医疗设备信息
仪器原理与使用
医用回旋加速器原理及应用
贾峰涛,杨星,洪军,张林
(白求恩国际和平医院核医学科,河北石家庄050082)
[摘
要]本文简要介绍了医用回旋加速器的原理、系统组成和功能以及临床应用。
[文献标识码]A
[文章编号]1007-7510(2006)06-0037-02
[关键词]医用回旋加速器;系统组成[中图分类号]TL54+2
Principleandapplicationofmedicalcyclotron
JIAFeng-tao,YANGXing,HONGJun,ZHANGLin
(DepartmentofNuclearMedicineofBethuneInternationalPeaceHospital,ShijiazhuangHebei050082,China)Abstract:Thisreviewdescribedtheprinciple,systemcomponentsandfunctiosnsofthemedicalcyclotron,anditsap-plicationinclinic.
Keywords:medicalcyclotron;systemcomponent;applicationprinciple;
近年来,随着核医学科建设的不断发展壮大,分子显像越来越多的应用到临床。SPECT在省市级医院逐渐普及,PET或HPET也在大医院陆续引进,同位素检查逐渐被人们认识和接受。正电子示踪剂是实施PET检查的先决条件,而要生产PET检查所需示踪剂中的放射性核素,医用回旋加速器是必需设备,起着至关重要的作用。回旋加速器生产正电子示踪剂的基础理念就是利用P/N(质子/中子)反应,用高能量的质子轰击靶原子核,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。经过放化合成系统,通过化学反应,将新原子核标记到生理性代谢物质上(如葡萄糖、氨基酸、胆碱等),生成PET检查所需的示踪剂。1回旋加速器工作原理
目前,大多数厂家都采用负离子回旋加速器,这样可以避免正离子加速与金属电极碰撞产生的附加辐射,其工作原理如图1所示:
-
图2粒子运行轨道
在回旋加速器中心部位,高纯度H2被灯丝释放的电子电离生成H粒子束流,H受到电场的拉力在D形盒中有一个初始速度V,受磁场作用,在真空腔中做匀速圆周运动。设粒子的质量为m,所带电荷为q,磁场强度为B,粒子受到的洛仑兹力F=BqV
(Ⅰ),粒子运行轨道的圆周半径r与洛仑兹力F
(Ⅲ),加速粒子的能量E=mV2/2=
关系为F=mV2/r(Ⅱ),粒子运行时间由圆周半径及初始速度决定:t=2πr/V
2
22
--
Bqr/2m与轨道半径有关,即粒子运行轨道半径越大,其能量也越大。H在一个D形盒运行半周后,需要通过两个D形盒之间的间隙(gap)进入另外一个D形盒,由于D形盒与高频振荡电源相联,所以粒子在通过gap时会受到变频电场的拉力而做螺旋轨道飞行(如图2),这样粒子就以高于以前的速度进入另外一个D形盒做圆周运动。根据公式(Ⅰ)、(Ⅱ)及(Ⅲ)推出
图1负离子回旋加速器工作原理示意图
[收稿日期]2005-11-10[修回日期]2005-12-21
粒子在磁场中运行一周的时间t=2πm/Bq,由此得出粒子在D形盒中运行时间与轨道半径及粒子速度没有关系,只是和粒
21卷6期 2006.6·37·
仪器原理与使用
子的质量、电荷数及磁场强度有关,设定好振荡频率f=1/t=Bq/2πm(固定值),则当带电粒子旋转半圈后,两个加速电极间的电性正好互换,使电场方向相反,因此带电粒子又再次被加速。粒子经过反复加速,其运行的速度越来越大,轨道半径也相应的增大,在粒子达到最大能量处,粒子束将被束流提取装置提取引出,通过剥离器后成为H+粒子束,轰击靶内的重氧水或其它原子核。
