醫(yī)用回旋加速器束流引出位置對(duì)液體靶工作效率的影響

王穎，唐文偉，徐緒黨，劉標(biāo)，張新榮

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京兒童醫(yī)院放射科，江蘇 南京 210008；2. 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 PET/CT中心，江蘇 南京 210029

醫(yī)用回旋加速器束流引出位置對(duì)液體靶工作效率的影響

王穎1，唐文偉1，徐緒黨2，劉標(biāo)2，張新榮1

1.南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京兒童醫(yī)院放射科，江蘇 南京 210008；2. 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 PET/CT中心，江蘇 南京 210029

目的 探討醫(yī)用回旋加速器引出束流轟靶的位置對(duì)液體靶生產(chǎn)正電子同位素能力的影響。方法 選擇最佳磁場(chǎng)電流范圍；固定轟靶的束流強(qiáng)度（30μA）、靶室壓力（350±10Psi）、核反應(yīng)時(shí)間(T=30min)及靶水體積(1.5mL H2O18)，利用18O（p,n）18F核反應(yīng)生產(chǎn)18F同位素；以圓形靶膜正中為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)平面，調(diào)整回旋加速器加速粒子的引出位置，分別使2/3束流截面面積位于不同的兩個(gè)相鄰象限內(nèi)，測(cè)量不同條件下反應(yīng)結(jié)束后獲得的18F的放射性活度。結(jié)果束流中心定位于靶膜正中位置時(shí)獲得的18F的放射性活度為（710±30）mCi (n=15)；束流中心定位于靶膜正中位置垂直偏下，且2/3束流截面積位于圓形靶膜的第三、四象限內(nèi)時(shí)，獲得的18F的放射性活度為(860±50)mCi（n=15）；束流中心定位于靶膜正中位置偏左或偏右，且2/3束流截面積位于第二、三象限或第一、四象限時(shí)，獲得的18F的放射性活度都為(640±35)mCi (n=15)；束流中心定位于靶膜正中位置偏上，且2/3束流截面積位于第一、二象限時(shí)，獲得的18F的放射性活度為(550±40)mCi (n=15)。結(jié)論 轟靶束流的引出位置的改變會(huì)直接影響液體靶的工作效率；當(dāng)束流中心定位于靶膜正中位置偏下通過(guò)時(shí)，液體靶的工作效率最好。

回旋加速器；準(zhǔn)直器；液體靶；正電子同位素

本文導(dǎo)讀 >>

課題背景：本課題受江蘇省社會(huì)發(fā)展計(jì)劃、醫(yī)藥高技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（BS2007068）資助，主要探討影響回旋加速器整體性能的主要指標(biāo)——引出束流位置的重要性。通過(guò)對(duì)多種條件下引出束流位置檢測(cè)及回旋加速器產(chǎn)出效能的比較，確定引出束流的最佳位置，為回旋加速器整體系統(tǒng)調(diào)試提供參考。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)定恰當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)磁場(chǎng)范圍，設(shè)定不同的束流引出點(diǎn)轟擊液體靶，發(fā)生特定的核反應(yīng)，相同的反應(yīng)條件下測(cè)量各束流引出點(diǎn)核反應(yīng)的效率，即產(chǎn)生正電子同位素的放射性活度，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定加速器束流的最佳引出點(diǎn)。

偏倚和不足：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本量稍偏少，沒(méi)有進(jìn)行精確的兩樣本間逐一比較。

