醫用回旋加速器C靶結構分析與使用管理

劉 健 張曉軍 李云鋼 付華平 陳英茂

隨著正電子發射計算機斷層顯像/CT(positronemission tomography/CT，PET/CT)在全國范圍的日趨普及，以及PET/CT在更多領域的應用，常規的氟18-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)已不能滿足臨床應用，大量的碳11(11C)標記藥物在臨床得到了更廣泛的應用[1-2]。醫用回旋加速器作為PET/CT的配套設備，主要用于生產放射性核素標記各類顯像劑，而C靶是其生產11C核素的重要標配系統。本研究以SUMITOMO HM-20S型醫用回旋加速器(日本住友重機械工業株式會社)為例，闡述C靶的結構、工作原理、常見故障以及C靶的使用管理。

1 醫用回旋加速器C靶系統

靶系統是完成特定核反應產生相應核素的裝置。C靶系統生成11C核素，所以又稱C靶。C靶為氣體靶，填充氣體為N2與O2的混合氣體，其中O2含量為0.5%。該系統主要包含氣體填充裝置、C靶體、水冷系統和氦(He)冷系統[3]。

1.1 氣體填充裝置

氣體填充裝置主要包括N2和O2混合氣瓶、減壓閥及電磁閥等。C靶在填充時，打開自動填充系統，電磁閥打開，將減壓閥預設值最低壓力為1.58 MPa的N2和O2混合氣填充到靶體中，C靶填充完畢。

1.2 C靶體

1.2.1 C靶體結構

C靶體是直接插入到真空腔壁槽內，通過快速夾鉗壓緊固定。靶室與真空腔之間有真空膜和靶膜兩層膜，且真空膜與靶膜是相互獨立的，可單獨拆卸，卸下靶體，則不會影響真空。C靶體結構見圖1。

1.2.2 C靶體組裝

C靶體在維護后組裝，是一項重要工作。靶體的組裝主要是C靶靶膜的安裝，C靶組件經超聲清洗，待靶體組件干燥后，將O圈放入靶體的凹槽內，把裁剪好的靶膜放在上面，壓上法蘭，力度均勻的擰緊6顆螺絲，使靶腔不漏氣；然后將靶體插入到真空腔壁槽內，用快速夾鉗壓緊固定，連接好水冷、He冷和靶體充氣的快插接頭。

圖1 醫用回旋加速器C靶體結構

1.2.3 C靶體安裝注意事項

C靶體安裝前，仔細檢查是否清洗干凈；靶膜在安裝好后，要注意檢漏；多次更換靶膜后，靶體螺絲老化，擰緊螺絲時注意力度。

1.2.4 C靶體工作機制

C靶體檢漏過后，即可運行加速器。C靶內填充的為含有0.5%的O2的高純N2氣。C靶填充滿時靶內的壓力為1.58 MPa，轟擊時的壓力為1.93～4 MPa。為防止轟擊C靶時產生大量的熱，使靶膜破裂，在開始運行加速器時，同時打開He冷和水冷系統，對靶體進行冷卻。當C靶填充完，離子源和射頻系統啟動完成后，即可點擊轟靶。此時，束流通過引出系統，經過C靶前的真空膜和C靶的靶膜后轟擊氮氧混合氣，進行核反應。核反應式為:14N+1H→11C+α，產生正電子核素11C。11C核素產量根據需要分別轟擊5～30 min，然后通過管道傳輸至合成模塊處進行藥物合成。

1.3 He冷卻系統

He冷卻系統主要是打靶期間對真空窗和靶窗的真空膜和靶膜進行冷卻。He氣在靶膜和真空膜之間高速循環，使膜間產生的熱能快速地經過He氣傳送至熱交換器并由二級冷卻水將熱量帶出[3-4]。He冷循環系統見圖2。

圖2 He冷循環系統

1.3.1 He冷卻系統結構

HM-20S型回旋加速器為A、B兩側8個靶位(圖2)，每個靶位均配有閥門。當使用所選靶位時，對側相同位置閥門同時開啟。整個循環系統為密閉系統，壓力超過限定壓力時，互鎖報錯，此時不能正常運行。

1.3.2 He冷卻系統工作機制

啟動加速器前，首先選擇靶位，然后選擇對應靶位的閥門和對側相應靶位閥門為常開狀態。開啟加速器時，He冷循環同時開啟，打開閥門⑨，排除干凈循環系統內殘存氣體，關閉閥門⑨，打開閥門①、閥門⑩、He壓縮機、A側靶和B側靶所有閥門，進行一個檢查循環，壓力表的壓力保持在0.14 MPa，流量計顯示流量正常后，關閉閥門①和未選靶位相應閥門，He冷循環正式進入工作狀態(圖2)。循環系統內壓力＜0.12 MPa時，打開閥門①進行補充He氣，使壓力保持在0.12～0.14 MPa。

