医用回旋加速器的基本原理与结构_郭正奎.pdfVIP

中国医学装备2 0 0 6 年1 1 月第3 卷第1 1 期C h i n a M e d i c a l E q u i p m e n t 2 0 0 6N o v e m b e r V o l .3 N O . 1 1 随着医疗技术的不断进步， 人们生活水平的不 断提高， P E T / C T 作为一种对于肿瘤的早发现、早治 疗有着极大优势的新型医疗设备不断被国内各大 医院引进。P E T / C T 通过分析放射性示踪剂（ 即带正 电子的放射性核素标记的葡萄糖） 在人体内的分布 情况来判断有无肿瘤以及肿瘤的良恶性， 从而达到 分子级显像。而带正电子的放射性核素则由医用回 旋加速器来生产。 1 回旋加速器的原理 1 . 1 回旋加速器的理论基础 一个荷电 q 、质量 m的带电粒子在恒定磁场 B 中以速度 v 在与磁场垂直的平面上运动， 将受到磁 场洛仑兹 （ L o r e n t z ）力 F L = v B q 的作用而作圆周运 动。 设曲率半径为 r ， 则离心力 F 0为： F 0 = m v 2 / r 当平衡状态时： F L=F0， 即 v B q = m v 2 / r 由此可得： 在收集完整的医疗设备档案中查阅到相关资料， 作 为依据， 以证明设备购置和使用的合法合理。这实 际上为维护医院正当权益起到很大的作用。再如在 设备运行过程中的： 如设备升级、 保修、 维修保养 等， 设备档案中的保修卡、 使用说明书及维修说明 书、 故障检修记录等相关技术资料都可利用， 可为 医疗设备的正常运行、 维修保养提供客观依据和技 术服务； 还可为以后的医疗设备的技改提供有利的 技术依据。 综上所述， 认真细致地做好设备档案的资料收 集工作， 对建立医疗设备档案的意义重大， 是建立 内容完善、 资料完整的医疗设备档案的基础。而内 容完善、 资料完整的医疗设备档案， 可在医用仪器 设备采购、 使用、 维修与管理中充分利用， 发挥作 用。医疗设备档案的有效利用是医疗设备管理工作 发展和提高质量的根本基础， 也是医疗设备档案管 理工作发展方向和目的， 对医院管理具有重要的意 义。充分发挥医疗设备档案的作用， 使医疗设备的 效能得到充分发挥， 产生良好的社会效益和经济效 益， 在医疗工作中发挥重大作用， 为促进医院的发 展做出重大贡献。 （ 收稿日期： 2 0 0 6 - 0 7 - 1 2 ） 医用回旋加速器的基本原理与结构 郭正奎， 张虎军， 孙伟张 （成都军区总医院， 四川成都 6 1 0 0 8 3 ） 文章编号 1 6 7 2 - 8 2 7 0 （ 2 0 0 6 ） 1 1 - 5 7 - 0 4 中图分类号 T H 7 7 4 文献标识码 B 【 摘要】 医用回旋加速器主要用于生产正电子放射性核素，从而合成 P E T / C T显像所需的药 物。主要介绍医用回旋加速器的基本原理与结构。 【 关键词】 回旋加速器； 放射性核素； P E T / C T T h e e l e m e n t a r y p r i n c i p i u ma n ds t r u c t u r e o f t h e m e d i c a l c y c l o t r o n A b s t r a c t ：M e d i c a l c y c l o t r o ni s u s e dt op r o d u c t t h ep o s i t r o nr a d i o n u c l i d ef o r s y n t h e s i z i n gt h em e d i c a m e n t n e e d e di nP E T / C T i m a g i n g . T h i s p a p e r m a i n l y i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p i u ma n ds t r u c t u r e o f t h e m e d i c a l c y c l o t r o n . K e y w o r d s ：C y c l o t r o n ; R a d i o n u c l i d e ; P E T / C T 作者简介： 郭正奎， 男，（1 9 7 8 ） ， 本科， 助理工程师。 