PET/CT正電子藥物中心的建設之一——設備的配置和選型

耿建華 陳英茂 陳盛祖 田嘉禾

PET/CT是一種新型醫學影像設備，它將PET及CT的優勢融為一體，近年發展迅速。PET通過符合探測正負電子對湮沒輻射的兩個反方向飛行的光子而成像[1]。正電子是帶負電荷的電子的反物質，是由一類放射性核素（稱為正電子核素）衰變產生的，而回旋加速器就是生產這類正電子核素的設備。另外PET圖像反映體內的代謝情況，這需要將正電子核素帶到體內需要檢查的部位，實現這一點的方法是將正電子核素標記到某種參與體內代謝的物質上，形成放射性藥物（也稱顯像劑、放射性示蹤劑），而完成標記的設備就是放射性藥物合成器（也稱合成模塊）。可見只有PET（PET/CT）是完不成成像工作的，它需要配套回旋加速器和放射性藥物合成器。此外，從放射性藥物的生產到最終用于臨床還需要許多輔助設備，如放射性藥物質控、分裝、防護設備等。這一切構成了一個生產正電子放射性藥物的微型工廠，雖然產量不大，但五臟俱全。本文圍繞這一微型工廠，就國家有關政策、人員需求、主要設備的工作原理、組成、技術指標及選型采購、配套設備清單等進行了討論，為醫療機構建立正電子放射性藥物生產中心提供參考。

1 配置許可

在正電子藥物生產所需的設備中，回旋加速器是最重要最昂貴的設備。按照我國《大型醫用設備配置與使用管理辦法》（衛規財發[2004]474號，衛生部國家發展和改革委員會財政部二00四年十二月三十一日），甲類大型醫用設備由國務院衛生行政部門管理，實行配置規劃和配置證制度。回旋加速器本身不屬于醫療器械，但是作為甲類大型醫用設備PET、PET/CT的配套設備，也按甲類大型醫用設備進行管理，只是回旋加速器本身無專用配置證。

1.1 配置數量規劃

按照《衛生部甲類大型醫用設備配置審批工作制度》（衛辦規財發[2008]8號，衛生部二〇〇八年一月四日），由衛生部、發改委規劃各省配置數量。欲購置PET/CT及回旋加速器的醫療機構向省級衛生行政部門提出申請，省級衛生行政部門審核同意報衛生部，衛生部批復，有效期為2年。設備安裝、調試、驗收合格后，省級衛生行政部門審核通過，轉報衛生部，衛生部制發甲類《大型醫用設備配置許可證》。

按照《2008-2010年全國正電子發射型斷層掃描儀配置規劃》（衛辦規財發〔2008〕89號，衛生部辦公廳國家發展改革委辦公廳2008年5月13日），根據PET-CT的配置數量規劃回旋加速器的配置數量，按照1臺回旋加速器生產的放射性核素至少可滿足2～3臺PET-CT的工作需要，確定回旋加速器配置數量。我國相關調查顯示[2]，到2009年，我國大陸裝備PET及PET/CT 118臺，用于生產PET、PET/CT用正電子核素的回旋加速器65臺，PET、PET/CT數量與回旋加速器的數量比為1.8∶1。

1.2 配置需滿足的條件

按照《2008-2010年全國正電子發射型斷層掃描儀配置規劃》的要求，配置PET-CT及回旋加速器應符合以下要求∶三級甲等醫院或相當于三級甲等醫院規模和水平的醫療機構。綜合醫院床位數在1000張以上，日門急診量不少于3500人次，具有實力較強、水平較高的腫瘤科、心臟科、神經科、胸外科和影像科。腫瘤、心血管等專科醫院床位在500張以上，日門急診量不少于800人次，或年手術量不少于5000臺。設置獨立的核醫學科，成立時間5年以上，具備較高的核醫學診療水平。裝備并使用SPECT不少于3年，近3年每年臟器顯像例數不少于2000人次。具有較高水平的核醫學專業、醫學工程和影像專業技術人員。學科負責人具有高級臨床專業技術職稱，至少具有5年以上核醫學專業工作經驗。非營利性醫療機構不得以合作、貸款等融資形式購置。