醫(yī)用回旋加速器是一種多系統(tǒng)組成的大型醫(yī)用設(shè)備。靶系統(tǒng)是其最重要的子系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)是發(fā)生核反應(yīng)并產(chǎn)生相應(yīng)正電子同位素的部位[1-3]。加速器在安裝完畢交付醫(yī)院使用之前必須對(duì)靶系統(tǒng)作全面的調(diào)試，以使該系統(tǒng)處于最佳的工作狀態(tài)[4,5]。其束流引出位置調(diào)試是回旋加速器整體性能維護(hù)的關(guān)鍵工作之一，其調(diào)試過(guò)程較繁瑣，使用單位在日常使用中一般不再進(jìn)行常規(guī)調(diào)試。由于靶系統(tǒng)直接關(guān)系著相關(guān)耗材的使用，因此，靶系統(tǒng)的調(diào)試狀態(tài)的優(yōu)劣對(duì)后續(xù)使用會(huì)產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)影響。我們通過(guò)改變束流位置分別測(cè)試液體靶在各種條件下的工作效率，以期發(fā)現(xiàn)束流轟擊液體靶的優(yōu)勢(shì)位置，為回旋加速器使用者提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

醫(yī)用回旋加速器PETtrace（美國(guó)，GE medical system）、正電子核素活度計(jì)、回旋加速器PETtrace專用測(cè)試靶（paper target）、游標(biāo)卡尺、98%的高純富氧水H2O18（常熟，華益埃索托普公司）。

1.2 方法

1.2.1 確定回旋加速器最佳偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電流范圍[6]

在室溫環(huán)境保持20℃的條件下，以433A作為磁場(chǎng)電流的基點(diǎn)，以0.5A遞增測(cè)試，測(cè)試至438A。自離子源引出強(qiáng)度為15A的束流（通過(guò)離子源引出口的探針探測(cè)），分別記錄各磁場(chǎng)電流條件下束流在萃取碳膜、上下準(zhǔn)直器、靶膜的分配值。最佳磁場(chǎng)電流范圍的確定條件為：萃取碳膜上的電流及靶體電流處于最大平臺(tái)期、上下準(zhǔn)直器電流基本相等且電流之和穩(wěn)定。

1.2.2 制作束流測(cè)試紙膜

根據(jù)回旋加速器測(cè)試靶靶膜直徑大小，制作束流測(cè)試紙膜。選擇厚度大于0.5mm的非易燃硬質(zhì)紙片，根據(jù)測(cè)試靶測(cè)試紙膜插縫的寬度（本實(shí)驗(yàn)為30mm）裁剪測(cè)試紙，利用游標(biāo)卡尺精確測(cè)量靶膜的直徑大小，裁剪寬度為30mm，長(zhǎng)度約為50mm的長(zhǎng)方形測(cè)試紙膜，選擇距離紙膜任意3條邊的垂直距離都為15mm的點(diǎn)作為測(cè)試原點(diǎn)，該原點(diǎn)對(duì)應(yīng)靶膜正中的位置，并將該位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)畫(huà)出直角坐標(biāo)。

1.2.3 測(cè)試各條件下液體靶的工作效率

改變束流中心轟擊測(cè)試紙膜的位置，測(cè)試各種條件下液體靶的工作效率。通過(guò)微調(diào)束流提取碳膜的位置、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電流、準(zhǔn)值器相對(duì)位置、加速Dee電極的相對(duì)深度等，設(shè)定低束流強(qiáng)度（小于5μA）、短轟擊時(shí)間（1～2min），分別測(cè)試束流在測(cè)試紙膜的焦化斑點(diǎn)中心與靶膜中心原點(diǎn)的相對(duì)位置，即焦化斑點(diǎn)2/3面積所在的象限范圍。取下測(cè)試靶換上18F高產(chǎn)靶，固定轟靶的束流強(qiáng)度（30μA）、靶室壓力（（350±10）Psi）、轟擊時(shí)間(T=30min)及靶水體積(1.5mL H2O18)，進(jìn)行18F產(chǎn)額測(cè)試。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理運(yùn)用SAS8.1軟件，數(shù)據(jù)以xˉ ± s表示，運(yùn)用組間t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 回旋加速器最佳偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍

在本測(cè)試條件下，以束流分配與磁場(chǎng)電流強(qiáng)度變化的趨勢(shì)得出：當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度處于434.5～436.0A之間時(shí)，萃取碳膜及靶膜的束流分配值較大且穩(wěn)定，同時(shí)在該范圍內(nèi)準(zhǔn)值器束流分配較穩(wěn)定且上下準(zhǔn)值器值相當(dāng)（如圖1所示）。

