[科普中国]-医用回旋加速器

医用回旋加速器是“粒子加速器”的一种，其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变化的AVF 原理，采用规律变化的磁场系统，修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变化等，提高粒子加速效率和聚焦度。

简介PET/CT(Positron emission computed tomography/CT，正电子发射型计算机断层显像/X 线CT 显像仪) 利用图像融合技术，综合了PET 功能、分子代谢影像与CT精细解剖影像的优势，结合正电子放射性核素标记的多种分子探针的应用，在恶性肿瘤早期诊断与肿瘤分期分级、临床疗效评估与随访监测，良、恶性病变鉴别，协助临床治疗方案决策和放疗生物靶区确定，以及探索肿瘤生物学特征等方面具有极为重要的作用，在心脑血管疾病、神经变性性疾病、癫痫等的诊断、评估等方面有独特价值，在临床的应用不断增加。标记各种分子探针所必需的正电子放射性核素如18F( 氟-18)、11C( 碳-11)、13N( 氮-13) 等的半衰期一般都很短，依赖于医用回旋加速器即时生产制备。随着我国PET/CT 应用的迅速发展，对医用回旋加速器的需求也快速增长，据2010 年全国调查，国内医用回旋加速器需求的年增长率达两位数1。

医用回旋加速器工作原理回旋加速器是“粒子加速器”的一种，其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变化的AVF 原理，采用规律变化的磁场系统，修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变化等，提高粒子加速效率和聚焦度。现代医用回旋加速器多采用分离扇形磁铁调变磁场技术，属等时性回旋加速器范畴。医用回旋加速器的工作原理是：带电粒子在磁场和交变电场作用下，反复在磁场做弯曲运动(回旋) 并被交变电场反复加速，直至达到预期所需粒子能量，通过粒子束流引出系统引出，轰击靶系统中的靶材料，获得所需正电子放射性核素。

经典劳伦斯(E.O.Lawrence) 回旋加速器回旋加速器的核心结构是磁场系统和射频(RF)系统，性能要求很高。为防止带电粒子运动中与其他原子碰撞损失能量，需置于真空(系统)，因此对真空条件的要求也很高。经典的E.O.Lawrence 回旋加速器原理示意图，两块磁铁上、下隔开放置，在两磁极间形成一个均匀磁场(B)，两个半圆形的金属扁盒(D形盒) 隔开相对放置其中，D形盒与高频振荡电源相联，在两个D形盒的间隙处产生为粒子加速的交变。

交变电场的中心位置是粒子源(Ion Source)，整个系统置于真空室内。粒子源产生的带电粒子在D形盒间隙电场作用下被加速，飞入D形盒，进入D形盒中的带电粒子不受电场作用，但受磁极间磁场的洛伦兹力作用，其运动遵循拉摩尔定律。拉摩尔定律是带电粒子被反复回旋加速的理论基础之一，即恒定磁场中带电粒子的运动角频率是一个常数，与粒子本身运动速度无关。

托马斯(L.H.Thomas)等时性回旋加速器根据相对论理论，随着粒子被加速而不断向光速接近，不仅其动能增加，其相对论质量也会随之增加。在匀强磁场中，随着粒子不断被加速，其相对论质量增加，在高频频率保持恒定时，则会导致其运动速度相对减慢、偏向圆心发生加速相位移动、粒子回旋频率发生改变(即回旋周期或时间不等)。受此限制，经典回旋加速器的粒子能量难以超过每核子20多MeV的能量范围，且束流聚焦度降低。为克服上述不足，1938年托马斯(L.H.Thomas) 提出了磁场强度随方位角变化的AVF原理，并初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念，他建议采用规律排列的扇形磁铁使磁场沿方位角调变(调变磁场，即磁场强度沿方位角按一定规律周期性变化)，使粒子沿平衡轨道受到一个沿方位角周期性变化的磁场作用力，保证粒子轴向运动的稳定性，同时平均磁场沿半径扩大逐渐增强以保持严格谐振加速，满足回旋周期保持不变的等时性磁场要求。这种调变磁场回旋加速器称为托马斯型回旋加速器。因为加速粒子的回旋频率(周期) 保持不变，所以又称为等时性回旋加速器。现代回旋加速器根据磁场分布形式，通过径向扇形磁铁结构、螺旋扇形磁铁结构、分离扇形磁铁结构等方式形成调变磁场。等时性回旋加速器的出现，可以人工生产出多种放射性的同位素，加速了医学临床研究的发展2。

