医用回旋加速器束流引出位置对液体靶工作效率的影响

王颖，唐文伟，徐绪党，刘标，张新荣

1.南京医科大学附属南京儿童医院放射科，江苏 南京 210008；2. 南京医科大学第一附属医院 PET/CT中心，江苏 南京 210029

医用回旋加速器束流引出位置对液体靶工作效率的影响

王颖1，唐文伟1，徐绪党2，刘标2，张新荣1

1.南京医科大学附属南京儿童医院放射科，江苏 南京 210008；2. 南京医科大学第一附属医院 PET/CT中心，江苏 南京 210029

目的 探讨医用回旋加速器引出束流轰靶的位置对液体靶生产正电子同位素能力的影响。方法 选择最佳磁场电流范围；固定轰靶的束流强度（30μA）、靶室压力（350±10Psi）、核反应时间(T=30min)及靶水体积(1.5mL H2O18)，利用18O（p,n）18F核反应生产18F同位素；以圆形靶膜正中为坐标原点，建立直角坐标平面，调整回旋加速器加速粒子的引出位置，分别使2/3束流截面面积位于不同的两个相邻象限内，测量不同条件下反应结束后获得的18F的放射性活度。结果束流中心定位于靶膜正中位置时获得的18F的放射性活度为（710±30）mCi (n=15)；束流中心定位于靶膜正中位置垂直偏下，且2/3束流截面积位于圆形靶膜的第三、四象限内时，获得的18F的放射性活度为(860±50)mCi（n=15）；束流中心定位于靶膜正中位置偏左或偏右，且2/3束流截面积位于第二、三象限或第一、四象限时，获得的18F的放射性活度都为(640±35)mCi (n=15)；束流中心定位于靶膜正中位置偏上，且2/3束流截面积位于第一、二象限时，获得的18F的放射性活度为(550±40)mCi (n=15)。结论 轰靶束流的引出位置的改变会直接影响液体靶的工作效率；当束流中心定位于靶膜正中位置偏下通过时，液体靶的工作效率最好。

回旋加速器；准直器；液体靶；正电子同位素

本文导读 >>

课题背景：本课题受江苏省社会发展计划、医药高技术计划项目（BS2007068）资助，主要探讨影响回旋加速器整体性能的主要指标——引出束流位置的重要性。通过对多种条件下引出束流位置检测及回旋加速器产出效能的比较，确定引出束流的最佳位置，为回旋加速器整体系统调试提供参考。

实验设计：通过实验设定恰当的偏转磁场范围，设定不同的束流引出点轰击液体靶，发生特定的核反应，相同的反应条件下测量各束流引出点核反应的效率，即产生正电子同位素的放射性活度，并进行统计分析，确定加速器束流的最佳引出点。

偏倚和不足：实验数据样本量稍偏少，没有进行精确的两样本间逐一比较。

医用回旋加速器是一种多系统组成的大型医用设备。靶系统是其最重要的子系统之一，该系统是发生核反应并产生相应正电子同位素的部位[1-3]。加速器在安装完毕交付医院使用之前必须对靶系统作全面的调试，以使该系统处于最佳的工作状态[4,5]。其束流引出位置调试是回旋加速器整体性能维护的关键工作之一，其调试过程较繁琐，使用单位在日常使用中一般不再进行常规调试。由于靶系统直接关系着相关耗材的使用，因此，靶系统的调试状态的优劣对后续使用会产生直接的经济影响。我们通过改变束流位置分别测试液体靶在各种条件下的工作效率，以期发现束流轰击液体靶的优势位置，为回旋加速器使用者提供参考。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

医用回旋加速器PETtrace（美国，GE medical system）、正电子核素活度计、回旋加速器PETtrace专用测试靶（paper target）、游标卡尺、98%的高纯富氧水H2O18（常熟，华益埃索托普公司）。

1.2 方法

1.2.1 确定回旋加速器最佳偏转磁场电流范围[6]

在室温环境保持20℃的条件下，以433A作为磁场电流的基点，以0.5A递增测试，测试至438A。自离子源引出强度为15A的束流（通过离子源引出口的探针探测），分别记录各磁场电流条件下束流在萃取碳膜、上下准直器、靶膜的分配值。最佳磁场电流范围的确定条件为：萃取碳膜上的电流及靶体电流处于最大平台期、上下准直器电流基本相等且电流之和稳定。

1.2.2 制作束流测试纸膜

根据回旋加速器测试靶靶膜直径大小，制作束流测试纸膜。选择厚度大于0.5mm的非易燃硬质纸片，根据测试靶测试纸膜插缝的宽度（本实验为30mm）裁剪测试纸，利用游标卡尺精确测量靶膜的直径大小，裁剪宽度为30mm，长度约为50mm的长方形测试纸膜，选择距离纸膜任意3条边的垂直距离都为15mm的点作为测试原点，该原点对应靶膜正中的位置，并将该位置作为坐标原点画出直角坐标。

1.2.3 测试各条件下液体靶的工作效率

改变束流中心轰击测试纸膜的位置，测试各种条件下液体靶的工作效率。通过微调束流提取碳膜的位置、偏转磁场的电流、准值器相对位置、加速Dee电极的相对深度等，设定低束流强度（小于5μA）、短轰击时间（1～2min），分别测试束流在测试纸膜的焦化斑点中心与靶膜中心原点的相对位置，即焦化斑点2/3面积所在的象限范围。取下测试靶换上18F高产靶，固定轰靶的束流强度（30μA）、靶室压力（（350±10）Psi）、轰击时间(T=30min)及靶水体积(1.5mL H2O18)，进行18F产额测试。