2回旋加速器的基本组成
回旋加速器一般由以下几个系统组成:磁场系统、真空系统、射频系统、离子源系统、束流提取系统、靶系统和冷却系统。
2.1磁场系统
主要由磁铁、磁场线圈和磁场电源组成,提供被加速的带电粒子做圆周运动所需要的磁场强度。2.2真空系统
该系统包括真空腔、真空泵、真空计和控制部分。真空系统要求每天24小时不停的工作,保持真空腔内的真空度,以降低束流的丢失,减少加速器内部的活化,同时对高频电场提供绝缘保护。2.3射频系统
为加速器提供高频振荡电压,是回旋加速器中最关键也是最复杂的系统,它主要有两个功能:一是从离子源中提取离子进行加速;二是对离子运行一周提供加速电压。该系统主要包括RF谐振腔、RF功率发生器以及相应的控制和检测电路,调整因温度变化而引起的高压漂移。2.4离子源系统
由离子源、离子源电源配给器和气体控制系统组成,主要功能是产生需要加速的带电粒子。2.5束流提取系统
主要包括剥离碳膜、引出器等装置。该系统直接将加速的且具有最大能量的带电负离子从真空腔中引出,主要是通过剥离膜(很薄的碳膜)剥去H-的两个电子,使其转变成为带正电荷的H+,此时粒子束运行轨道发生逆向偏转,然后通过引出装置将束流引入靶内。2.6靶系统
主要由准直器、靶室及真空绝缘膜(havar和钛)等组成。生产正电子核素的核反应就在此装置内完成。2.7冷却系统
包括水冷却系统和氦冷却系统。
水冷却系统分为一级水冷却系统和二级水冷却系统。一级水冷却系统为普通的冷水机组,常年制冷;二级水冷却系统中的去离子水带走回旋加速器产生的热量,通过热交换传递给一
医学分册,2002,26(5).
18
医疗设备信息
级水冷却系统,达到为机器降温的目的。
氦冷却系统主要在轰击期间对靶室和靶窗的havar膜与钛膜之间进行冷却,主要由氦气、压缩机和流量计等组成。3回旋加速器的医学应用
回旋加速器在医学上的应用主要是利用其生产的正电子核素,如C、N、O、F等标记PET扫描仪所需的示踪剂。目前由回旋加速器生产的常用正电子放射性示踪剂主要有以
18
下几种,见表1。在临床实践中,18F-氟代脱氧葡萄糖(F-11
13
15
18
FDG)最常用,其适应症广泛,而且半衰期相对较长,适于配送。
表1常用正电子放射性示踪剂
放射性示踪剂
18
代谢机理葡萄糖代谢
临床应用肿瘤的探测心肌活性脑功能脑功能肿瘤(脑、肺、乳房)心肌损害脑肿瘤、前列腺癌心肌损害脑肿瘤、心肌损害脑肿瘤、心肌损害
半衰期(min)
F-氟代脱氧葡萄糖
109.7
F-氟代多巴胺多巴胺代谢
11
C-蛋氨酸C-乙酸C-胆碱
氨基酸代谢有氧代谢细胞膜合成乙酰胆碱脂酶
血流血流氧代谢
11
20.4
11
13
N-氨水O-水O-氧气4结束语
9.962.07
1515
回旋加速器虽然在PET中心起着至关重要的作用,但是由于回旋加速器涉及到放射物理、放射化学、医学工程、药物药效学等各方面知识,机器结构比较复杂,设备价格及运行成本都十分昂贵;如果平时对设备维护不利则故障发生率就会很高,因此回旋加速器不可能在各个医院普及。笔者个人认为最好的解决办法就是每个中心城市拥有1台～2台回旋加速器,形成放射药物配送中心,以满足核医学日益发展的需要。
[参考文献]
[1]王明芳.医用回旋加速器及正电子核素生产[J].国外医学·放射医学核
[2]范西江,等.回旋加速器参数的选择[J].医疗设备信息,2004,19(9):46-47.
[3]潘屏南,等.现代大型医用设备·回旋加速器的组成和原理[M].北京:中
国医药科技出版社,2002.
[4]李少林,等.核医学[M].北京:人民卫生出版社,2002.
[5]潘中允,等.回旋加速器和正电子显像剂及其管理[M].PET诊断学,人民
卫生出版社,2005.