医用回旋加速器分类1.根据加速粒子类别分类

根据加速粒子电荷的不同，一般将现代医用回旋加速器分为正离子回旋加速器和负离子回旋加速器；根据可加速粒子的种类，又可分为单粒子加速器和多粒子加速器。现代医用回旋加速器大多是负离子回旋加速器，多数可加速带负电荷的质子和氘核，又属于多粒子加速器。

(1) 正离子回旋加速器

用于加速带正电荷的粒子。生产正电子核素的许多核反应是由正离子轰击靶材料的原子核来完成的，正离子回旋加速器直接将带正电荷的离子加速，轰击靶核获得正电子核素。但加速后的高能正离子束需要由金属电极偏转板形成的偏转电场来完成束流的引出，在引出过程中，高能粒子束与金属电极板以及屏蔽材料之间发生碰撞会引起附加的辐射。此类加速器医疗中不常用。

(2) 负离子回旋加速器

用于加速带负电荷的粒子。现代医用回旋加速器多属此类，加速离子均为带负电的氢离子，其优点是加速后高能粒子束流最终的引出效率高，几乎可达100%，缺点是获得高强度H-离子源的难度较大。由于生产正电子核素的许多核反应是由正离子轰击靶材料的原子核来完成的，高能粒子束流引出时需要特定装置将其转变为正离子。这一过程利用碳剥离膜来完成，碳膜被驱动装置定位在回旋加速器粒子旋转轨道最大半径上，当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，所有出现在碳膜区域的负离子束必须穿过碳膜，带负电粒子的两个约束松弛的外层电子被剥离，转变为正离子。由于磁场恒定不变，改变了电极性的粒子束受到与原来相反方向的磁场力的作用而改变了运动方向，从而被引出而进入靶室。设计安放碳剥离膜的位置可影响、调整束流引出能量，并能够调整引出束流引导进入特定的同位素生产靶。

(3) 单粒子加速器

单粒子加速器仅加速单一的离子。

(4) 多粒子加速器

多粒子加速器可以对两种以上的带电粒子进行加速，利用多种核反应谱来完成所需正电子核素的生产。现代医用回旋加速器大多可加速负氢离子，也能加速氘核，但加速氘核很少用。

2.根据粒子加速平面与地平面的关系分类

根据提供粒子束流加速平面与地平面是平行或垂直，可将回旋加速器分为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(卧式加速器)两类。

(1) 立式加速器

其优点是占地面积小和所需要的空间高度低。它的磁轭门可以像冰箱门一样向一边打开，容易进入真空室内部，能清楚地观察中心区域的装置，便于维修和更换元件。立式加速器的设计可以使靶局限化，靶产生的放射性局限在一个区域，有利于辐射防护。

(2) 卧式加速器

需要较高的空间限度，并且在维修服务期间需要昂贵的液压起重系统向上打开另一半磁轭。卧式加速器的靶常常在回旋加速器的周围，因此，回旋加速器的四周都分布有放射性。

技术进展1.非匀强调变磁场技术

根据托马斯的磁场强度随方位角变化的AVF原理，现代回旋加速器除采用磁场沿方位角按一定规律周期性变化的设计外，还应用线圈可调节磁激励设计，使磁场强度沿方位角的平均值从中心随半径逐渐扩大而增强，形成非匀强调变磁场，有利于维持加速粒子轴向运动的稳定性，获得更大的束流和粒子能量。