圖1 不同磁場(chǎng)電流強(qiáng)度下的束流分配情況

2.2 測(cè)試靶束流相對(duì)位置情況及各條件下18F的產(chǎn)額

測(cè)試紙膜上2/3焦化斑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的靶膜平面的四象限位置分類及各條件下18F產(chǎn)額見(jiàn)表1。

表1 束流在測(cè)試靶上的位置及各條件下液體靶的18F產(chǎn)額（xˉ ± s, n=15）

3 討論

醫(yī)用回旋加速器作為一種大型醫(yī)用設(shè)備，在日常使用過(guò)程中涉及昂貴的耗材和試劑。因此，在固定投入的情況下要盡量使其發(fā)揮最大的工作效率，其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟便是精確調(diào)試靶系統(tǒng)的工作性能[7,8]。目前，國(guó)內(nèi)醫(yī)用加速器基本上全部是液體靶，本文所討論的問(wèn)題也只涉及液體靶的調(diào)試。由于固體靶與氣體靶所應(yīng)用的核反應(yīng)原理及物理構(gòu)造不同，因而它們的具體調(diào)試方法也不同，在此不作贅述。

液體靶的調(diào)試主要是將引起核反應(yīng)的束流（氫氣或氘氣電離獲得）轟擊在靶的準(zhǔn)確位置[9,10]，目的是使束流截面與反應(yīng)媒介（如富氧水18O-H2O）的交界面最大，以利于在最短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生相關(guān)核反應(yīng)得到目的核素。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)束流中心定位于靶膜正中位置垂直偏下，且2/3束流截面積位于圓形靶膜的第三，四象限內(nèi)時(shí)，18O（p,n）、18F核反應(yīng)生產(chǎn)18F同位素的效率最高，且與束流中心定位于靶膜正中位置時(shí)獲得的18F的差異具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。究其原因，主要是因?yàn)镻ETtrace型回旋加速器的靶腔設(shè)計(jì)成橢圓形凹槽（上為靶膜覆蓋），其長(zhǎng)軸平行于直角坐標(biāo)的Y軸；同時(shí)靶系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到靶腔為密閉性結(jié)構(gòu)，當(dāng)核反應(yīng)進(jìn)行后一段時(shí)間靶腔內(nèi)的液體（如富氧水）會(huì)沸騰成蒸汽狀態(tài)，靶腔內(nèi)壓力會(huì)陡升[11]。因此，加入靶腔的反應(yīng)液體不可能將靶腔全部裝滿，這就使得靶腔內(nèi)的液體中心位于橢圓形凹槽的中心偏下的位置，當(dāng)束流偏下轟擊靶腔時(shí)，由此引起的核反應(yīng)水分子數(shù)最多，發(fā)生核反應(yīng)的幾率最大，從而得到更多的反應(yīng)產(chǎn)物，進(jìn)而提高了液體靶的生產(chǎn)效率。

對(duì)于液體靶的調(diào)試，本文僅提供一種方法。束流的最佳引出位置并非固定，它由液體靶的靶腔構(gòu)型決定。當(dāng)不同的機(jī)型加速器的液體靶調(diào)試結(jié)果不同時(shí)要考慮到不同廠家的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。同時(shí)還要注重測(cè)試的其他相關(guān)條件，因?yàn)榘邢到y(tǒng)的整體性能由多因素決定，單一比較某個(gè)因素是沒(méi)有價(jià)值和意義的。

[1] 潘中允.PET診斷學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2005:31-32.

[2] 陳澤龍,陳自謙,楊忠東,等.醫(yī)用回旋加速器雙束流技術(shù)生產(chǎn)放射性核素應(yīng)用研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2009,30(3):66-68.

