醫用回旋加速器

醫用回旋加速器是“粒子加速器”的一種，其設計、製造的理論基礎是拉摩爾定律和勞倫斯回旋加速理論。現代回旋加速器則結合了托馬斯提出的磁場強度隨方位角變化的AVF 原理，採用規律變化的磁場系統，修正粒子加速過程中的相位移動、相對速度減慢和粒子迴旋頻率變化等，提高粒子加速效率和聚焦度。

基本介紹

• 中文名：醫用回旋加速器
• 外文名：Medical cyclotron
• 學科：電子工程
• 領域：電子技術
• 類型：粒子加速器
• 理論：拉摩爾定律和勞倫斯回旋加速理論

簡介

PET/CT(Positron emission computed tomography/CT，正電子發射型計算機斷層顯像/X 線CT 顯像儀) 利用圖像融合技術，綜合了PET 功能、分子代謝影像與CT精細解剖影像的優勢，結合正電子放射性核素標記的多種分子探針的套用，在惡性腫瘤早期診斷與腫瘤分期分級、臨床療效評估與隨訪監測，良、惡性病變鑑別，協助臨床治療方案決策和放療生物靶區確定，以及探索腫瘤生物學特徵等方面具有極為重要的作用，在心腦血管疾病、神經變性性疾病、癲癇等的診斷、評估等方面有獨特價值，在臨床的套用不斷增加。標記各種分子探針所必需的正電子放射性核素如18F( 氟-18)、11C( 碳-11)、13N( 氮-13) 等的半衰期一般都很短，依賴於醫用回旋加速器即時生產製備。隨著我國PET/CT 套用的迅速發展，對醫用回旋加速器的需求也快速增長，據2010 年全國調查，國內醫用回旋加速器需求的年增長率達兩位數。

醫用回旋加速器工作原理

回旋加速器是“粒子加速器”的一種，其設計、製造的理論基礎是拉摩爾定律和勞倫斯回旋加速理論。現代回旋加速器則結合了托馬斯提出的磁場強度隨方位角變化的AVF 原理，採用規律變化的磁場系統，修正粒子加速過程中的相位移動、相對速度減慢和粒子迴旋頻率變化等，提高粒子加速效率和聚焦度。現代醫用回旋加速器多採用分離扇形磁鐵調變磁場技術，屬等時性回旋加速器範疇。醫用回旋加速器的工作原理是：帶電粒子在磁場和交變電場作用下，反覆在磁場做彎曲運動(迴旋) 並被交變電場反覆加速，直至達到預期所需粒子能量，通過粒子束流引出系統，轟擊靶系統中的靶材料，獲得所需正電子放射性核素。

經典勞倫斯(E.O.Lawrence) 回旋加速器

回旋加速器的核心結構是磁場系統和射頻(RF)系統，性能要求很高。為防止帶電粒子運動中與其他原子碰撞損失能量，需置於真空(系統)，因此對真空條件的要求也很高。經典的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均勻磁場(B)，兩個半圓形的金屬扁盒(D形盒) 隔開相對放置其中，D形盒與高頻振盪電源相聯，在兩個D形盒的間隙處產生為粒子加速的交變。

交變電場的中心位置是粒子源(Ion Source)，整個系統置於真空室內。粒子源產生的帶電粒子在D形盒間隙電場作用下被加速，飛入D形盒，進入D形盒中的帶電粒子不受電場作用，但受磁極間磁場的洛倫茲力作用，其運動遵循拉摩爾定律。拉摩爾定律是帶電粒子被反覆回旋加速的理論基礎之一，即恆定磁場中帶電粒子的運動角頻率是一個常數，與粒子本身運動速度無關。