1.3 人員配備要求

在《醫療機構制備正電子類放射性藥品質量管理規范》（國家食品藥品監督管理局中華人民共和國衛生部，國食藥監安[2006]4號）、《放射性同位素與射線裝置安全許可管理辦法》（國家環境保護總局令 第31號，2006年）、《核發“放射性藥品使用許可證”驗收標準》（國食藥監安[2003]199號）及《大型醫用設備配置與使用管理辦法》（衛規財發[2004]474號）中，對PET/CT正電子藥物中心的工作人員均有相關的要求，綜合上述文件中的要求，醫療機構用回旋加速器及合成裝置生產放射性藥物至少應具備2名工作人員，1名物理人員，負責質控、防護、劑量及設備；1名化學人員負責放射性藥物制備等相關工作。并且要接受崗位培訓，取得《大型醫用設備上崗合格證》NMI（核醫學影像）物理師及NMI化學師的資格。

2 回旋加速器的選型

為了選型采購，首先了解回旋加速器的工作原理、組成及技術指標，然后根據具體需求及技術指標進行選型。

2.1 回旋加速器的工作原理與組成

不同型號的回旋加速器結構有較大的差異，但其基本工作原理與組成是相同的。

2.1.1 回旋加速器的基本構造及工作原理

回旋加速器的核心部件為D形盒，在早期的設計中它的形狀有如扁圓的金屬盒沿直徑剖開的兩半，每半個都像字母“D”的形狀，因而得名“D盒”。兩D盒之間留有窄縫，中心放置離子源提供被加速的帶電粒子，目前最常用的為負氫離子（1個質子，周圍2個電子）。兩D盒之間接上交流電源，在縫隙里形成一個交變電場，用于對帶電粒子加速。由于金屬D盒的電屏蔽效應，在每個D盒內的電場為零。D盒裝在一個大真空容器里，并位于巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，磁場方向垂直于D盒表面，用于使帶電粒子在D盒中回旋運動。現代加速器中，D盒不再是“D”形，收縮為扇形，但仍稱為D盒，個數可以是2個、4個，加速的縫隙因而也有多個。由離子源發出的帶電粒子在兩D盒縫隙中被電場加速進入D盒內，在洛侖茲力作用下轉向做圓周運動再次來到D盒縫隙，調整交變電場的頻率使其這時電場的方向正好使粒子再次加速，隨后進入另一邊的D盒內作圓周運動，再次轉向來到D盒縫隙，再次加速。保證粒子每次通過D盒縫隙均被加速的條件是∶交變電場的頻率fD為帶電粒子的回旋頻率fC的整倍數h∶fD=h fC，h稱為諧波數。被加速到一定能量的粒子，被引到靶上，與靶物質發生核反應，產生需要的放射性核素[3-4]。對負氫離子回旋加速器，引出時通過剝離膜，被剝去2個電子，轉變為質子，在磁場中的運行軌道將向相反的方向偏轉被引出。目前臨床最常用的正電子核素18F ，其靶物質為氧-18水（18O-H2O），產生18F的核反應為18O（p，n）18F，獲得18F同時還產生中子[3-4]。

2.1.2 回旋加速器的組成及功能

用于生產正電子核素的回旋加速器主要由以下10個大系統組成[3-4]。

（1）磁場系統由線圈、鐵磁體和電源系統構成。為加速粒子提供做圓周運動的磁場。

（2）射頻系統（RF）RF有二個功能∶一是提供加速電場；二是提供從離子源中拉出離子的電場。它主要由RF諧振腔、RF電源發生器和RF饋通電纜三個子系統構成。

（3）離子源系統離子源系統的功能∶產生帶電粒子，為加速器提供離子束。加速器許多性能指標（如束流強度、發射度、能散度、離子種類等）主要取決于離子源系統。離子源系統由離子源、離子源電源和氣體管理系統組成。