1.4 水冷系統

水冷系統分一級水冷和二級水冷兩部分，一級水冷主要用于冷卻二級水冷的循環水。加速器靶體冷卻由二級水冷負責(圖3)。

圖3 靶體水冷循環系統

1.4.1 水冷系統結構

加速器各系統的水冷系統為二級水冷，循環的冷卻水為去離子水，冷卻水通過不銹鋼球閥，流量控制器分配各路用水量，冷卻水的溫度、水阻和水流量等信號用于各相關設備的控制及安全聯鎖[5]。

1.4.2 水冷系統工作機制

水冷系統處于連續工作狀態，流經每一個靶體。靶體散熱需水冷的水流量大，流量計的水流變小后，相應連鎖裝置會出現報錯，查找原因，解決問題后，恢復運行。

2 醫用回旋加速器C靶使用管理

回旋加速器的C靶屬高頻率使用部件，每周使用10～15次。維護好C靶是保證藥物合成的重要前提。

2.1 操作人員培訓

回旋加速器應由核醫學科物理和放射化學專業人員使用管理。經過專業培訓，并考試合格，了解有關制度、規則和要求，具有獨立處理發生預警情況的能力，才準許操作回旋加速器。使用管理人員應全面了解加速器工作原理及可能發生的各種情況，加強對回旋加速器的使用管理[6-8]。

2.2 健全使用管理制度

回旋加速器屬復雜大型設備，應設置專人管理和操作。C靶使用中出現的小問題和小故障應當能及時解決，回旋加速器日常尚有其他靶體運行，因此內部故障一般只能周末維修維護。

建立使用登記本(卡)，對開機情況、使用情況和出現的問題進行詳細登記，可為C靶維修保養提供完整的技術資料[9-11]。

回旋加速器堅持進行日檢查、周維護和定期(2次/年)進行預防性維護，巡查中及時發現問題和解決問題；廠商工程師定期(1次/年)進行維護保養。C靶日常使用中嚴格按照表格要求填寫，即:機房溫度和濕度、水冷流量及壓力和溫度、He冷氣瓶壓力、氫氣瓶壓力、混合氣體壓力、靶膜和真空膜使用次數，減少故障率。

保持廠商工程師聯系，及時得到廠商工程師指導，是降低停機率的有力保證。

2.3 機房環境

(1)機房溫度保持在(19±2)℃，C靶運行中會釋放大量的熱，環境溫度過高，會加重設備的散熱負擔。散熱變差，產量下降，靶膜和真空膜易破裂。

(2)相對濕度為30%～60%，濕度過大，C靶在轟擊時，會使放射氣體中水含量過大，合成捕獲效率變差，同時縮短設備電子元器件壽命。

(3)每周進行一次大掃除，使用吸塵器和拖把，禁用掃把，保持機房干凈。

(4)機房保持良好的通風，有利于設備正常運行。C靶為氣體靶，當靶發生泄漏后，可快速通過通風系統，將靶放射性氣體排出機房。

2.4 放射防護

(1)中子和γ射線輻射。回旋加速器加速質子轟擊填充氮氧混合氣的C靶體，發生14N(p，α)11C反應，在生產11C的同時，尚產生α粒子和γ光子，γ射線穿透屏蔽墻可對加速器周圍環境和人群產生輻射。C靶運行產生高能的γ射線，會使回旋加速器內部結構材料活化，產生多種核素，因此在加速器剛停止轟擊C靶后進入機房的人員易造成輻射危害[12]。

(2)安裝防護裝置。為防止轟擊C靶過程中人員誤入機房，防護門和加速器安裝連鎖裝置，只有防護門關閉加速器才能啟動。機房入口處設置警示標志燈，機房墻壁上設置γ射線報警探頭，在啟動加速器轟擊C靶時警示標志燈亮起，γ射線劑量超過閾值時，探頭發出警報[13-14]。

(3)提高使用管理人員放射防護意識。C靶使用管理和維修人員，應遵循時間、距離和屏蔽防護3要素。因此，C靶出現故障時，需24 h或更長時間的衰變后才能維修，C靶維修時應在鉛L形屏風后進行，減少對身體的影響。

3 醫用回旋加速器C靶系統故障分析

3.1 核素產量下降

由于11C半衰期比較短，核素產量下降影響較大，即使增加打靶時間也難以彌補。導致核素產量下降的主要原因有填充靶壓過低、氣瓶氣體水分含量過高、靶膜低壓不漏高壓漏和束流位置未在靶心4個方面。

3.1.1 填充靶壓過低

混合氣氣瓶壓力過低時，填充進靶體的氣體壓力會相應降低。HM-20S型的C靶為氣體高壓靶，當氣體壓力過低時，生產的核素產量下降。此情況需調節混合氣氣瓶上的減壓閥，使填充氣體的壓力達到預設值，若氣壓仍達不到，則更換新的混合氣瓶。

