醫(yī)用回旋加速器系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng)策略分析探討

陳澤龍，陳自謙，許尚文，肖慧，鐘群，付麗媛

聯(lián)勤保障部隊(duì)第九〇〇醫(yī)院（原南京軍區(qū)福州總醫(yī)院） 醫(yī)學(xué)影像中心，福建 福州 350025

引言

醫(yī)用回旋加速器用于醫(yī)院生產(chǎn)正電子放射性核素，主要有C、N、O、F等組成生命的基本元素的同位素，這些同位素與不同的藥物前體結(jié)合最終合成PET/CT檢查需要的正電子藥物[1]。隨著PET/CT檢查技術(shù)的廣泛普及，PET/CT檢查的獨(dú)特優(yōu)勢也為臨床醫(yī)生普遍接受，PET/CT檢查的需求不斷增加，這就需要有穩(wěn)定、足量、能夠滿足不同檢查需求的正電子放射性藥物的支持。實(shí)現(xiàn)這一重要支持的主要設(shè)備就是醫(yī)用回旋加速器[2]，并且隨著PET/MR在臨床上的使用[3-4]，醫(yī)用回旋加速器的作用將更加凸顯。如何保證醫(yī)用回旋加速器的平穩(wěn)運(yùn)行，保證正電子放射性核素產(chǎn)量穩(wěn)定，降低設(shè)備故障率、提高開機(jī)率成為一項(xiàng)重要的工作，這就要求做好醫(yī)用回旋加速器的系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)。

醫(yī)院使用的回旋加速器屬于小型回旋加速器，其加速的粒子能量較低，例如GE PETtrace回旋加速器加速氫核能量為16.4 MeV，但是醫(yī)用回旋加速器的運(yùn)行包含了水、電、氣的協(xié)同運(yùn)作，系統(tǒng)復(fù)雜精細(xì)[5]，需要操作者的精心維護(hù)，做好質(zhì)量控制，才能夠保證設(shè)備的正常運(yùn)行，根據(jù)質(zhì)量控制的周期和性質(zhì)，可將其分為日常維護(hù)和保養(yǎng)、階段性維護(hù)和保養(yǎng)以及不定期維護(hù)和保養(yǎng)。

1 日常維護(hù)和保養(yǎng)

回旋加速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)功能不同可細(xì)分為靶系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、萃取系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)和自屏蔽系統(tǒng)；設(shè)備運(yùn)行過程中涉及作為離子源氣體的氫氣、傳送靶水和冷卻用的氦氣等；設(shè)備各個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行需要復(fù)雜精密的電子控制柜以及射頻高壓電路等正常工作，因此日常維護(hù)和保養(yǎng)對(duì)于保證回旋加速器的正常運(yùn)行十分重要。

1.1 機(jī)房的溫度和濕度要求

日常維護(hù)最基本的一項(xiàng)工作是保持機(jī)房的溫度和濕度在合適的范圍內(nèi)，溫度保持在20℃～22℃，相對(duì)濕度保持在50%～55%，合適的溫濕度環(huán)境可使電子線路和機(jī)械裝置更好的運(yùn)行，不易損壞[6]。同時(shí)機(jī)房環(huán)境保持整潔，設(shè)備表面沒有灰塵。PETtrace回旋加速器自屏蔽體內(nèi)充滿硼酸溶液用于吸收熱中子，硼酸溶解度隨溫度降低而減小，機(jī)房溫度過低可導(dǎo)致硼酸溶液中硼酸結(jié)晶析出[7]，析出物與水混合成糊狀從自屏蔽體上方蓋板縫隙向上滲出，漫延到自屏蔽體邊沿可沿自屏蔽體外壁下行，如果析出發(fā)生在靶面板上方則滲出物下行可能損壞靶面板上閥門、電子線路和機(jī)械裝置。

1.2 放射性核素傳送管道維護(hù)

