医用回旋加速器靶系统及故障分析

福建省立医院 PET-CT中心，福建 福州 350001

医用回旋加速器靶系统及故障分析

戴红峰

福建省立医院 PET-CT中心，福建 福州 350001

本文对GE MINItrace回旋加速器F靶系统构成、工作机理和常见故障进行了分析探讨。

回旋加速器；靶系统；医疗设备维修

近年来，随着 PET/CT 在全国各地陆续引进，解剖与功能代谢融合显像越来越多地应用到临床，而合成 PET显像剂所需的正电子核素，是在回旋加速器的靶系统内生成。本文以 GE MINItrace 回旋加速器为例，介绍 F 靶系统的构成、工作机理及其常见故障，供同行参考。

1 F靶系统

靶系统是进行特定核反应产生相应核素的装置，该型加速器的 F 靶系统生产的是正电子核素18F，故称 F 靶，该靶为液体靶，即所使用的靶物质是液体—富集18O- 水[1]。靶系统主要包含靶水注入器、F靶体和氦冷系统等。

1.1 靶水注入器

靶水注入器是精确地将定体积靶水填加到靶室的装置。

1.1.1 靶水注入器构成

靶水注入器主要包括：气动注射器、气动三通阀、靶水瓶等。F靶系统的靶水注入器有两套，一套给F靶室填加18O- 水，另一套填加16O- 水。

1.1.2 靶水注入器工作机理

气动三通阀常开通路是注射器与靶水瓶，加18O- 水或者16O- 水时，压缩空气从注射器气动部分上端进入气筒，使活塞向下运动，靶水被吸取到注射器中；气动三通阀转向，使注射器与靶室相通，压缩空气从注射器气动部分下端进入气筒，使活塞向上运动，将靶水注入靶室中；气动三通阀通路再转到注射器与靶水瓶通路，靶水填加结束。

1.2 F靶体

靶体是整个 F 靶系统的核心部件，正电子核素18F 在其内部产生。

1.2.1 F靶体结构

F靶体结构图，见图1。F靶体通过前法兰上的栓子嵌入真空腔壁上的槽内、旋紧固定。靶室与真空腔靠小靶膜隔离开，如果卸下靶体，真空腔将直通大气。

图1 F靶体结构图

1.2.2 F靶体组装

组装放置衰变后清洗过的F靶体，是一项重要的加速器保养工作。将风干或烘干的靶体组件全部摆放在洁净的台面上，装好后法兰和氦冷法兰上的水冷和氦冷接头，不要遗漏橡胶密封圈，必要时可加缠生料带，以防漏水、漏气。依照图1，将后法兰放置在最底部，有凹槽的面都朝向组装者，像“搭积木”一样逐件向上组装，其中银容器上面有两个接孔，一个孔朝向组装者，另一个孔一定要朝向组装者的右侧；安靶膜时，用塑料镊子轻拿轻放，以免弄出折痕影响靶膜使用寿命；最后上螺栓，检查4根螺栓规格是否相同，用手对角旋紧，再用力矩扳手，按 5 Nm、7 Nm、9 Nm 力矩循序渐进，保持对角线的进度一致，以防靶膜不平漏靶水。

1.2.3 F靶体安装注意事项

安装靶体前，检查真空腔壁上固定靶体处的绝缘密封圈有无及位置偏移情况。安装靶体时，从后法兰方向看顺时针旋紧，当有轻微“咔”声且不能再旋动，表示靶体已安装到位。连接银容器上靶水和氦气接头，注意靶水接口是在靶体下侧，侧面是氦气接口，而连接水冷和氦冷接头，只要看清靶体和接头上的标记基本不会接错，再将靶流检测线插入前法兰上的插孔，靶体安装完毕。

1.2.4 F靶体工作机理

靶体测漏、靶水体积检测正常后，开启真空，当真空抽到 10-7Mbar左右，即可运行加速器。生产用的18O- 水富集度要高于 90%，以避免产生过多的13N。生产时压在靶水上的氦气压力将高达 2500 kPa 左右，防止靶水因束流轰击发热沸腾胀破靶膜，下达轰击命令后，打开水冷和氦冷阀门冷却靶体，水主要用于冷却银容器，氦气主要冷却大小靶膜，防止因束流轰击发热烧坏靶膜，当氦冷压力达到120 kPa 左右时，离子源和射频系统启动，加速器系统进入自动生产状态。束流通过前法兰腔打在小靶膜上，再通过氦冷法兰打在大靶膜上，照射银容器内的靶水，进行核反应，核反应式为 ：18O+1H—18F+ n，产生正电子核素18F。

