恒定不變，改變了電極性的粒子束受到與原來相反方向的磁場(chǎng)力的作用而改變了運(yùn)動(dòng)方向，從而被引出而進(jìn)入靶室。設(shè)計(jì)安放碳剝離膜的位置可影響、調(diào)整束流引出能量，并能夠調(diào)整引出束流引導(dǎo)進(jìn)入特定的同位素生產(chǎn)靶。

(3) 單粒子加速器

單粒子加速器僅加速單一的離子。

(4) 多粒子加速器

多粒子加速器可以對(duì)兩種以上的帶電粒子進(jìn)行加速，利用多種核反應(yīng)譜來完成所需正電子核素的生產(chǎn)。現(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器大多可加速負(fù)氫離子，也能加速氘核，但加速氘核很少用。

2.根據(jù)粒子加速平面與地平面的關(guān)系分類

根據(jù)提供粒子束流加速平面與地平面是平行或垂直，可將回旋加速器分為垂直加速平面回旋加速器(立式加速器) 和水平加速平面回旋加速器(臥式加速器)兩類。

(1) 立式加速器

其優(yōu)點(diǎn)是占地面積小和所需要的空間高度低。它的磁軛門可以像冰箱門一樣向一邊打開，容易進(jìn)入真空室內(nèi)部，能清楚地觀察中心區(qū)域的裝置，便于維修和更換元件。立式加速器的設(shè)計(jì)可以使靶局限化，靶產(chǎn)生的放射性局限在一個(gè)區(qū)域，有利于輻射防護(hù)。

(2) 臥式加速器

需要較高的空間限度，并且在維修服務(wù)期間需要昂貴的液壓起重系統(tǒng)向上打開另一半磁軛。臥式加速器的靶常常在回旋加速器的周圍，因此，回旋加速器的四周都分布有放射性。

技術(shù)進(jìn)展1.非勻強(qiáng)調(diào)變磁場(chǎng)技術(shù)

根據(jù)托馬斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨方位角變化的AVF原理，現(xiàn)代回旋加速器除采用磁場(chǎng)沿方位角按一定規(guī)律周期性變化的設(shè)計(jì)外，還應(yīng)用線圈可調(diào)節(jié)磁激勵(lì)設(shè)計(jì)，使磁場(chǎng)強(qiáng)度沿方位角的平均值從中心隨半徑逐漸擴(kuò)大而增強(qiáng)，形成非勻強(qiáng)調(diào)變磁場(chǎng)，有利于維持加速粒子軸向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，獲得更大的束流和粒子能量。

2.外置離子源技術(shù)

這種外置多峰負(fù)氫離子源是由加拿大TRIUMF國家實(shí)驗(yàn)室研制的，現(xiàn)應(yīng)用于ACSI公司各類型的醫(yī)用回旋加速器上，其結(jié)構(gòu)主要包括等離子體放電腔、10對(duì)多峰永磁體、電子虛擬過慮器、三電極引出系統(tǒng)、帶有永磁約束的端蓋、單或雙燈絲及燈絲座、氫氣供氣及氣流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。等離子體放電腔是離子源的本體，放電腔為直徑98 mm、長150 mm 的圓柱形。

燈絲安裝于等離子體放電腔之中，鉭材料的燈絲電加熱而發(fā)射電子，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燈絲與放電腔本體之間的弧壓，并反饋控制燈絲的電流，從而使弧流維持在所需要的范圍內(nèi)。在引出的地電極上安裝有緊湊型的X-Y導(dǎo)向磁鐵，以及時(shí)地校正引出束流的方向。該導(dǎo)向磁鐵的特點(diǎn)是X-Y方向磁場(chǎng)合理疊加、結(jié)構(gòu)十分緊湊，便于安裝在離子源引出區(qū)等空間尺寸緊張的區(qū)域。

與PIG 離子源相比，外置離子源的亮度高，束流純度高，流強(qiáng)大，束流注入效率高，對(duì)真空腔的氣體負(fù)載小，操作簡(jiǎn)便，維護(hù)簡(jiǎn)單，無需專業(yè)人士維護(hù)，不會(huì)對(duì)射頻產(chǎn)生影響。