回旋加速器生產(chǎn)的放射性核素經(jīng)由管道傳送到化學(xué)合成器，氣態(tài)核素由不銹鋼管道傳送，液態(tài)核素由特氟龍管道傳送。特氟龍管道具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、摩擦系數(shù)低、抗黏性優(yōu)良的特點(diǎn)[8]，適合傳送高純度的靶水，但是由于核素輻射的長期作用造成管道內(nèi)壁對(duì)液體的吸附作用增強(qiáng)，導(dǎo)致液體傳送速度減慢體積減小，嚴(yán)重時(shí)液體滯留管道內(nèi)無法傳送。因此每2～3周應(yīng)做液體傳送檢測，按靶水注入1.6 mL計(jì)，在我院場地測得傳送時(shí)間應(yīng)為22～23 s，接收到的液體應(yīng)為1.39～1.41 mL，傳送時(shí)間過長和液體量減少提示管道耗損需更換；同時(shí)每日核素生產(chǎn)結(jié)束傳送到化學(xué)合成器時(shí)應(yīng)觀察核素傳送速度和接收的量，傳送速度減慢接收的核素的量減少也需要考慮更換管道。液態(tài)核素從靶室出來進(jìn)入傳送管道之前經(jīng)過一次過濾，過濾裝置核心是一片孔徑為10 μm的圓形濾片，可濾去靶水中的雜質(zhì)，濾片黏附雜質(zhì)過多也可影響靶水傳送，一般生產(chǎn)20次左右需要更換。

1.3 高純氦氣的使用管理

PETtrace回旋加速器利用高純氦氣將靶水經(jīng)由管道傳送到化學(xué)合成器。高純氦氣用氣瓶儲(chǔ)存，除了在用的氦氣瓶，應(yīng)多備一瓶氦氣備用，當(dāng)氣瓶輸出壓力低于所需壓力時(shí)可及時(shí)更換氣瓶。氣瓶輸出壓力由減壓閥控制，減壓閥應(yīng)定期校正，確保實(shí)際輸出壓力與顯示壓力一致。

1.4 加速器冷卻系統(tǒng)的維護(hù)

加速器采用兩級(jí)水冷，一級(jí)水冷系統(tǒng)和二級(jí)水冷系統(tǒng)均需不定期補(bǔ)水，保證水流管道的壓力和流量。AERMEC水冷系統(tǒng)水流壓力約為0.1 MPa；SwedeWater水冷系統(tǒng)水流壓力應(yīng)不低于40 kPa，水量不能低于指示水位的最低點(diǎn)，同時(shí)可配備一個(gè)加壓泵，當(dāng)管路中壓力下降時(shí)往管路中充氣增加壓力[9]。加速器系統(tǒng)控制單元和射頻電子柜采用風(fēng)冷，通風(fēng)口用濾網(wǎng)過濾除塵，濾網(wǎng)需經(jīng)常清洗保持干凈利于通風(fēng)。

2 階段性維護(hù)和保養(yǎng)

回旋加速器利用電場和磁場的作用，在真空腔體內(nèi)將帶電粒子不斷加速，粒子達(dá)到一定能量后被引出至靶系統(tǒng)上相應(yīng)靶位，轟擊靶室里的物質(zhì)從而產(chǎn)生正電子放射性核素。真空腔體內(nèi)的高真空由兩級(jí)真空泵支持，第一級(jí)為機(jī)械泵，第二級(jí)為油擴(kuò)散泵。帶電粒子由離子源氣體在離子源中電離產(chǎn)生，離子源氣體為H2，產(chǎn)生的待加速粒子為H-粒子，H-粒子加速到一定能量后經(jīng)碳膜剝離掉兩個(gè)電子成為H+粒子，H+粒子被引導(dǎo)至相應(yīng)靶位轟擊靶室內(nèi)物質(zhì)。

2.1 18F離子液體靶的維護(hù)