☆
21卷6期 2006.6
·38·
医疗设备信息
仪器原理与使用
医用回旋加速器原理及应用
贾峰涛,杨星,洪军,张林
(白求恩国际和平医院核医学科,河北石家庄050082)
[摘
要]本文简要介绍了医用回旋加速器的原理、系统组成和功能以及临床应用。
[文献标识码]A
[文章编号]1007-7510(2006)06-0037-02
[关键词]医用回旋加速器;系统组成[中图分类号]TL54+2
Principleandapplicationofmedicalcyclotron
JIAFeng-tao,YANGXing,HONGJun,ZHANGLin
(DepartmentofNuclearMedicineofBethuneInternationalPeaceHospital,ShijiazhuangHebei050082,China)Abstract:Thisreviewdescribedtheprinciple,systemcomponentsandfunctiosnsofthemedicalcyclotron,anditsap-plicationinclinic.
Keywords:medicalcyclotron;systemcomponent;applicationprinciple;
近年来,随着核医学科建设的不断发展壮大,分子显像越来越多的应用到临床。SPECT在省市级医院逐渐普及,PET或HPET也在大医院陆续引进,同位素检查逐渐被人们认识和接受。正电子示踪剂是实施PET检查的先决条件,而要生产PET检查所需示踪剂中的放射性核素,医用回旋加速器是必需设备,起着至关重要的作用。回旋加速器生产正电子示踪剂的基础理念就是利用P/N(质子/中子)反应,用高能量的质子轰击靶原子核,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。经过放化合成系统,通过化学反应,将新原子核标记到生理性代谢物质上(如葡萄糖、氨基酸、胆碱等),生成PET检查所需的示踪剂。1回旋加速器工作原理
目前,大多数厂家都采用负离子回旋加速器,这样可以避免正离子加速与金属电极碰撞产生的附加辐射,其工作原理如图1所示:
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图2粒子运行轨道
在回旋加速器中心部位,高纯度H2被灯丝释放的电子电离生成H粒子束流,H受到电场的拉力在D形盒中有一个初始速度V,受磁场作用,在真空腔中做匀速圆周运动。设粒子的质量为m,所带电荷为q,磁场强度为B,粒子受到的洛仑兹力F=BqV
(Ⅰ),粒子运行轨道的圆周半径r与洛仑兹力F
(Ⅲ),加速粒子的能量E=mV2/2=
关系为F=mV2/r(Ⅱ),粒子运行时间由圆周半径及初始速度决定:t=2πr/V
2
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Bqr/2m与轨道半径有关,即粒子运行轨道半径越大,其能量也越大。H在一个D形盒运行半周后,需要通过两个D形盒之间的间隙(gap)进入另外一个D形盒,由于D形盒与高频振荡电源相联,所以粒子在通过gap时会受到变频电场的拉力而做螺旋轨道飞行(如图2),这样粒子就以高于以前的速度进入另外一个D形盒做圆周运动。根据公式(Ⅰ)、(Ⅱ)及(Ⅲ)推出
图1负离子回旋加速器工作原理示意图
[收稿日期]2005-11-10[修回日期]2005-12-21
粒子在磁场中运行一周的时间t=2πm/Bq,由此得出粒子在D形盒中运行时间与轨道半径及粒子速度没有关系,只是和粒
21卷6期 2006.6·37·
仪器原理与使用
子的质量、电荷数及磁场强度有关,设定好振荡频率f=1/t=Bq/2πm(固定值),则当带电粒子旋转半圈后,两个加速电极间的电性正好互换,使电场方向相反,因此带电粒子又再次被加速。粒子经过反复加速,其运行的速度越来越大,轨道半径也相应的增大,在粒子达到最大能量处,粒子束将被束流提取装置提取引出,通过剥离器后成为H+粒子束,轰击靶内的重氧水或其它原子核。