（4）束流引出系統其作用是改變加速粒子的運行軌道，將其引向靶體。對負氫離子型回旋加速器，束流引出系統主要包括剝離碳膜、裝載碳膜的圓盤轉動器、馬達等裝置。

（5）靶系統是完成特定核反應的裝置。通過特定的核反應，產生所需的正電子核素。靶系統由靶載體、靶、控制系統組成。

（6）真空系統為加速粒子的軌道空間提供高真空條件，一方面降低加速束流與氣體分子的碰撞丟失；另一方面對高頻高壓電場提供絕緣條件，避免放電干擾。真空系統一般包括真空室、真空泵、高真空閥和高、低真空計。

（7）冷卻系統包括水冷卻系統和氦冷卻系統。水冷卻系統主要用于從各系統中將熱量帶出，帶出的熱量在二級水冷卻系統中進行熱交換，將熱量傳送到初級冷卻系統。氦冷卻系統主要在打靶期間對真空窗和靶窗的Havar箔膜和鈦箔膜進行冷卻。

（8）控制系統執行加速器的各種程序。控制系統由加速器控制單元、真空控制單元和界面控制單元組成。

（9）自屏蔽裝置有些型號的加速器帶自屏蔽裝置，有的型號沒有自屏蔽裝置，其功能是屏蔽加速器工作時產生的各種射線。

（10）診斷系統診斷系統的作用是監測分析束流軌道上幾個位置的束流。并發出調整優化靶束流的指令。

2.2 回旋加速器的主要參數

回旋加速器主要參數有下列5類[4]。

2.2.1 粒子能量

粒子能量為粒子能被加速的最高動能。常用單位為兆電子伏特（MeV）。粒子能量是最重要的一個指標，能量在8 MeV到20 MeV的加速器能夠提供多種PET/CT用正電子核素，而能量在30 MeV以上的加速器同時可以提供在SPECT種用的放射性核素（例如∶TI-201，Ga-67，In-111等）。通常能量越高，核素的產量越大，其價格也越高。

2.2.2 粒子束流的品質參數

能散度∶束流中粒子能量分散的程度。

發射度∶束流橫截面尺寸與發散角的乘積。常用單位是∶毫米?毫弧度。

亮度∶粒子束通過單位截面、單位立體角的束流強度。

束流強度∶單位時間通過的粒子數或電荷數。常用單位為微安（μA）。用于生產放射性核素的加速器的束流強度通常為25 μA 到100 μA。通常束流強度越高，核素的產量越大。

2.2.3 磁鋼度

磁鋼度等于磁感應強度與最大軌道半徑的乘積。對確定的帶電粒子，磁剛度決定了粒子的最高加速能量。

2.2.4 雙束流打靶

在回旋加速器的不同位置上裝有兩套靶系統，可將束流同時引到兩個不同的靶體上，同時生產相同或不同的兩種核素。這樣，既提高了束流的利用率，又可同時生產同一核素，提高產量，或同時生產不同的兩種核素。

2.2.5 自屏蔽

有自屏蔽可保障在特殊情況下，工作或維修人員需在加速器運行時進入加速器室時的輻射安全，且可降低對加速器室墻壁的防護要求。因此加速器是否帶自屏蔽裝置供選擇也是用戶應考慮的一個指標。

2.3 機型

目前商用的生產正電子核素的回旋加速器廠家有多個，每個廠家又有多種機型，表1為目前我國市場上回旋加速器的廠家及其機型和主要性能指標。

選型是設備購置最關鍵的第一步，總的來講，按需選型，即按照各自醫療機構的具體情況。例如，放射性藥物需求種類及數量來選擇加速器的性能指標，同時考慮醫療機構自身的價格承受能力。按照我國目前的有關規定，醫療機構不可以直接選擇具體某種型號，只能選擇性能指標，根據該指標，制定出標書，由招標投標來確定機型。