3.靶技術(shù)

對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的需求，18F離子占據(jù)了絕大部分的比例，相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)也得到了最快的改進(jìn)。起初，PET 尚未得到廣泛應(yīng)用時(shí)，每天實(shí)際所做病人數(shù)量也是寥寥無幾，在氧-18水價(jià)格高昂的時(shí)期，各廠家的靶設(shè)計(jì)均是采用小容量靶體，一般在0.5~1.0ml，每次開機(jī)生產(chǎn)，能夠合成400~500 毫居的18F-FDG，即可滿足本單位的需求。隨著PET/CT 檢查人數(shù)的不斷增加，18F-FDG 的需求大大增加，催生了各個(gè)回旋加速器廠家對(duì)靶的容量及18F 產(chǎn)量的升級(jí)，大多數(shù)廠家都把靶容量升到了1.4~2.0ml，18F 的產(chǎn)量也可多達(dá)幾個(gè)甚至十多個(gè)居里，單次合成18F-FDG 就可超過5 居里。各廠家在提高靶量的同時(shí)，也對(duì)靶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很大的革新，由最初的銀質(zhì)靶體發(fā)展到如今的鈦、鈮材質(zhì)的合金靶。

眾所周知，銀的導(dǎo)熱性能極好，這也是各廠家選用原因之一，但銀靶使用一斷時(shí)間后，會(huì)發(fā)生氧化有銀粉脫落，容易堵塞傳輸管路及遮擋靶膜，需要定期時(shí)間清潔維護(hù)，增加工作人員的輻射劑量，同時(shí)維護(hù)成本也比較高。而鈦、鈮這類惰性金屬正好可以克服銀靶的缺點(diǎn)，做到了靶體的免維護(hù)。另外，靶技術(shù)的發(fā)展還體現(xiàn)在靶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，早期的靶一般都是直立靶體，束流比較集中，產(chǎn)生的熱量難以迅速帶走，因此都是高壓靶，所能承受的束流也比較小?，F(xiàn)在的靶體設(shè)計(jì)為傾斜式，束流可以與更大面積的靶料反應(yīng)，增加了核素產(chǎn)量的同時(shí)，也便于熱量的散發(fā)，這樣的設(shè)計(jì)特別表現(xiàn)在固體靶技術(shù)上，傾斜的角度可以達(dá)到5~12度。

4.雙束流轟擊技術(shù)

在回旋加速器最大半徑的不同位置上設(shè)置兩個(gè)碳膜提取裝置，將質(zhì)子(或氘核)同時(shí)引到兩個(gè)不同的靶體上，可以同時(shí)生產(chǎn)同一種正電子核素, 成倍提高正電子核素產(chǎn)量，也可以根據(jù)不同核反應(yīng)譜同時(shí)生產(chǎn)兩種正電子核素，大大提高回旋加速器的工作效率。

5.多核素生產(chǎn)技術(shù)

多種核素的生產(chǎn)主要集中在中能加速器上，通常為20~30Mev 的能量，國內(nèi)一些醫(yī)院及機(jī)構(gòu)也有一些研究，但成熟的技術(shù)主要還是集中在國外，如IBA、MDS NORDION。這類非常規(guī)的核素主要是由氣體靶或是固體靶技術(shù)得來，如62Zn、68Ga、124I 等，也可以生產(chǎn)滿足ECT 使用的單光子核素，如111In 、123I。特別是近年來的ACSI 公司，利用固體靶技術(shù)，通過回旋加速器直接生產(chǎn)出核醫(yī)學(xué)中最常用的99mTc。

在醫(yī)學(xué)不斷發(fā)展的今天，醫(yī)用回旋加速器的技術(shù)發(fā)展已不再是僅僅滿足生產(chǎn)常規(guī)正電子放射性的需求，更是朝著核素的多樣性、性能更加強(qiáng)大的方向進(jìn)步3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

宋春霖 - 副教授 - 江南大學(xué)