PETtrace回旋加速器有六個(gè)靶位，最常用的靶是18F離子高產(chǎn)靶，用于生產(chǎn)18F放射性核素。18F靶和靶體內(nèi)銀質(zhì)靶室如圖1所示。束流經(jīng)過兩片Havar合金膜進(jìn)入靶室轟擊富氧水生成18F離子，Havar合金的成分主要有Co、Cr、Fe、Ni、W、Mo等[10]，有一定使用壽命，束流轟擊一段時(shí)間后需要更換。更換Havar膜時(shí)需將整個(gè)靶從靶位上取下，放置在專用的靶體固定面板上。Havar膜經(jīng)過長時(shí)間的束流轟擊，膜片具有很高的輻射劑量當(dāng)量，瞬時(shí)輻射劑量率可達(dá)數(shù)個(gè)毫希沃特[11]，拆開靶體后可迅速將膜片放入鉛回收罐內(nèi)；銀質(zhì)靶室用無水乙醇浸泡并置于超聲濾洗器中清洗，頑固污漬可用丙酮清除，拆開后的靶體也做類似清洗。清洗晾干后的靶體和銀靶室即可和新的耗材一起重新組裝，新的耗材如圖2所示，主要包含兩片Havar合金膜、金屬和橡膠密封圈。

圖1 靶體和銀質(zhì)靶室

圖2 靶維護(hù)用耗材

靶的維護(hù)十分重要，靶膜長期不更換可引起靶膜的突然破裂。束流轟擊過程中靶室內(nèi)壓力大約400 psi，可導(dǎo)致靶膜突然破裂，破裂的靶膜和靶室內(nèi)的液體將同時(shí)被吸入真空腔內(nèi)，液體和靶膜碎片隨機(jī)分布，可引起真空腔內(nèi)短路。同時(shí)靶膜具有很高的輻射劑量當(dāng)量，不易清理。靶的維護(hù)周期一般為半年，同樣生產(chǎn)條件下18F放射性核素的產(chǎn)量持續(xù)減少時(shí)提示靶需要維護(hù)。

2.2 真空系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)

PETtrace回旋加速器真空系統(tǒng)初級(jí)泵和次級(jí)泵使用普發(fā)機(jī)械泵和油擴(kuò)散泵。機(jī)械泵對(duì)擴(kuò)散泵抽真空，機(jī)械泵也對(duì)真空腔預(yù)抽真空，真空壓力達(dá)70 Pa；擴(kuò)散泵油加熱完成后開啟高真空閥門對(duì)真空腔抽真空，高速噴射的油蒸汽將真空腔內(nèi)的氣體分子帶到前級(jí)由前級(jí)機(jī)械泵抽走，油蒸汽冷凝回流，擴(kuò)散泵可使真空壓力達(dá)到10-5Pa[12]。機(jī)械泵使用一年左右需更換泵油，可從泵體上的觀察窗查看油的顏色和油面位置，油位低于標(biāo)準(zhǔn)線或者油的顏色變深呈棕色則需更換泵油。更換機(jī)械泵油需完全關(guān)閉真空系統(tǒng)，然后拆下機(jī)械泵，放置在一定高度的工作平臺(tái)上，旋開泵體觀察窗面底部螺塞排出廢油，廢油排凈后旋緊螺塞，再從泵體頂部加油孔注入新的泵油。擴(kuò)散泵使用數(shù)年后（5年左右）泵油變質(zhì)泵體內(nèi)太臟會(huì)延長達(dá)到正常工作真空度的時(shí)間，極限真空度也會(huì)惡化，甚至達(dá)不到需要的真空度，這時(shí)需要清洗擴(kuò)散泵和換油。可拆下擴(kuò)散泵，取出噴射系統(tǒng)，倒出被氧化變質(zhì)的油；噴射系統(tǒng)分拆開用丙酮清洗，頑固油垢要擦除，清洗晾干后倒入新的擴(kuò)散泵油，再將擴(kuò)散泵裝配起來。檢測擴(kuò)散泵真空度的皮拉尼規(guī)管管頭因受擴(kuò)散泵油蒸汽污染，管頭內(nèi)濾器需經(jīng)常拆下來用丙酮清洗[13]。