1.2.4 统计学处理

统计学处理运用SAS8.1软件，数据以x¯ ± s表示，运用组间t检验，检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 回旋加速器最佳偏转磁场强度范围

在本测试条件下，以束流分配与磁场电流强度变化的趋势得出：当磁场强度处于434.5～436.0A之间时，萃取碳膜及靶膜的束流分配值较大且稳定，同时在该范围内准值器束流分配较稳定且上下准值器值相当（如图1所示）。

图1 不同磁场电流强度下的束流分配情况

2.2 测试靶束流相对位置情况及各条件下18F的产额

测试纸膜上2/3焦化斑点所对应的靶膜平面的四象限位置分类及各条件下18F产额见表1。

表1 束流在测试靶上的位置及各条件下液体靶的18F产额（x¯ ± s, n=15）

3 讨论

医用回旋加速器作为一种大型医用设备，在日常使用过程中涉及昂贵的耗材和试剂。因此，在固定投入的情况下要尽量使其发挥最大的工作效率，其中最关键的一个步骤便是精确调试靶系统的工作性能[7,8]。目前，国内医用加速器基本上全部是液体靶，本文所讨论的问题也只涉及液体靶的调试。由于固体靶与气体靶所应用的核反应原理及物理构造不同，因而它们的具体调试方法也不同，在此不作赘述。

液体靶的调试主要是将引起核反应的束流（氢气或氘气电离获得）轰击在靶的准确位置[9,10]，目的是使束流截面与反应媒介（如富氧水18O-H2O）的交界面最大，以利于在最短的时间内发生相关核反应得到目的核素。本实验发现当束流中心定位于靶膜正中位置垂直偏下，且2/3束流截面积位于圆形靶膜的第三，四象限内时，18O（p,n）、18F核反应生产18F同位素的效率最高，且与束流中心定位于靶膜正中位置时获得的18F的差异具统计学意义。究其原因，主要是因为PETtrace型回旋加速器的靶腔设计成椭圆形凹槽（上为靶膜覆盖），其长轴平行于直角坐标的Y轴；同时靶系统在设计时考虑到靶腔为密闭性结构，当核反应进行后一段时间靶腔内的液体（如富氧水）会沸腾成蒸汽状态，靶腔内压力会陡升[11]。因此，加入靶腔的反应液体不可能将靶腔全部装满，这就使得靶腔内的液体中心位于椭圆形凹槽的中心偏下的位置，当束流偏下轰击靶腔时，由此引起的核反应水分子数最多，发生核反应的几率最大，从而得到更多的反应产物，进而提高了液体靶的生产效率。

对于液体靶的调试，本文仅提供一种方法。束流的最佳引出位置并非固定，它由液体靶的靶腔构型决定。当不同的机型加速器的液体靶调试结果不同时要考虑到不同厂家的设计特点。同时还要注重测试的其他相关条件，因为靶系统的整体性能由多因素决定，单一比较某个因素是没有价值和意义的。

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Impact of Medical Cyclotron Beam Extraction Position on the Liquid Target Efficiency

WANG Ying1,TANG Wen-wei1,XU Xu-dang2,LIU Biao2,ZHANG Xinrong1
1.Radiology Department,the Affiliated Nanjing Children's Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029,China; 2.PET/CT Center, the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210029, China

Objective To investigate the impact of medical cyclotron beam extraction position on the liquid target efficiency.Methods Selected the best magnetic field current range, and fixed target beam intensity of the H (30μA), target chamber pressure (350±10Psi ), the nuclear reaction time (t = 30min) and the target water volume (1.5mL H2O18), the use of18O (p, n) 18F nuclear reaction18F isotope production; in the middle of a circular target membrane origin for the coordinates of the establishment of rectangular coordinate plane,adjust the cyclotron to accelerate particles leads to positions, respectively, so that 2/3 of the beam crosssectional area of two adjacent located in different quadrants, the measurement of reaction under different conditions,18F radioactivity is measured in the end.Results The beam center located in the middle of the target membrane the location of18F radioactivity is measured in obtained for the 710±30mCi (n=15);beam center located in the middle position of the target membrane under the vertical side, and 2/3 of the beam cross-sectional area is located in a circular target membrane the third and fourth quadrant when radioactivity is measured with the18F 860±50 mCi(n=15); beam center located in the middle of the target membrane with the location of left or right, and 2/3 of the beam cross-sectional area is located in the second and third quadrant or the first, four quadrant and limit access to the18F radioactivity is measured in both the 640±35 mCi (n=15); beam center located in the middle position of the target membrane on the side, and 2/3 of the beam cross-sectional area located in One, two quadrant when it was measured as the 550±40 mCi(n=15).Conclusion The location of the target changes will directly affect the efficiency of the liquid target;when the beam center located in the target membrane side through the middle position, the liquid target, the efficiency of the best.

cyclotron; collimator; liquid target; positron isotope

TL54+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.12.004

1674-1633(2010)12-0007-03

2010-05-10

2010-08-27

江苏省社会发展计划、医药高技术计划资助项目(BS2007068)。

本文作者：王颖，主要从事医用设备性能评价方面的研究工作。

徐旭党，核医学技师，现主要从事医用回旋加速器的使用及性能评价等方面的研究工作。

通讯作者邮箱：xuxudang@163.com