[3] 胡玉民,于麗娟,梁秀艷,等.PET/CT中心的回旋加速器安裝基本要求[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,21(7):65-66.

[4] 陳澤龍,馬繼民.醫(yī)用回旋加速器安裝及生產(chǎn)的準(zhǔn)備與要求[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2005,26(11):59-60.

[5] 張虎軍,楊勤,向艷,等.醫(yī)用回旋加速器的基本原理與組成[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(11):59-60.

[6] 范西江,金榕兵,張荷,等.回旋加速器工作參數(shù)的選擇[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2004,19(9):46-47.

[7] 王明芳.醫(yī)用回旋加速器及正電子藥物生產(chǎn)[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)·放射醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)分冊(cè),2002,26(5):231-236.

[8] 賈峰濤,楊星,洪軍,等.醫(yī)用回旋加速器原理及應(yīng)用[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2006,21(6):37-38.

[9] 張圈世,張木,楊亮,等.醫(yī)用回旋加速器掃描束性能及輻射質(zhì)的研究[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2005,22(1):376-378.

[10] 王海兵,陳英茂,尹吉林.回旋加速器技術(shù)探析及展望[J].中華核醫(yī)學(xué)雜志,2009,29(6):432-433.

[11] 劉標(biāo),黃慶娟,徐緒黨,等.正電子顯像劑18F-FDG Tracerlab FXFDG法的制備與質(zhì)量控制[J].江蘇醫(yī)藥,2008,34(1):83-84.

Impact of Medical Cyclotron Beam Extraction Position on the Liquid Target Efficiency

WANG Ying1,TANG Wen-wei1,XU Xu-dang2,LIU Biao2,ZHANG Xinrong1
1.Radiology Department,the Affiliated Nanjing Children's Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029,China; 2.PET/CT Center, the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

Objective To investigate the impact of medical cyclotron beam extraction position on the liquid target efficiency.Methods Selected the best magnetic field current range, and fixed target beam intensity of the H (30μA), target chamber pressure (350±10Psi ), the nuclear reaction time (t = 30min) and the target water volume (1.5mL H2O18), the use of18O (p, n) 18F nuclear reaction18F isotope production; in the middle of a circular target membrane origin for the coordinates of the establishment of rectangular coordinate plane,adjust the cyclotron to accelerate particles leads to positions, respectively, so that 2/3 of the beam crosssectional area of two adjacent located in different quadrants, the measurement of reaction under different conditions,18F radioactivity is measured in the end.Results The beam center located in the middle of the target membrane the location of18F radioactivity is measured in obtained for the 710±30mCi (n=15);beam center located in the middle position of the target membrane under the vertical side, and 2/3 of the beam cross-sectional area is located in a circular target membrane the third and fourth quadrant when radioactivity is measured with the18F 860±50 mCi(n=15); beam center located in the middle of the target membrane with the location of left or right, and 2/3 of the beam cross-sectional area is located in the second and third quadrant or the first, four quadrant and limit access to the18F radioactivity is measured in both the 640±35 mCi (n=15); beam center located in the middle position of the target membrane on the side, and 2/3 of the beam cross-sectional area located in One, two quadrant when it was measured as the 550±40 mCi(n=15).Conclusion The location of the target changes will directly affect the efficiency of the liquid target;when the beam center located in the target membrane side through the middle position, the liquid target, the efficiency of the best.

cyclotron; collimator; liquid target; positron isotope

TL54+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.004

1674-1633(2010)12-0007-03

2010-05-10

2010-08-27

江蘇省社會(huì)發(fā)展計(jì)劃、醫(yī)藥高技術(shù)計(jì)劃資助項(xiàng)目(BS2007068)。

本文作者：王穎，主要從事醫(yī)用設(shè)備性能評(píng)價(jià)方面的研究工作。

徐旭黨，核醫(yī)學(xué)技師，現(xiàn)主要從事醫(yī)用回旋加速器的使用及性能評(píng)價(jià)等方面的研究工作。

通訊作者郵箱：xuxudang@163.com