醫(yī)用回旋加速器靶系統(tǒng)及故障分析

福建省立醫(yī)院 PET-CT中心，福建 福州 350001

醫(yī)用回旋加速器靶系統(tǒng)及故障分析

戴紅峰

福建省立醫(yī)院 PET-CT中心，福建 福州 350001

本文對GE MINItrace回旋加速器F靶系統(tǒng)構(gòu)成、工作機(jī)理和常見故障進(jìn)行了分析探討。

回旋加速器；靶系統(tǒng)；醫(yī)療設(shè)備維修

近年來，隨著 PET/CT 在全國各地陸續(xù)引進(jìn)，解剖與功能代謝融合顯像越來越多地應(yīng)用到臨床，而合成 PET顯像劑所需的正電子核素，是在回旋加速器的靶系統(tǒng)內(nèi)生成。本文以 GE MINItrace 回旋加速器為例，介紹 F 靶系統(tǒng)的構(gòu)成、工作機(jī)理及其常見故障，供同行參考。

1 F靶系統(tǒng)

靶系統(tǒng)是進(jìn)行特定核反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)核素的裝置，該型加速器的 F 靶系統(tǒng)生產(chǎn)的是正電子核素18F，故稱 F 靶，該靶為液體靶，即所使用的靶物質(zhì)是液體—富集18O- 水[1]。靶系統(tǒng)主要包含靶水注入器、F靶體和氦冷系統(tǒng)等。

1.1 靶水注入器

靶水注入器是精確地將定體積靶水填加到靶室的裝置。

1.1.1 靶水注入器構(gòu)成

靶水注入器主要包括：氣動注射器、氣動三通閥、靶水瓶等。F靶系統(tǒng)的靶水注入器有兩套，一套給F靶室填加18O- 水，另一套填加16O- 水。

1.1.2 靶水注入器工作機(jī)理

氣動三通閥常開通路是注射器與靶水瓶，加18O- 水或者16O- 水時，壓縮空氣從注射器氣動部分上端進(jìn)入氣筒，使活塞向下運(yùn)動，靶水被吸取到注射器中；氣動三通閥轉(zhuǎn)向，使注射器與靶室相通，壓縮空氣從注射器氣動部分下端進(jìn)入氣筒，使活塞向上運(yùn)動，將靶水注入靶室中；氣動三通閥通路再轉(zhuǎn)到注射器與靶水瓶通路，靶水填加結(jié)束。

1.2 F靶體

靶體是整個 F 靶系統(tǒng)的核心部件，正電子核素18F 在其內(nèi)部產(chǎn)生。

1.2.1 F靶體結(jié)構(gòu)

F靶體結(jié)構(gòu)圖，見圖1。F靶體通過前法蘭上的栓子嵌入真空腔壁上的槽內(nèi)、旋緊固定。靶室與真空腔靠小靶膜隔離開，如果卸下靶體，真空腔將直通大氣。

圖1 F靶體結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 F靶體組裝

組裝放置衰變后清洗過的F靶體，是一項(xiàng)重要的加速器保養(yǎng)工作。將風(fēng)干或烘干的靶體組件全部擺放在潔凈的臺面上，裝好后法蘭和氦冷法蘭上的水冷和氦冷接頭，不要遺漏橡膠密封圈，必要時可加纏生料帶，以防漏水、漏氣。依照圖1，將后法蘭放置在最底部，有凹槽的面都朝向組裝者，像“搭積木”一樣逐件向上組裝，其中銀容器上面有兩個接孔，一個孔朝向組裝者，另一個孔一定要朝向組裝者的右側(cè)；安靶膜時，用塑料鑷子輕拿輕放，以免弄出折痕影響靶膜使用壽命；最后上螺栓，檢查4根螺栓規(guī)格是否相同，用手對角旋緊，再用力矩扳手，按 5 Nm、7 Nm、9 Nm 力矩循序漸進(jìn)，保持對角線的進(jìn)度一致，以防靶膜不平漏靶水。

1.2.3 F靶體安裝注意事項(xiàng)

安裝靶體前，檢查真空腔壁上固定靶體處的絕緣密封圈有無及位置偏移情況。安裝靶體時，從后法蘭方向看順時針旋緊，當(dāng)有輕微“咔”聲且不能再旋動，表示靶體已安裝到位。連接銀容器上靶水和氦氣接頭，注意靶水接口是在靶體下側(cè)，側(cè)面是氦氣接口，而連接水冷和氦冷接頭，只要看清靶體和接頭上的標(biāo)記基本不會接錯，再將靶流檢測線插入前法蘭上的插孔，靶體安裝完畢。