根据 预 约 病 人 数所需 的18F-FDG（ 氟 脱 氧葡萄 糖 ）剂量，折算出需要生产18F 的量，设定轰击束流大小和轰击时间。生产结束后，离子源、射频系统进入待机状态，靶体的水冷和氦冷停止工作。用氦气 500 kPa 将靶水传输到相应合成器，进行18F-FDG 的合成。然后，用高纯16O- 水冲洗靶室和传输管路，关闭加速器。

1.3 氦冷系统

氦冷系统是回旋加速器冷却系统的一部分，专门为冷却靶体而配备。利用高速循环的氦气流冷却大、小靶膜和氦冷法兰，氦气将从靶内带出来的热量通过热交换器传给水冷系统，最终由水冷系统将靶内生成的热量带出[1-2]。

1.3.1 氦冷系统结构

图2 氦冷系统工作简图

MINItrace 回旋加速器配有 6 个靶位（图 2 中③显示），每个靶都配有阀门，该靶工作时阀门开启。阀门和卸压阀是常开阀门，氦冷循环体系中的压力过高或循环不畅时，安全卸压阀⑥打开卸压，保护循环体系的管路不会因压力过大而损坏。

1.3.2 氦冷系统工作机理

下达轰击命令后，F靶的阀门开启，常开阀门⑤关闭，阀门⑦开启，氦压缩机启动，将管路中残留的氦气排出，保证氦冷循环体系中氦气的高纯度，这个状态持续超过 20 s，阀门⑦关闭，阀门⑤和⑧开启，氦气开始进入氦冷循环体系，压力表⑨压力从 0 kPa 开始上升，达到 120 kPa 左右后，阀门⑧关闭，氦冷系统正式进入工作状态，随后加速器的离子源系统和射频系统启动工作。循环体系中的压力＜ 110 kPa 时，阀门⑧将再次开启，氦气补入氦冷系统，维持该体系的压力在 120 kPa 左右。

2 F靶系统故障

2.1 加靶水体积不准

向靶室加水体积不准，主要有两种可能 ：① 气动注射器的定位销松动，使靶水抽取体积不准 ；② 靶水抽取过快或者过慢，抽取太快容易使注射器里有气体，太慢会导致靶水未抽取结束，靶水瓶阀门已关闭，使靶水体积偏少。注射器抽取 1 mL 水大约需要 10 s，1mL 靶水注入靶室大约需要 4 s。

2.2 靶水和氦气接头接反

靶水和氦气两个接头接反不利于靶水传出，检测靶水体积时，靶水传出很少，甚至没有传出。两者接反会有氦气残留在银容器内，如果直接生产，氦气受轰击热膨胀，会胀破靶膜，后果严重。

2.3 核素量减少

在靶水瓶靶水充足、填加靶水正常的情况下，主要有两种可能：靶水过滤器有部分堵塞，或传输管道使用时间过长，管壁残留靶水过多，致使靶水体积减少，核素量随着减少。这两种情况下传到合成器的核素量上升缓慢，传输时间要适当延长，或再次冲洗靶室和管路。

2.4 靶压报错

靶压报错一般发生在更换靶水过滤器或者靶体后。更换过滤器后发生，可能是装过滤器的容器没有旋紧，或与过滤器相连的管线松动；更换靶体后发生，可能是靶水和氦气接头没接紧，或靶膜没有压平，靶体内部有泄漏。

向靶室加水时，靶水不足，系统也会提示靶压错误。所以要定期给靶水瓶补水，保证两个靶水瓶中的水充足。

2.5 靶流检测不准

一般是靶体的密封绝缘圈绝缘性变差，导致靶流检测不准确。该绝缘圈的好坏决定靶流检测的准确与否。束流检测不准确，直接影响核素的估算，导致生产出来的核素与实际有偏差，在生产核素较多时，其影响会更明显，可能导致最后药量不足，不能满足临床显像用药。