【应用临床与评价】 5 7 中国医学装备2 0 0 6 年1 1 月第3 卷第1 1 期C h i n a M e d i c a l E q u i p m e n t 2 0 0 6N o v e m b e r V o l .3 N O . 1 1 可以看出， 在恒定的磁场中运动的既定的带电 粒子， 其回旋角频是一个常数， 与粒子本身所具有 的速度无关， 这一规律称为拉摩定律， 它就是回旋 共振加速方案可行性的重要依据。 离子源在电场的作用下开始运动， 在磁场的作 用下发生偏转， 结果运动的带电粒子就沿着一定的 轨道运动。在非相对论范围内， 整个加速过程中的 粒子回旋角频 c 保持不变，因此粒子的回旋周期 T c 和频率 f c 也将保持不变： ， 为了实现共振加速，要求高频频率 f r f 或周期 T r f 与粒子回旋频率 f c 或周期 T c 之间应满足如下 相等或成奇整数倍的关系： 这就是共振加速的必要条件。 1 . 2 回旋加速器的工作原理 医用回旋加速器的制造厂商很多，包括 G E 、 C T I 、 E B C O 、 I B A 、 N N K / 牛津、 日本的 S t e e l Wo r k s ( 现 在仅在日本供应) 等。 这些回旋加速器可以进行多种 分类： 可以根据束流数量分为单束流回旋加速器与 双束流回旋加速器， 也可以根据加速离子的电性分 为正离子回旋加速器与负离子回旋加速器， 还可以 根据加速离子运动平面分为立式回旋加速器与卧 式回旋加速器等。C T I 公司生产的 R D S 1 1 1 型回旋 加速器属于立式双束流 （ 可选配单束流或者双束 流） 负离子回旋加速器。负离子在回旋加速器中加 速的原理如图一所示。离子源系统产生的氢负离子 （ 离子源） 在离子源偏压（ 通常 1 4 - 1 5 k V ） 作用下被 推至离子源通道并进入加速区域。在加速区域， 负 离子束流在磁场（ D型盒） 的作用下不断发生偏转， 在高频作用下不断得到获得能量而加速。由前面所 述的拉摩定律可知，束流要以固定角速度运动， 在 速率增加后， 其运动半径也随之增大， 故而束流的 运动轨迹就变成了一种类螺旋形。当束流到达提取 半径后也就获得了足够的能量与速度。获得加速的 负离子束流通过碳膜即提取膜时， 其与氢核结合松 散的两个电子被剥离， 结果束流从负电性变成正电 性，它所受到的磁场的作用力的方向也发生了改 变，于是带正电荷的束流转向出口飞行并轰击靶， 产生带正电的放射性核素。根据 P E T / C T检查的需 要选择不同的靶原料就能产生相应的放射性核素， 如 1 5 N 2 为生产 1 5 O 2 的原料， 1 4 N 2 和 1 6 O 2 为生产 1 1 C的原料等。 2 回旋加速器的基本结构 这里以 C T I 公司（ 已被西门子公司收购） 生产 的 R D S 1 1 1 为例， 介绍回旋加速器的基本结构（ 不含 热室部分） 。 2 . 1 磁场系统 磁场系统包括上下磁轭、 线路极片、 磁场线圈、 磁场电源等， 其作用就是提供偏转力使束流维持在 上下磁极之间中心平面的准环形轨迹上。磁场线圈 安装于上下磁轭之间， 它产生的磁场受不锈钢磁轭 和磁极的引导至上下磁极之间的小狭缝， 束流即在 此加速。磁场并非匀场， 而是采用深谷设计， 即每一 磁极含有 4 个磁嵴与 4 个磁谷（ 相邻磁嵴之间的区 域称之为磁谷） ，磁嵴的磁场强度为磁谷的 2 7 倍， 这样加速的束流在到达提取半径期间就交替暴露 于磁嵴与磁谷中。当束流通过每一个磁嵴区域时， 由于强磁场的影响， 束流明显弯曲， 然而在磁谷区 域时，束流接近于一笔直的路径飞向下一个磁嵴 区。深谷设计对束流粒子在加速的中心层面提供了 强聚焦力， 引导粒子返回中心层面， 产生高的束流 引出效率。 2 . 2 射频（ R F ） 系统 射频系统包括监测与控制元件、频率合成器、 中级放大器、 R F电源振幅器、 共轴透射线、 耦合网 络和 D型盒结构（ 又叫共振器） 等， 其作用就是对 D 型盒提供一交替的高电压电势， 并将能量转至 H - 离 子。D型盒结构包含 4 个半径方向延伸向离子源的 D型盒。束流每到达或者离开一个 D型盒时会因为 受到吸引或者排斥而得到能量加速一次， 束流在每 一轨迹要经过 4 个 D型盒各一次， 因而共得到 8 次 加速。随着束流以这种方式得到能量， 其轨道半径 5 8 中国医学装备2 0 0 6 年1 1 月第3 卷第1 1 期C h i n a M e d i c a l E q u i p m e n t 2 0 0 6N o v e m b e r V o l .3 N O . 