托馬斯(L.H.Thomas)等時性回旋加速器

根據相對論理論，隨著粒子被加速而不斷向光速接近，不僅其動能增加，其相對論質量也會隨之增加。在勻強磁場中，隨著粒子不斷被加速，其相對論質量增加，在高頻頻率保持恆定時，則會導致其運動速度相對減慢、偏向圓心發生加速相位移動、粒子迴旋頻率發生改變(即迴旋周期或時間不等)。受此限制，經典回旋加速器的粒子能量難以超過每核子20多MeV的能量範圍，且束流聚焦度降低。為克服上述不足，1938年托馬斯(L.H.Thomas) 提出了磁場強度隨方位角變化的AVF原理，並初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念，他建議採用規律排列的扇形磁鐵使磁場沿方位角調變(調變磁場，即磁場強度沿方位角按一定規律周期性變化)，使粒子沿平衡軌道受到一個沿方位角周期性變化的磁場作用力，保證粒子軸向運動的穩定性，同時平均磁場沿半徑擴大逐漸增強以保持嚴格諧振加速，滿足迴旋周期保持不變的等時性磁場要求。這種調變磁場回旋加速器稱為托馬斯型回旋加速器。因為加速粒子的迴旋頻率(周期) 保持不變，所以又稱為等時性回旋加速器。現代回旋加速器根據磁場分布形式，通過徑向扇形磁鐵結構、螺旋扇形磁鐵結構、分離扇形磁鐵結構等方式形成調變磁場。等時性回旋加速器的出現，可以人工生產出多种放射性的同位素，加速了醫學臨床研究的發展。

醫用回旋加速器分類

1.根據加速粒子類別分類

根據加速粒子電荷的不同，一般將現代醫用回旋加速器分為正離子回旋加速器和負離子回旋加速器；根據可加速粒子的種類，又可分為單粒子加速器和多粒子加速器。現代醫用回旋加速器大多是負離子回旋加速器，多數可加速帶負電荷的質子和氘核，又屬於多粒子加速器。

(1) 正離子回旋加速器

用於加速帶正電荷的粒子。生產正電子核素的許多核反應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。但加速後的高能正離子束需要由金屬電極偏轉板形成的偏轉電場來完成束流的引出，在引出過程中，高能粒子束與金屬電極板以及禁止材料之間發生碰撞會引起附加的輻射。此類加速器醫療中不常用。

(2) 負離子回旋加速器

用於加速帶負電荷的粒子。現代醫用回旋加速器多屬此類，加速離子均為帶負電的氫離子，其優點是加速後高能粒子束流最終的引出效率高，幾乎可達100%，缺點是獲得高強度H-離子源的難度較大。由於生產正電子核素的許多核反應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需要特定裝置將其轉變為正離子。這一過程利用碳剝離膜來完成，碳膜被驅動裝置定位在回旋加速器粒子旋轉軌道最大半徑上，當粒子束流的能量達到所需的最大能量時，所有出現在碳膜區域的負離子束必須穿過碳膜，帶負電粒子的兩個約束鬆弛的外層電子被剝離，轉變為正離子。由於磁場恆定不變，改變了電極性的粒子束受到與原來相反方向的磁場力的作用而改變了運動方向，從而被引出而進入靶室。設計安放碳剝離膜的位置可影響、調整束流引出能量，並能夠調整引出束流引導進入特定的同位素生產靶。

(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兩種以上的帶電粒子進行加速，利用多種核反應譜來完成所需正電子核素的生產。現代醫用回旋加速器大多可加速負氫離子，也能加速氘核，但加速氘核很少用。

2.根據粒子加速平面與地平面的關係分類

根據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

其優點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櫃門一樣向一邊打開，容易進入真空室內部，能清楚地觀察中心區域的裝置，便於維修和更換元件。立式加速器的設計可以使靶局限化，靶產生的放射性局限在一個區域，有利於輻射防護。

(2) 臥式加速器

需要較高的空間限度，並且在維修服務期間需要昂貴的液壓起重系統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。