在生产时，通过下面的算式，简单判断该圈的绝缘性：“靶上束流”＋“两个准直器上束流和”＝“剥离膜上束流”，如果等号两侧明显不等，可进一步判断靶体对地电阻，如测量值偏离 20 kΩ 较大，超出 ±3%，说明密封绝缘圈需更换。

2.6 靶膜破损

靶膜破损需在 24 h 或者更长时间衰变后，卸下该靶体（防止衰变），换上备用靶体。

2.6.1 小靶膜破损

小靶膜破损，真空腔与氦冷系统相通，真空平衡被打破，提示真空系统出错，加速器进入自我保护状态。高真空阀（High Vacuum Valve，HVV）自动关闭，真空控制面板的显示灯均变为红色。按“standby”按钮抽真空，机械泵开始工作，2 min 后对真空腔抽真空，但真空度下降缓慢，从常压103Mbar抽到 4.0×10-1Mbar，约需 20 min（正常情况下，从常压抽到 7.0×10-2Mbar 仅需 10 min），随后报错，据此判断真空腔漏气。在调试软件 MSS（MINItrace Service System）时发现氦冷压力为 0 kPa，正常应显示 60 kPa 左右，点击“fill”，氦冷压力不能上升到 60 kPa 就报错，且压力不能保持，同时发现真空度从 10-1Mbar上升到 103Mbar，进而说明氦冷与真空腔之间的靶膜破损。

2.6.2 大靶膜破损

一般发生在生产过程中，系统提示靶压、氦冷系统等错误，生产被迫中止，加速器室内辐射剂量率比平常高出几倍，用放射性表面污染仪检测氦压缩机处，辐射剂量率异常高。

2.6.3 两个靶膜都破损

两个靶膜都破损，情况与大、小靶膜单独破损相似。由此可知，辐射环境监测仪和放射性表面污染仪不但是环境辐射监测的仪器，也可以作为故障诊断的辅助工具，是每个 PET 中心加速器室必备的装备[3-4]。

2.7 氦冷系统漏气

该故障系统提示氦冷系统补气，且短时间内反复出现。由声音确定漏气的大概部位，再用起泡剂或肥皂液涂在各个接头处，找出漏气点。对于较难找到的漏点，可阻断某一段通路，看回路压力是否还下降，判断漏点在此阻断点的哪一侧。如图2，可先阻断卸压阀⑥和氦压缩机①之间的管路，如果回路压力维持不变，说明漏点在氦压缩机侧。如此逐步向靶方向查找，只要压力不能维持，即可判断漏点在哪个部位。

2.8 氦冷系统压力偏低

氦冷循环系统压力偏低主要有两个原因：氦压缩机产生的压力偏低和气瓶压力不足。氦压缩机产生的压力偏低一般是氦气有反流，保养氦压缩机，更换阻流弹片等组件可解决。

3 小结

医用回旋加速器系统庞大，结构复杂，任何一个子系统有故障，都会影响整个加速器的正常运行。这就要求加速器的操作维护工程师，熟悉各个子系统的工作机理和结构组成，及时排除一般性故障，保证加速器在较短的时间内恢复正常运行。

[1] 潘中允,屈婉莹,周诚,等．PET/CT诊断学[M]．北京:人民卫生出版社,2009．

[2] 张虎军,杨勤,向艳,等．医用回旋加速器的基本原理与组成[J]．医疗卫生装备,2007,28(11):59-60．

[3] 戴红峰．PET-CT示踪剂制备系统的配置简介[J]．医疗装备, 2007,20(5):15-16．

[4] 谭志坚,杨东,蓝文才,等．MINItrace回旋加速器的安装项目要点[J]．中国医疗设备,2010,25(5):87-89．

[5] 樊宽章,张伟,侯婵,等．PET-CT中心医用回旋加速器及机房设计简介[J]．中国医疗器械信息,2011,(9):49-50,59．

[6] 唐刚华．正电子放射性核素的制备及其在药学领域中的应用[J]．中国药物化学杂志,2003,(1):63-68,6．

Target System of Medical Cyclotron and Failure Analysis

DAI Hong-feng
PET-CT Center, Fujian Provincial Hospital, Fuzhou Fujian 350001, China

TH789

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.01.045

1674-1633(2013)01-0129-03

2012-05-12

作者邮箱：daihongfeng@tom．com