1 1 逐渐增加， 这种轨迹被称为准螺旋形。当束流到达 提取半径时， 其能量也将达到预定能量。正常工作 时，射频频率自动受 R F 控制元件调整以维持 D型 盒结构的共振。 2 . 3 离子源系统 离子源系统包括潘宁离子源 （ P I G离子源） 、 A R C电源、 偏向电源与氢气流量控制器等。潘宁离 子源产生负氢离子， 在正常操作中不需要进行调试 或干预性操作。潘宁离子源含有 2 个钽电极 （ 阴 极） ， 位于中心层面上下； 1 个中空的圆柱型阳极， 位 于两个阴极之间。阴阳极之间的电势差可达 2 ， 0 0 0 伏。该电势差用于电离氢气形成等离子浓聚体。进 入离子源的氢气流量由电子质流控制器调控以与 变化的离子源和加速器运行条件相匹配。等离子体 的电源（ 或 A R C ） 由电流调节的开关型电源提供， 在 正常运行时，控制系统调节离子源的 A R C电流以 维持期望的靶电流。 2 . 4 真空系统 真空系统包括真空室、 排气泵、 仪表和控制元 件等。真空仪表和控制元件用于监测并显示真空室 的压力以及在系统出现故障时对仪器起到保护作 用。真空室需要连续不断地抽气以排除来源于离子 源及真空室内表面的气体。真空系统的抽气由 5 个 泵来共同完成： 3 个油扩散泵排除真空室的气体， 另 外一个油扩散泵排除来源于离子源剩余的氢气， 还 有一个机械泵（ 旋转的叶片泵） 用于排除油扩散泵 排放的废气， 并维持油扩散泵出口的真空状态。当 真空室被打开维修时，机械泵也用于启动真空室。 真空系统通常要求每天 2 4 h 不停地工作以保证这 些残留的气体最少， 加速器的性能最优化， 这将有 助于提高离子的提取效率，减少加速器内部的活 化。C T I 公司的 R D S 1 1 1 在真空室打开 2 h 后虽然效 率有轻微的减少， 但仍可运行。当维修时或有提前通 知的停电及停水时， 需要手动关闭真空系统。 2 . 5 提取系统 提取系统包括一个或者两个束流提取器 （ 选 配） 。 其作用就是当 H - 通过碳提取膜时， 剥离其与氢 核结合松散的两个电子， 从而使束流由负电性变成 正电性。当配备两个束流提取器时， 通过应用两个 碳膜其中之一剥离一部分束流的电子， 另一个碳膜 剥离剩下束流的电子， 那么束流能够一分为二分别 打在两个靶上， 从而使同时生产两种不同的核素或 者同时生产大量的单一核素成为可能。 2 . 6 靶系统 R D S 1 1 1 靶系统包括一个集合准直器，一个可 容纳 8 个靶的换靶装置和对应于每一个靶的靶体 支持单元（ T S U ） 。准直器是一个中心有一 0 . 8 c m直 径孔的碳盘， 能够耐受截取的束流产生的高温。它 安装于换靶装置入口处以保证相对均匀的束流剖 面（ 理论上为 G a u s s i a n 型） 通过靶的直径。换靶装置 用于安装并选择靶体， 由终端计算机进行控制。在 单一束流线上能够安装 8 个独立的靶， 不安装靶的 位置一般放入法拉第杯， 又称假靶。换靶装置在电 路上独立于加速器， 允许测量照射束流强度， 并用 做控制系统的一个参数。靶支持单元模块安装在加 速器旁的双层橱柜内。这些模块含有每个靶需要的 控制与监测仪器、 用于轰击的原料、 阀门、 管道、 压 力调节器等。 2 . 7 束流柱 不加高频时， 离子以圆形轨迹运动， 并被一固 定的金属柱即束流柱所截取， 这样聚集于束流柱上 的离子电流可以由控制系统测定并显示， 用于离子源 的维护和处理故障。当加上高频时， 被偏压引出的离 子进入加速区， 迅速被加速至通过束流柱外的轨道。 2 . 8 冷却系统 加速器运行中要产生大量的热，必须及时排 除。R D S 1 1 1 型回旋加速器对靶窗采用 H e 冷却， 而 对其它位置产生的热则采用水冷却，包括磁极线 圈、 D极、 扩散泵、 靶体等。 R D S 1 1 1 型回旋加速器的水冷却系统有两种工 作模式： 当“ w a k e u pp o w e r ” 处于“ 开” 的位置时， 冷却 水供给整个加速器系统的各个发热部件，此时， 水 流量大约为 6 8 g p m ； 当“ w a k e u pp o w e r ” 处于“ 关” 的 位置时，只有扩散泵需要冷却水，其水流量约为 1 g p m 。 2 . 