医用回旋加速器原理及应用_贾峰涛

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2024年5月15日发(作者：)

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

Princi

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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H

2

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=B

q

V(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=mV

2

/2=

关系为F=mV

2

/r(Ⅱ),粒子运行时间由圆周半径及初始速

度决定:t=2πr/V

222

-

-

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

g

a

p

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/B

q

,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

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·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,

18

F-氟代脱氧葡萄糖(F-

11131518

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

9.96

2.07

15

15

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.

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卫生出版社,2005.

☆

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本文标签： 加速器回旋系统粒子