MINItrace回旋加速器升級前后運行對比研究

張曉鋒，高振江，李帥，楊建偉

1 鄭州大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院 PET-CT中心，鄭州市，450008

2 通用電氣醫(yī)療集團有限公司，鄭州市，450008

0 引言

PET-CT有機融合了PET的功能成像和CT的解剖結(jié)構(gòu)顯像，可提供靶器官的功能和解剖雙重信息[1-2]。隨著PET-CT受檢患者不斷增加[3]，要求回旋加速器制藥系統(tǒng)不僅能提供越來越大量的正電子示蹤劑，還要有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時隨著科研需求的不斷增加，對新型示蹤劑的合成制備環(huán)節(jié)也提出了許多新的要求。

我院于2007年10月引進美國GE公司MINItrace型回旋加速器，設(shè)備經(jīng)過十余年的運行，部分系統(tǒng)硬件存在老化問題，尤其是射頻系統(tǒng)不穩(wěn)定、爆靶故障及離子源短路時有發(fā)生。這些對PET-CT檢查的正常進行提出了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，病人對于醫(yī)院準(zhǔn)時性、準(zhǔn)確性等方面的要求不斷提高，放射性藥物供應(yīng)的及時性和穩(wěn)定性就尤為重要。本院于2018年4月對MINItrace型回旋加速器升級為Qilin型。本研究回顧性分析了升級前后回旋加速器的運行情況，以期為回旋加速器的系統(tǒng)升級提供客觀依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 回旋加速器的原理與結(jié)構(gòu)

回旋加速器的原理是離子源氣體經(jīng)電弧放電電離產(chǎn)生粒子束流，該粒子束流在直流磁場和高頻電壓作用下獲得足夠動能，經(jīng)束流提取系統(tǒng)獲得高能量的質(zhì)子[4]，轟擊靶系統(tǒng)的原子核，利用質(zhì)子/中子（P/N）反應(yīng)，形成半衰期很短的正電子核素。

不同型號的回旋加速器結(jié)構(gòu)有較大差異，但其基本組成單元[5-6]一般有：靶系統(tǒng)、離子源系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、自屏蔽系統(tǒng)及診斷系統(tǒng)。

1.2 MINItrace/Qilin升級簡介

本次GE公司MINItrace回旋加速器升級部分主要包括全面升級現(xiàn)有的軟硬件平臺，采用最新的射頻控制及管理系統(tǒng)，更換GE新一代的離子源系統(tǒng)，新增最新的智能Smart Tool離子源實時調(diào)節(jié)工具，銀靶系統(tǒng)升級為鈮靶系統(tǒng)。

升級后的回旋加速器，可以獲得更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性及更加安全的系統(tǒng)維護方式，有效避免系統(tǒng)維護中的輻射安全問題。相比MINItrace系統(tǒng)，Qilin系統(tǒng)的射頻穩(wěn)定性、核素產(chǎn)量、保養(yǎng)維護周期等核心性能指標(biāo)都有顯著改善。

1.3 測量儀器

采用美國GE公司MINItrace/Qilin型回旋加速器。活度檢測儀器為美國CAPINTEC公司CRC-25R型活度計，儀器測量分辨率為0.01 MBq，系統(tǒng)線性2%以內(nèi)，儀器在法定計量檢定有效期內(nèi)。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0處理，計數(shù)資料采用“均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，組間比較使用配對t檢驗，檢驗水準(zhǔn)α=0.05。

2 MINItrace/Qilin性能指標(biāo)對比

2.1 離子源系統(tǒng)

離子源的微控Smart Tool智能調(diào)節(jié)技術(shù)可以在新離子源位置調(diào)整中避免不必要的開腔調(diào)節(jié)，大大減小了離子源不必要的損耗。配合二代離子源技術(shù)，可以在工作條件不變的情況下得到更好的離子源效率。

升級后的離子源系統(tǒng)提供了實時離子源調(diào)節(jié)的能力，確保束流時刻擁有最好的集中度和準(zhǔn)確度，動態(tài)最優(yōu)化產(chǎn)能。日常示蹤劑生產(chǎn)中，可以根據(jù)離子源狀態(tài)，實時調(diào)整位置，確保離子源時刻處于最佳工作狀態(tài)，減少轟擊時間，延長離子源壽命。

2.2 射頻系統(tǒng)

射頻控制系統(tǒng)在升級后由專用的計算機電路替代以前的數(shù)個集成電路板。一方面一體化的設(shè)計有助于提高其整體的穩(wěn)定性，另一方面對射頻參數(shù)的控制更為精確，有效提高束流的加速效率，同時對射頻參數(shù)的故障判斷也更加個性化，能更加準(zhǔn)確地判斷射頻的運行狀態(tài)。

2.3 靶系統(tǒng)

Qilin全新鈮靶系統(tǒng)配置全水冷系統(tǒng)，相比MINItrace銀靶系統(tǒng)所配置的氦冷/水冷復(fù)合系統(tǒng)，冷卻能力有大幅提高。由于鈮靶系統(tǒng)沒有氦冷系統(tǒng)，大幅降低了轟擊過程中因氦冷壓力問題導(dǎo)致的爆靶可能。此外靶室容量由MINItrace系統(tǒng)的2 mL提高到2.7 mL，靶水體積增加產(chǎn)量也大幅增加。鈮靶系統(tǒng)在臨床上將成為趨勢[7-8]。