9 气体系统 回旋加速器的气体系统非常复杂， 它需要很多 种气体满足不同需要， 包括用于原料的气体， 如生 产 1 5 O2的原料 1 5 O2、生产 1 1 C的原料 1 4 N2和 1 6 O2等； 用于气动阀开关的不同比例的混合空气； 用于离子 源的气体 H2； 用于冷却的气体 H e ； 用于净化管道的 气体 A r 等。 2 . 1 0 屏蔽系统 R D S 1 1 1 型加速器采用了良好的自屏蔽系统。 该屏蔽系统位于加速器周围一圈， 对各种形式的辐 射都有效， 包括快中子、 瞬发高能射线以及活化物 5 9 中国医学装备2 0 0 6 年1 1 月第3 卷第1 1 期C h i n a M e d i c a l E q u i p m e n t 2 0 0 6N o v e m b e r V o l .3 N O . 1 1 【应用临床与评价】 作者简介： 王正霞， 女，（1 9 6 4 . 5） ， 护理， 本科， 主管护师， 护士长， 。 癌症是人类致死的重要疾病之一。癌症患者除能致死， 最难受的一种症状就是疼痛。为减轻晚期 镇痛泵的改进及临床应用 王正霞， 袁 林 ( 扬州市第一人民医院, 江苏扬州 2 2 5 0 0 1 ) 文章编号 1 6 7 2 - 8 2 7 0 （ 2 0 0 6 ） 1 1 - 6 0 - 0 3 中图分类号 R 1 9 7 文献标识码 B 【 摘要】 麻醉镇痛泵适用手术后患者，为其能适用于长期受疼痛折磨的患者，经过研究、 分 析、 改进一次性麻醉镇痛泵， 研制出可调节携便式镇痛泵， 经临床使用， 不但可减轻患者的疼痛， 而且 能大大减少患者止痛药剂量的使用， 达到设计、 预期的目的。 【 关键词】 镇痛泵； 改进； 临床应用 D e v e l o p m e n t a n dc l i n i c a l a p p l i c a t i o no f p a t i e n t - c o n t r o l l e d - a n a l g e s i a A b s t r a c t : P C A ( p a t i e n t - c o n t r o l l e d - a n a l g e s i a ) w a ss u i t e df o r p o s t o p e r a t i o np a t i e n t s . I no r d e r t of i t f o r al o n gp e r i o d , w e d e s i g n e da na d j u s t e da n dp o r t a b l et r a n s f u s i o np u m p s b a s e do ns i n g l eu s e dp u m p . A f t e r c l i n i c a l a p p l i c a t i o n , i t w a s p r o v e dt h a t t h i s t y p e o f p u m pn o t o n l y c o u l dr e m i t p a i no f p a t i e n t s b u t a l s o c o u l dr e d u c e t h e d o s e o f m e d i c i n e a n da p p r o a c h e do u r d e m a n d s . K e yw o r d s : P a t i e n t - c o n t r o l l e d - a n a l g e s i a ; D e v e l o p m e n t ; C l i n i c a l a p p l i c a t i o n 质产生的射线等。R D S 1 1 1 型回旋加速器屏蔽系统 包括两层： 内层和外层。内层是加入了铅、 环氧化 物、 碳和硼化合物的高密度铸件， 厚度为 3 0c m 。这 层屏蔽降低中子超过 1 2 M e v 的能量，吸收在靶中 产生核反应引起的瞬发射线。另外也吸收在屏蔽块 中由于碰撞而产生的热中子。外层屏蔽是加入了聚 乙烯、 碳和硼化合物的混凝土， 厚度为 7 0c m 。它主 要通过与聚乙烯组分中的氢原子发生弹性碰撞来 降低中子的能量， 使其成为热中子， 最后硼通过吸 收中子， 使与氢原子或其它元素发生中子俘获而产 生次级射线减少。该屏蔽系统移动简单轻松， 方便 调试和维修。 2 . 1 1 控制系统 R D S 1