1.2.4 F靶體工作機(jī)理

靶體測漏、靶水體積檢測正常后，開啟真空，當(dāng)真空抽到 10-7Mbar左右，即可運(yùn)行加速器。生產(chǎn)用的18O- 水富集度要高于 90%，以避免產(chǎn)生過多的13N。生產(chǎn)時壓在靶水上的氦氣壓力將高達(dá) 2500 kPa 左右，防止靶水因束流轟擊發(fā)熱沸騰脹破靶膜，下達(dá)轟擊命令后，打開水冷和氦冷閥門冷卻靶體，水主要用于冷卻銀容器，氦氣主要冷卻大小靶膜，防止因束流轟擊發(fā)熱燒壞靶膜，當(dāng)氦冷壓力達(dá)到120 kPa 左右時，離子源和射頻系統(tǒng)啟動，加速器系統(tǒng)進(jìn)入自動生產(chǎn)狀態(tài)。束流通過前法蘭腔打在小靶膜上，再通過氦冷法蘭打在大靶膜上，照射銀容器內(nèi)的靶水，進(jìn)行核反應(yīng)，核反應(yīng)式為 ：18O+1H—18F+ n，產(chǎn)生正電子核素18F。

根據(jù) 預(yù) 約 病 人 數(shù)所需 的18F-FDG（ 氟 脫 氧葡萄 糖 ）劑量，折算出需要生產(chǎn)18F 的量，設(shè)定轟擊束流大小和轟擊時間。生產(chǎn)結(jié)束后，離子源、射頻系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，靶體的水冷和氦冷停止工作。用氦氣 500 kPa 將靶水傳輸?shù)较鄳?yīng)合成器，進(jìn)行18F-FDG 的合成。然后，用高純16O- 水沖洗靶室和傳輸管路，關(guān)閉加速器。

1.3 氦冷系統(tǒng)

氦冷系統(tǒng)是回旋加速器冷卻系統(tǒng)的一部分，專門為冷卻靶體而配備。利用高速循環(huán)的氦氣流冷卻大、小靶膜和氦冷法蘭，氦氣將從靶內(nèi)帶出來的熱量通過熱交換器傳給水冷系統(tǒng)，最終由水冷系統(tǒng)將靶內(nèi)生成的熱量帶出[1-2]。

1.3.1 氦冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 氦冷系統(tǒng)工作簡圖

MINItrace 回旋加速器配有 6 個靶位（圖 2 中③顯示），每個靶都配有閥門，該靶工作時閥門開啟。閥門和卸壓閥是常開閥門，氦冷循環(huán)體系中的壓力過高或循環(huán)不暢時，安全卸壓閥⑥打開卸壓，保護(hù)循環(huán)體系的管路不會因壓力過大而損壞。

1.3.2 氦冷系統(tǒng)工作機(jī)理

下達(dá)轟擊命令后，F(xiàn)靶的閥門開啟，常開閥門⑤關(guān)閉，閥門⑦開啟，氦壓縮機(jī)啟動，將管路中殘留的氦氣排出，保證氦冷循環(huán)體系中氦氣的高純度，這個狀態(tài)持續(xù)超過 20 s，閥門⑦關(guān)閉，閥門⑤和⑧開啟，氦氣開始進(jìn)入氦冷循環(huán)體系，壓力表⑨壓力從 0 kPa 開始上升，達(dá)到 120 kPa 左右后，閥門⑧關(guān)閉，氦冷系統(tǒng)正式進(jìn)入工作狀態(tài)，隨后加速器的離子源系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)啟動工作。循環(huán)體系中的壓力＜ 110 kPa 時，閥門⑧將再次開啟，氦氣補(bǔ)入氦冷系統(tǒng)，維持該體系的壓力在 120 kPa 左右。

2 F靶系統(tǒng)故障

2.1 加靶水體積不準(zhǔn)

向靶室加水體積不準(zhǔn)，主要有兩種可能 ：① 氣動注射器的定位銷松動，使靶水抽取體積不準(zhǔn) ；② 靶水抽取過快或者過慢，抽取太快容易使注射器里有氣體，太慢會導(dǎo)致靶水未抽取結(jié)束，靶水瓶閥門已關(guān)閉，使靶水體積偏少。注射器抽取 1 mL 水大約需要 10 s，1mL 靶水注入靶室大約需要 4 s。

2.2 靶水和氦氣接頭接反

靶水和氦氣兩個接頭接反不利于靶水傳出，檢測靶水體積時，靶水傳出很少，甚至沒有傳出。兩者接反會有氦氣殘留在銀容器內(nèi)，如果直接生產(chǎn)，氦氣受轟擊熱膨脹，會脹破靶膜，后果嚴(yán)重。

2.3 核素量減少

在靶水瓶靶水充足、填加靶水正常的情況下，主要有兩種可能：靶水過濾器有部分堵塞，或傳輸管道使用時間過長，管壁殘留靶水過多，致使靶水體積減少，核素量隨著減少。這兩種情況下傳到合成器的核素量上升緩慢，傳輸時間要適當(dāng)延長，或再次沖洗靶室和管路。

2.4 靶壓報錯

靶壓報錯一般發(fā)生在更換靶水過濾器或者靶體后。更換過濾器后發(fā)生，可能是裝過濾器的容器沒有旋緊，或與過濾器相連的管線松動；更換靶體后發(fā)生，可能是靶水和氦氣接頭沒接緊，或靶膜沒有壓平，靶體內(nèi)部有泄漏。