技術進展

1.非勻強調變磁場技術

根據托馬斯的磁場強度隨方位角變化的AVF原理，現代回旋加速器除採用磁場沿方位角按一定規律周期性變化的設計外，還套用線圈可調節磁激勵設計，使磁場強度沿方位角的平均值從中心隨半徑逐漸擴大而增強，形成非勻強調變磁場，有利於維持加速粒子軸向運動的穩定性，獲得更大的束流和粒子能量。

2.外置離子源技術

這種外置多峰負氫離子源是由加拿大TRIUMF國家實驗室研製的，現套用於ACSI公司各類型的醫用回旋加速器上，其結構主要包括電漿放電腔、10對多峰永磁體、電子虛擬過慮器、三電極引出系統、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節系統、電源系統、水冷系統和控制系統等。電漿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。

燈絲安裝於電漿放電腔之中，鉭材料的燈絲電加熱而發射電子，實時監測燈絲與放電腔本體之間的弧壓，並反饋控制燈絲的電流，從而使弧流維持在所需要的範圍內。在引出的地電極上安裝有緊湊型的X-Y導向磁鐵，以及時地校正引出束流的方向。該導向磁鐵的特點是X-Y方向磁場合理疊加、結構十分緊湊，便於安裝在離子源引出區等空間尺寸緊張的區域。

與PIG 離子源相比，外置離子源的亮度高，束流純度高，流強大，束流注入效率高，對真空腔的氣體負載小，操作簡便，維護簡單，無需專業人士維護，不會對射頻產生影響。

3.靶技術

對於實際生產的需求，18F離子占據了絕大部分的比例，相應的生產技術也得到了最快的改進。起初，PET 尚未得到廣泛套用時，每天實際所做病人數量也是寥寥無幾，在氧-18水價格高昂的時期，各廠家的靶設計均是採用小容量靶體，一般在0.5~1.0ml，每次開機生產，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 檢查人數的不斷增加，18F-FDG 的需求大大增加，催生了各個回旋加速器廠家對靶的容量及18F 產量的升級，大多數廠家都把靶容量升到了1.4~2.0ml，18F 的產量也可多達幾個甚至十多個居里，單次合成18F-FDG 就可超過5 居里。各廠家在提高靶量的同時，也對靶的結構進行了很大的革新，由最初的銀質靶體發展到如今的鈦、鈮材質的合金靶。

眾所周知，銀的導熱性能極好，這也是各廠家選用原因之一，但銀靶使用一斷時間後，會發生氧化有銀粉脫落，容易堵塞傳輸管路及遮擋靶膜，需要定期時間清潔維護，增加工作人員的輻射劑量，同時維護成本也比較高。而鈦、鈮這類惰性金屬正好可以克服銀靶的缺點，做到了靶體的免維護。另外，靶技術的發展還體現在靶體的結構設計上，早期的靶一般都是直立靶體，束流比較集中，產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。現在的靶體設計為傾斜式，束流可以與更大面積的靶料反應，增加了核素產量的同時，也便於熱量的散發，這樣的設計特別表現在固體靶技術上，傾斜的角度可以達到5~12度。

4.雙束流轟擊技術

在回旋加速器最大半徑的不同位置上設定兩個碳膜提取裝置，將質子(或氘核)同時引到兩個不同的靶體上，可以同時生產同一種正電子核素, 成倍提高正電子核素產量，也可以根據不同核反應譜同時生產兩種正電子核素，大大提高回旋加速器的工作效率。

5.多核素生產技術

多種核素的生產主要集中在中能加速器上，通常為20~30Mev 的能量，國內一些醫院及機構也有一些研究，但成熟的技術主要還是集中在國外，如IBA、MDS NORDION。這類非常規的核素主要是由氣體靶或是固體靶技術得來，如62Zn、68Ga、124I 等，也可以生產滿足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，通過回旋加速器直接生產出核醫學中最常用的99mTc。

在醫學不斷發展的今天，醫用回旋加速器的技術發展已不再是僅僅滿足生產常規正電子放射性的需求，更是朝著核素的多樣性、性能更加強大的方向進步。