2.外置离子源技术

这种外置多峰负氢离子源是由加拿大TRIUMF国家实验室研制的，现应用于ACSI公司各类型的医用回旋加速器上，其结构主要包括等离子体放电腔、10对多峰永磁体、电子虚拟过虑器、三电极引出系统、带有永磁约束的端盖、单或双灯丝及灯丝座、氢气供气及气流量调节系统、电源系统、水冷系统和控制系统等。等离子体放电腔是离子源的本体，放电腔为直径98 mm、长150 mm 的圆柱形。

灯丝安装于等离子体放电腔之中，钽材料的灯丝电加热而发射电子，实时监测灯丝与放电腔本体之间的弧压，并反馈控制灯丝的电流，从而使弧流维持在所需要的范围内。在引出的地电极上安装有紧凑型的X-Y导向磁铁，以及时地校正引出束流的方向。该导向磁铁的特点是X-Y方向磁场合理叠加、结构十分紧凑，便于安装在离子源引出区等空间尺寸紧张的区域。

与PIG 离子源相比，外置离子源的亮度高，束流纯度高，流强大，束流注入效率高，对真空腔的气体负载小，操作简便，维护简单，无需专业人士维护，不会对射频产生影响。

3.靶技术

对于实际生产的需求，18F离子占据了绝大部分的比例，相应的生产技术也得到了最快的改进。起初，PET 尚未得到广泛应用时，每天实际所做病人数量也是寥寥无几，在氧-18水价格高昂的时期，各厂家的靶设计均是采用小容量靶体，一般在0.5~1.0ml，每次开机生产，能够合成400~500 毫居的18F-FDG，即可满足本单位的需求。随着PET/CT 检查人数的不断增加，18F-FDG 的需求大大增加，催生了各个回旋加速器厂家对靶的容量及18F 产量的升级，大多数厂家都把靶容量升到了1.4~2.0ml，18F 的产量也可多达几个甚至十多个居里，单次合成18F-FDG 就可超过5 居里。各厂家在提高靶量的同时，也对靶的结构进行了很大的革新，由最初的银质靶体发展到如今的钛、铌材质的合金靶。

众所周知，银的导热性能极好，这也是各厂家选用原因之一，但银靶使用一断时间后，会发生氧化有银粉脱落，容易堵塞传输管路及遮挡靶膜，需要定期时间清洁维护，增加工作人员的辐射剂量，同时维护成本也比较高。而钛、铌这类惰性金属正好可以克服银靶的缺点，做到了靶体的免维护。另外，靶技术的发展还体现在靶体的结构设计上，早期的靶一般都是直立靶体，束流比较集中，产生的热量难以迅速带走，因此都是高压靶，所能承受的束流也比较小。现在的靶体设计为倾斜式，束流可以与更大面积的靶料反应，增加了核素产量的同时，也便于热量的散发，这样的设计特别表现在固体靶技术上，倾斜的角度可以达到5~12度。

4.双束流轰击技术

在回旋加速器最大半径的不同位置上设置两个碳膜提取装置，将质子(或氘核)同时引到两个不同的靶体上，可以同时生产同一种正电子核素, 成倍提高正电子核素产量，也可以根据不同核反应谱同时生产两种正电子核素，大大提高回旋加速器的工作效率。

5.多核素生产技术

多种核素的生产主要集中在中能加速器上，通常为20~30Mev 的能量，国内一些医院及机构也有一些研究，但成熟的技术主要还是集中在国外，如IBA、MDS NORDION。这类非常规的核素主要是由气体靶或是固体靶技术得来，如62Zn、68Ga、124I 等，也可以生产满足ECT 使用的单光子核素，如111In 、123I。特别是近年来的ACSI 公司，利用固体靶技术，通过回旋加速器直接生产出核医学中最常用的99mTc。

在医学不断发展的今天，医用回旋加速器的技术发展已不再是仅仅满足生产常规正电子放射性的需求，更是朝着核素的多样性、性能更加强大的方向进步3。

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学