2.3 離子源維護(hù)和保養(yǎng)

回旋加速器離子源采用內(nèi)置式冷陰極潘寧離子源，由陰極、對(duì)陰極和陽極筒構(gòu)成，裝配好的離子源如圖3所示。

圖3 PETtrace回旋加速器離子源

離子源氣體為高純氫氣時(shí)產(chǎn)生負(fù)氫離子。高純氫氣進(jìn)入離子源，離子源陰極、對(duì)陰極和陽極間施加高壓放電電壓，氣體形成等離子體，同時(shí)采用徑向引出方式從陽極筒側(cè)壁縫隙引出負(fù)氫離子進(jìn)入真空腔，負(fù)氫離子加速到一定能量后經(jīng)剝離碳膜剝離掉兩個(gè)電子成為正離子并被引導(dǎo)到相應(yīng)靶位[14]。由于電荷積聚導(dǎo)致?lián)舸┓烹娛闺x子源內(nèi)部表面產(chǎn)生金屬燒蝕，同時(shí)陽極筒引出縫隙逐漸變寬，造成離子源電流逐漸增大而弧電壓逐漸減小，離子源效率降低[15]。觀察回旋加速器核素生產(chǎn)過程當(dāng)離子源弧電流明顯增加而電壓明顯下降則提示需要做離子源維護(hù)。離子源在真空腔內(nèi)，排空真空腔內(nèi)真空使壓力恢復(fù)到正常大氣壓值，打開真空腔卸下離子源。松開離子源體上兩顆長螺釘即可拆開離子源。PETtrace回旋加速器離子源分兩部分，一部分為氫離子源，一部分為氘離子源，一般只用氫離子源。離子源體表面附著金屬燒蝕形成的黑色斑塊，需刮擦清除；離子源體用無水乙醇清洗并用紗布擦拭干凈。廠家提供的離子源維護(hù)配件包含陽極筒和陰極以及陶瓷絕緣墊片，裝配新的陽極筒需注意陽極筒引出縫隙所在表面要與離子源體表面同在一個(gè)平面上，可用專用的工具進(jìn)行校正。離子源體裝配好后裝回加速器真空腔，待真空腔抽真空到壓力為10-3Pa以下在不打開離子源電源的情況下開啟離子源氣體以5 sccm體積流速注入離子源，運(yùn)行5～10 min以沖排附著的氣體雜質(zhì)，減少離子源打火。離子源維護(hù)更新后觀察加速器生產(chǎn)時(shí)的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)相比維護(hù)前弧電流明顯減小電壓明顯增大。

2.4 碳剝離膜的更換

從離子源引出的氫負(fù)離子加速到一定能量以后經(jīng)過碳剝離膜剝離掉兩個(gè)電子成為氫質(zhì)子并進(jìn)入相應(yīng)靶位。PETtrace回旋加速器碳剝離膜裝載在一個(gè)圓形輪盤上，一個(gè)輪盤可裝載六片碳膜。輪盤被驅(qū)動(dòng)裝置定位在回旋加速器粒子旋轉(zhuǎn)軌道最大半徑上，當(dāng)粒子束流的能量達(dá)到所需的最大能量時(shí)，所有出現(xiàn)在碳膜區(qū)域的負(fù)離子束穿過碳膜，帶負(fù)電粒子的兩個(gè)約束松弛的外層電子被剝離。PETtrace系統(tǒng)自動(dòng)檢測碳膜上的電流，當(dāng)碳膜破裂或者達(dá)到設(shè)定的使用壽命時(shí)可自行切換新的碳膜，當(dāng)切換到第六片碳膜時(shí)需進(jìn)行碳膜更換，一般可與離子源維護(hù)同時(shí)進(jìn)行，避免多次打開真空腔。更換碳膜時(shí)需拆下輪盤。