2.4 大幅提高生產(chǎn)能力

MINItrace/Qilin在前兩代MINItrace的基礎(chǔ)上通過改善離子源、射頻控制系統(tǒng)、射頻加速系統(tǒng)、靶系統(tǒng)等子系統(tǒng)的工作效率，可以提高靶上有效束流，將靶上束流提高40%，由原來的最大有效靶束流35 μA提高到50 μA，靶產(chǎn)率隨有效靶電流的增大而提高[9]。換言之，如果仍然使用原有的工作負(fù)荷，即產(chǎn)量不變，靶系統(tǒng)承受的工作壓力就會減小40%～50%以上。因此僅對于束流負(fù)荷的變化上，對靶膜等耗材來講如果采用相同的工作條件可以延長40%～50%的壽命。

3 MINItrace/Qilin運行對比

3.1 MINItrace/Qilin升級前后產(chǎn)量對比

MINItrace由于射頻不穩(wěn)定，離子源打火，銀靶系統(tǒng)所配置的氦冷/水冷復(fù)合系統(tǒng)靶膜容易爆靶等原因，在日常工作中，轟擊電流一般不超過35 μA。升級后的Qilin系統(tǒng)可以有效提高靶上束流，將靶上有效束流提高到50 μA。筆者回歸性分析升級前后產(chǎn)量對比，轟擊產(chǎn)品18F離子均經(jīng)QMA柱子捕獲經(jīng)活度計測量。測量結(jié)果見表1。

結(jié)果表明在轟擊條件（35 μA，60 min）下MINItrace的18F離子產(chǎn)量為803～839（822.50±10.61）mCi，Qilin為1 246～1 310（1 263.01±9.19）mCi。對兩組數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，得出兩組之間差異具有顯著性，P＜0.05（t=－85.86，P=0.000）。在轟擊條件（35 μA，90 min）下MINItrace的18F離子產(chǎn)量為1 148～1 198（1 163.60±18.38）mCi，Qilin為1 756～1832（1 774.50±14.85）mCi。兩組之間差異具有顯著性P＜0.05（t=－164.04，P=0.000）。表明在相同的轟擊條件下加速器升級以后18F離子產(chǎn)量提高約45%；在轟擊條件（35 μA，60 min）下MINItrace的18F離子產(chǎn)量為803～839（822.50±10.61）mCi，在轟擊條件（50 μA，60 min）下Qilin的18F離子產(chǎn)量為1 658～1 728（1 691.50±12.06）mCi。表明轟擊束流50 μA比35 μA時增加約100%（t=－143.43,P=0.000)。更高產(chǎn)量的正電子核素可以滿足更多患者受檢所需，大幅縮短了受檢病人預(yù)約等待時間，更有利于臨床工作的開展[10]。

表1 MINItrace/Qilin升級前后F離子產(chǎn)量對比Tab.1 Comparison of-F production of the MINItrace cyclotron before and after upgrade

3.2 MINItrace/Qilin升級前后故障率對比

回顧性分析升級前MINItrace于2017年4月1日到2018年3月31日（12個月）的整機故障率及升級后Qilin于2018年4月11日到2019年4月10日的整機故障率見表2。結(jié)果表明升級前射頻系統(tǒng)故障一年多達(dá)27次，射頻不穩(wěn)導(dǎo)致停機問題在升級后得到根本性解決，離子源及靶膜更換次數(shù)減少表明升級后離子源及靶膜的使用壽命變長。升級前MINItrace系統(tǒng)二級水冷系統(tǒng)異常發(fā)熱致管道變形爆管，升級后尚未有異常發(fā)生。Qilin系統(tǒng)整機故障率較升級前下降86.8%。詳見表2。

表2 MINItrace/Qilin升級前后故障率對比Tab.2 Comparison of failure rates of the MINItrace/Qilin before and after upgrade

Qilin各系統(tǒng)升級后故障率較升級前均有明顯降低，尤其是射頻系統(tǒng)，根本性解決了射頻不穩(wěn)定導(dǎo)致的意外停機。Qilin整機穩(wěn)定性大幅提高，為臨床工作的順利開展提供了有效保障。

4 結(jié)論

Qilin在MINItrace的基礎(chǔ)上通過改善離子源、射頻控制系統(tǒng)、鈮靶系統(tǒng)等子系統(tǒng)的工作效率，系統(tǒng)故障率明顯降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提升，相應(yīng)的維護保養(yǎng)周期大幅提高。離子源、靶膜的壽命延長降低了更換耗材費用，節(jié)省了運行成本。升級后的靶容量及有效靶電流增加，同樣的轟擊條件較升級前產(chǎn)量提高約45%，可以更好地為臨床服務(wù)。

更好的系統(tǒng)穩(wěn)定性及更加安全的系統(tǒng)維護方式，更長的保養(yǎng)維護周期也有效降低了系統(tǒng)維護中的工作人員輻射劑量。

該型號回旋加速器升級耗時約需10 d，周期短可放在長假進行。升級無須做新場地及環(huán)評等，對場地沒有破壞、升級耗時短?？捎行Ы鉀Q放射性藥物供應(yīng)及時性和穩(wěn)定性的問題，為PET-CT檢查流程順利進行提供藥物保障。