表1 目前我國市場上回旋加速器的廠家及其機型和主要性能指標

2.4 采購

按照《關于進一步加強醫療器械集中采購管理的通知》（衛規財發[2007]208號）要求，甲類大型醫用設備集中采購，由衛生部統一負責組織，按照我國招標投標法完成采購。

3 放射性藥物合成器

放射性藥物合成器是正電子藥物生產所需的設備中的第二重要設備。

3.1 合成器的原理

其原理取決于合成所用的化學反應類型，常用的主要有兩類∶親核反應和親電反應。

3.2 合成器的組成

放射性藥物合成器一般由氣閥、液閥、反應管、加熱器、溶液瓶、真空泵、固相分離柱、檢測器和操作控制系統組成。由于放射的特殊性，合成過程由程序控制自動按流程完成。

3.3 合成器的種類

3.3.1 專用型∶用于合成某種單一藥物，如18F-FDG合成器、15O-H2O合成器等。專用型合成器由于只針對一種藥物設計，合成過程中的條件固定且可做到最優化，故操作簡單，產量較高[4]。

3.3.2 多功能型∶用于合成反應類型相同的多種藥物，如18F多功能合成器，可生產由18F親核反應合成的18F-FDG、18F-FLT、18F-FMISO等；11C多功能合成器，可生產由11C標記的多種藥物。多功能合成器由于要針對多種藥物設計，合成中的條件是可調的，由于需要照顧到多種條件，有一些難以做到最優化，產量會較專用型低[5]。

3.4 合成器的技術參數

3.4.1 合成效率∶反映正電子核素的標記率，即生成藥物的總放射性活度與投入核素總活度的比值，此值越高越好。

3.4.2 放射化學純度∶是指以特定化學形態存在的放射性活度與藥物總活度的比值。此值越高越好。

3.4.3 合成時間∶是指整個合成過程所需的時間。時間越短越好。

3.4.4 合成成本∶合成一次的耗材成本。

3.4.5 合成的藥物種類∶這一參數只對多功能合成器而言。

3.4.6 連續合成次數∶這一參數只對專用型合成器而言。是指無需人工干預可連續使用的次數。由于完成一次合成后，合成箱內的高放射性殘留使人工清理很危險，需要等待核素衰變，一般到第二天才可開箱清理使用。可多次連續合成的設備除具有一次準備耗材可多次使用的功能外，還要有自動清洗功能。

采購除需考慮上述技術參數外，還應考慮操作、日常維護是否簡單；自動/手動設置是否可選；有否內置攝像頭觀察反應過程等。

3.5 合成器的生產廠家

目前在我國市場上，除回旋加速器的廠家都有自己的配套合成器外，還有我國北京派特生物技術有限公司生產的自主品牌的合成器。

4 其它配套設備

建立正電子放射性藥物生產中心，除回旋加速器和放射性藥物合成器兩大主要設備外，還需要許多配套儀器和器械，其清單如表2所示。

表2 制備放射性藥物的配套儀器和裝置

[1]陳盛祖.PET/CT技術原理及腫瘤學應用[M].北京∶人民軍醫出版社，2007.

[2]李亞明，陳英茂，田嘉禾.全國PET/CT(PET)配置與使用情況調查簡報[J].中華核醫學雜志，2009，29(4)∶282-283.

[3]王海兵，陳英茂，尹吉林.回旋加速器技術探析及展望[J].中華核醫學雜志，2009，29(6)∶282-283.

[4]陳英茂.全國醫用設備使用人員上崗資質考試指南——核醫學物理師化學師分冊[M].北京∶中華醫學會繼續教育部，2008∶139-140.

[5]田嘉禾.PET、PET/CT診斷學[M].北京∶化學工業出版社醫學出版分社，2007∶195.