2.5 靶水過濾器的更換

回旋加速器18F離子靶生產(chǎn)核素結(jié)束以后靶水經(jīng)由10 μm濾片過濾后進(jìn)入傳送管道，濾片裝在一個(gè)專用過濾器內(nèi)，使用一段時(shí)間后過濾器內(nèi)會(huì)積存水垢，影響靶水傳送，需要更換過濾器。

2.6 自屏蔽體內(nèi)硼酸溶液的維護(hù)

PETtrace回旋加速器自屏蔽體內(nèi)充滿硼酸溶液，溶液揮發(fā)后液面下降導(dǎo)致液面?zhèn)鞲衅鞲∽酉陆?，浮子下降到一定程度系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，核素不能生產(chǎn)同時(shí)屏蔽門無法開啟，因此應(yīng)定期檢查屏蔽門硼酸溶液液面，液面下降時(shí)及時(shí)補(bǔ)水[16]。

3 不定期維護(hù)和保養(yǎng)

不定期維護(hù)和保養(yǎng)是指針對(duì)設(shè)備可能或者即將出現(xiàn)的問題進(jìn)行的維護(hù)和保養(yǎng)，未雨綢繆防患于未然，避免設(shè)備停機(jī)?；匦铀倨靼畜w采用水冷和氦冷雙重冷卻方法。氦氣冷卻系統(tǒng)利用氦氣壓縮機(jī)推動(dòng)氦氣經(jīng)由銅管和軟管到達(dá)靶體進(jìn)行循環(huán)冷卻，軟管使用一段時(shí)間后材質(zhì)逐漸變硬，顏色由無色逐漸變?yōu)闇\黃色直至褐色，變質(zhì)后的軟管很容易在端頭破裂導(dǎo)致氦氣泄露造成氦氣壓力不足從而核素生產(chǎn)中斷，因此當(dāng)軟管呈褐色時(shí)需要更換軟管。氦氣壓縮機(jī)內(nèi)隔膜和密封圈是橡膠材質(zhì)，使用一段時(shí)間橡膠硬化也會(huì)導(dǎo)致氦氣泄露，需要更換橡膠隔膜和密封圈。水冷系統(tǒng)分兩級(jí)，一級(jí)水冷機(jī)采用AERMEC水冷機(jī)，當(dāng)水冷機(jī)顯示壓縮機(jī)低壓信號(hào)時(shí)，需要檢測冷媒管道，確定沒有冷媒泄露則添加冷媒，如果檢查發(fā)現(xiàn)冷媒泄露則先焊補(bǔ)漏點(diǎn)再添加冷媒。支持真空系統(tǒng)各個(gè)閥門以及支持傳送靶水的三通閥切換的壓縮空氣由獨(dú)立的空氣壓縮機(jī)提供，空氣壓縮機(jī)故障將導(dǎo)致閥門無法開啟加速器無法運(yùn)行。有油潤滑空氣壓縮機(jī)運(yùn)行500 h需更換潤滑油，同時(shí)常備傳動(dòng)皮帶以便及時(shí)更換?；匦铀倨魇褂靡欢晗抟院笳婵障到y(tǒng)各種類型密封圈、壓縮空氣連接頭、二級(jí)水冷管路連接頭因?yàn)槔匣赡墚a(chǎn)生漏氣、漏水現(xiàn)象，需常備相應(yīng)配件以便及時(shí)更換。

4 結(jié)語

一臺(tái)運(yùn)行良好的回旋加速器需要操作者精心地維護(hù)，做好質(zhì)量控制。操作者只有在做好設(shè)備的日常維護(hù)、階段性維護(hù)和不定期維護(hù)的基礎(chǔ)上，設(shè)備才能夠穩(wěn)定運(yùn)行，降低故障率，提高開機(jī)率。但是醫(yī)用回旋加速器系統(tǒng)龐大復(fù)雜，維護(hù)質(zhì)控工作涉及方方面面，還有很多細(xì)致深入的工作需要不斷地總結(jié)探討。