向靶室加水時，靶水不足，系統(tǒng)也會提示靶壓錯誤。所以要定期給靶水瓶補(bǔ)水，保證兩個靶水瓶中的水充足。

2.5 靶流檢測不準(zhǔn)

一般是靶體的密封絕緣圈絕緣性變差，導(dǎo)致靶流檢測不準(zhǔn)確。該絕緣圈的好壞決定靶流檢測的準(zhǔn)確與否。束流檢測不準(zhǔn)確，直接影響核素的估算，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的核素與實(shí)際有偏差，在生產(chǎn)核素較多時，其影響會更明顯，可能導(dǎo)致最后藥量不足，不能滿足臨床顯像用藥。

在生產(chǎn)時，通過下面的算式，簡單判斷該圈的絕緣性：“靶上束流”＋“兩個準(zhǔn)直器上束流和”＝“剝離膜上束流”，如果等號兩側(cè)明顯不等，可進(jìn)一步判斷靶體對地電阻，如測量值偏離 20 kΩ 較大，超出 ±3%，說明密封絕緣圈需更換。

2.6 靶膜破損

靶膜破損需在 24 h 或者更長時間衰變后，卸下該靶體（防止衰變），換上備用靶體。

2.6.1 小靶膜破損

小靶膜破損，真空腔與氦冷系統(tǒng)相通，真空平衡被打破，提示真空系統(tǒng)出錯，加速器進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)。高真空閥（High Vacuum Valve，HVV）自動關(guān)閉，真空控制面板的顯示燈均變?yōu)榧t色。按“standby”按鈕抽真空，機(jī)械泵開始工作，2 min 后對真空腔抽真空，但真空度下降緩慢，從常壓103Mbar抽到 4.0×10-1Mbar，約需 20 min（正常情況下，從常壓抽到 7.0×10-2Mbar 僅需 10 min），隨后報錯，據(jù)此判斷真空腔漏氣。在調(diào)試軟件 MSS（MINItrace Service System）時發(fā)現(xiàn)氦冷壓力為 0 kPa，正常應(yīng)顯示 60 kPa 左右，點(diǎn)擊“fill”，氦冷壓力不能上升到 60 kPa 就報錯，且壓力不能保持，同時發(fā)現(xiàn)真空度從 10-1Mbar上升到 103Mbar，進(jìn)而說明氦冷與真空腔之間的靶膜破損。

2.6.2 大靶膜破損

一般發(fā)生在生產(chǎn)過程中，系統(tǒng)提示靶壓、氦冷系統(tǒng)等錯誤，生產(chǎn)被迫中止，加速器室內(nèi)輻射劑量率比平常高出幾倍，用放射性表面污染儀檢測氦壓縮機(jī)處，輻射劑量率異常高。

2.6.3 兩個靶膜都破損

兩個靶膜都破損，情況與大、小靶膜單獨(dú)破損相似。由此可知，輻射環(huán)境監(jiān)測儀和放射性表面污染儀不但是環(huán)境輻射監(jiān)測的儀器，也可以作為故障診斷的輔助工具，是每個 PET 中心加速器室必備的裝備[3-4]。

2.7 氦冷系統(tǒng)漏氣

該故障系統(tǒng)提示氦冷系統(tǒng)補(bǔ)氣，且短時間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)。由聲音確定漏氣的大概部位，再用起泡劑或肥皂液涂在各個接頭處，找出漏氣點(diǎn)。對于較難找到的漏點(diǎn)，可阻斷某一段通路，看回路壓力是否還下降，判斷漏點(diǎn)在此阻斷點(diǎn)的哪一側(cè)。如圖2，可先阻斷卸壓閥⑥和氦壓縮機(jī)①之間的管路，如果回路壓力維持不變，說明漏點(diǎn)在氦壓縮機(jī)側(cè)。如此逐步向靶方向查找，只要壓力不能維持，即可判斷漏點(diǎn)在哪個部位。

2.8 氦冷系統(tǒng)壓力偏低

氦冷循環(huán)系統(tǒng)壓力偏低主要有兩個原因：氦壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力偏低和氣瓶壓力不足。氦壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓力偏低一般是氦氣有反流，保養(yǎng)氦壓縮機(jī)，更換阻流彈片等組件可解決。

3 小結(jié)

醫(yī)用回旋加速器系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何一個子系統(tǒng)有故障，都會影響整個加速器的正常運(yùn)行。這就要求加速器的操作維護(hù)工程師，熟悉各個子系統(tǒng)的工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)組成，及時排除一般性故障，保證加速器在較短的時間內(nèi)恢復(fù)正常運(yùn)行。

[1] 潘中允,屈婉瑩,周誠,等．PET/CT診斷學(xué)[M]．北京:人民衛(wèi)生出版社,2009．

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Target System of Medical Cyclotron and Failure Analysis

DAI Hong-feng
PET-CT Center, Fujian Provincial Hospital, Fuzhou Fujian 350001, China

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.045

1674-1633(2013)01-0129-03

2012-05-12

作者郵箱：daihongfeng@tom．com