3.1.2 氣瓶氣體水分含量過高

由于模塊的11C捕獲是使用loop環浸泡在液氮中進行捕獲，當混合氣體氣瓶水分含量過高時，會使水汽在loop中結冰，堵塞管線，11C氣體不能通過。此情況需更換新的混合氣瓶。

3.1.3 氣體泄漏

回旋加速器在填充靶的壓力下檢測，無泄漏報錯，但在運行過程中，碳靶的壓力會隨時間增長，靶體壓力呈階梯下降，表現為靶膜低壓下氣體無泄漏，高壓下氣體泄漏，通常此情況一般為連接靶體和管路之間的閥門出現了泄漏，更換閥門問題就能解決。

3.1.4 束流位置未在靶心

回旋加速器長時間使用后，射頻位置會產生輕微變化，此時可造成照射時不能照射在靶心。此情況在回旋加速器使用一段時間后應適當調節準直器位置來調整束流位置，保證加速器在最好的工作狀態。

3.2 靶膜破損

C靶屬高壓靶，靶膜破損比較常見。加速器打靶過程中，靶膜破損，會造成靶體內的氣體泄漏到空氣中，此時γ射線輻射監測報警儀會提示報警[13-14]。靶膜破損后需要24 h或更長時間的衰變，才能卸下靶體進行靶膜的更換。造成靶膜破損的主要原因有束流擋板開啟時預設電流過大、水冷效率低靶壓過高和維護時間到期3個方面。新舊靶膜比較見圖4。

圖4 新舊靶膜比較圖

3.2.1 束流擋板開啟時預設電流過大

回旋加速器準備完成后，需打開束流擋板進行照射。設備參數為提前預設，當預設電流過大時，瞬間束流過大，靶內壓力升高，造成靶膜破損。此情況需修正預設參數，把束流擋板打開時的電流改小。

3.2.2 水冷效率低靶壓過高

水冷系統長時間使用后，會造成管道內徑變小，這樣流速會相應變低，此時就不能有效起到冷卻作用，使靶內壓力一直處于增高狀態，最后造成靶膜破損。此情況需在加入內循環水時應當使用去離子水，使用一段時間后應當進行必要的配件更換和維護。

3.2.3 維護時間到期

回旋加速器的C靶靶膜一般都有使用壽命，使用壽命到期后，應注意及時更換靶膜，此時若不進行更換，很容易造成靶膜破損，從而使工作或實驗無法進行。

3.3 He冷卻系統故障

3.3.1 循環未打開

回旋加速器各項均啟動后，此時加速器的束流擋板顯示“NOT READY”(沒有準備好)的提示，He冷卻系統循環未打開，加速器進入自我保護狀態，此時就不能打開束流擋板進行照射。此情況一般均為加速器控制柜斷電后引起，需手動打開He冷卻系統的控制界面，點擊WASH按鈕，將He冷卻系統WASH一遍，然后再點擊CIRCULATE(循環)，He冷卻系統就可工作。

3.3.2 系統漏氣

He冷卻系統漏氣，會造成壓力過低，此時就不能有效地冷卻C靶系統，在進行C靶照射時，靶壓快速升高，造成靶膜破損。此情況一般先進行He冷卻循環系統的漏氣檢測，找到漏點進行維修，然后再進行漏氣檢測，直至循環壓力正常為止，He冷卻系統可正常循環。

3.4 水冷系統故障

3.4.1 冷卻水循環系統堵塞

冷卻水循環系統堵塞一般指內循環水管路堵塞，內循環水主要進行靶體冷卻，管路尤其是接頭部分使用時間過長后會產生堵塞，使冷卻水的流量下降，無法滿足靶體冷卻，輕則造成產量下降，重則C靶壓力升高，靶膜破損。此情況先檢查接頭位置，更換接頭，然后再檢查管道，進行管道更換。

3.4.2 水冷機故障

水冷機主要是外循環水，外循環水是冷卻內循環水系統。氣溫升高時，水冷機故障率增加，主要為散熱不夠，或壓力過大造成壓縮機管道破裂。一般此情況，需先清理室外散熱風機，保持散熱風機的清潔，使風機散熱效率更高；管道破裂一般表現為氟利昂泄露，使水冷機壓力表顯示失壓，這樣就只能停機，進行管道更換。

4 結語

回旋加速器結構復雜，各系統之間相互關聯，任何一處出現問題，均影響設備正常運行。靶系統是完成特定核反應裝置，也是最容易出問題的系統，需操作維護工程師，熟悉和了解設備的系統結構及工作原理，科學使用管理，及時排除一般性故障，短時間內使設備恢復正常運行。