2回旋加速器的基本组成
回旋加速器一般由以下几个系统组成:磁场系统、真空系统、射频系统、离子源系统、束流提取系统、靶系统和冷却系统。
2.1磁场系统
主要由磁铁、磁场线圈和磁场电源组成,提供被加速的带电粒子做圆周运动所需要的磁场强度。2.2真空系统
该系统包括真空腔、真空泵、真空计和控制部分。真空系统要求每天24小时不停的工作,保持真空腔内的真空度,以降低束流的丢失,减少加速器内部的活化,同时对高频电场提供绝缘保护。2.3射频系统
为加速器提供高频振荡电压,是回旋加速器中最关键也是最复杂的系统,它主要有两个功能:一是从离子源中提取离子进行加速;二是对离子运行一周提供加速电压。该系统主要包括RF谐振腔、RF功率发生器以及相应的控制和检测电路,调整因温度变化而引起的高压漂移。2.4离子源系统
由离子源、离子源电源配给器和气体控制系统组成,主要功能是产生需要加速的带电粒子。2.5束流提取系统
主要包括剥离碳膜、引出器等装置。该系统直接将加速的且具有最大能量的带电负离子从真空腔中引出,主要是通过剥离膜(很薄的碳膜)剥去H-的两个电子,使其转变成为带正电荷的H+,此时粒子束运行轨道发生逆向偏转,然后通过引出装置将束流引入靶内。2.6靶系统
主要由准直器、靶室及真空绝缘膜(havar和钛)等组成。生产正电子核素的核反应就在此装置内完成。2.7冷却系统
包括水冷却系统和氦冷却系统。
水冷却系统分为一级水冷却系统和二级水冷却系统。一级水冷却系统为普通的冷水机组,常年制冷;二级水冷却系统中的去离子水带走回旋加速器产生的热量,通过热交换传递给一
医学分册,2002,26(5).
18
医疗设备信息
级水冷却系统,达到为机器降温的目的。
氦冷却系统主要在轰击期间对靶室和靶窗的havar膜与钛膜之间进行冷却,主要由氦气、压缩机和流量计等组成。3回旋加速器的医学应用
回旋加速器在医学上的应用主要是利用其生产的正电子核素,如C、N、O、F等标记PET扫描仪所需的示踪剂。目前由回旋加速器生产的常用正电子放射性示踪剂主要有以
18
下几种,见表1。在临床实践中,18F-氟代脱氧葡萄糖(F-11
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18
FDG)最常用,其适应症广泛,而且半衰期相对较长,适于配送。
表1常用正电子放射性示踪剂
放射性示踪剂
18
代谢机理葡萄糖代谢
临床应用肿瘤的探测心肌活性脑功能脑功能肿瘤(脑、肺、乳房)心肌损害脑肿瘤、前列腺癌心肌损害脑肿瘤、心肌损害脑肿瘤、心肌损害
半衰期(min)
F-氟代脱氧葡萄糖
109.7
F-氟代多巴胺多巴胺代谢
11
C-蛋氨酸C-乙酸C-胆碱
氨基酸代谢有氧代谢细胞膜合成乙酰胆碱脂酶
血流血流氧代谢
11
20.4
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N-氨水O-水O-氧气4结束语
9.962.07
1515
回旋加速器虽然在PET中心起着至关重要的作用,但是由于回旋加速器涉及到放射物理、放射化学、医学工程、药物药效学等各方面知识,机器结构比较复杂,设备价格及运行成本都十分昂贵;如果平时对设备维护不利则故障发生率就会很高,因此回旋加速器不可能在各个医院普及。笔者个人认为最好的解决办法就是每个中心城市拥有1台～2台回旋加速器,形成放射药物配送中心,以满足核医学日益发展的需要。
[参考文献]
[1]王明芳.医用回旋加速器及正电子核素生产[J].国外医学·放射医学核
[2]范西江,等.回旋加速器参数的选择[J].医疗设备信息,2004,19(9):46-47.
[3]潘屏南,等.现代大型医用设备·回旋加速器的组成和原理[M].北京:中
国医药科技出版社,2002.
[4]李少林,等.核医学[M].北京:人民卫生出版社,2002.
[5]潘中允,等.回旋加速器和正电子显像剂及其管理[M].PET诊断学,人民
卫生出版社,2005.
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