劉 健 張曉軍 李云鋼 付華平 陳英茂

隨著正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像/CT(positronemission tomography/CT，PET/CT)在全國(guó)范圍的日趨普及，以及PET/CT在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，常規(guī)的氟18-氟代脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)已不能滿足臨床應(yīng)用，大量的碳11(11C)標(biāo)記藥物在臨床得到了更廣泛的應(yīng)用[1-2]。醫(yī)用回旋加速器作為PET/CT的配套設(shè)備，主要用于生產(chǎn)放射性核素標(biāo)記各類顯像劑，而C靶是其生產(chǎn)11C核素的重要標(biāo)配系統(tǒng)。本研究以SUMITOMO HM-20S型醫(yī)用回旋加速器(日本住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社)為例，闡述C靶的結(jié)構(gòu)、工作原理、常見故障以及C靶的使用管理。

1 醫(yī)用回旋加速器C靶系統(tǒng)

靶系統(tǒng)是完成特定核反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)核素的裝置。C靶系統(tǒng)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(tǒng)主要包含氣體填充裝置、C靶體、水冷系統(tǒng)和氦(He)冷系統(tǒng)[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(shí)，打開自動(dòng)填充系統(tǒng)，電磁閥打開，將減壓閥預(yù)設(shè)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(jié)構(gòu)

C靶體是直接插入到真空腔壁槽內(nèi)，通過(guò)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(dú)立的，可單獨(dú)拆卸，卸下靶體，則不會(huì)影響真空。C靶體結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2.2 C靶體組裝

C靶體在維護(hù)后組裝，是一項(xiàng)重要工作。靶體的組裝主要是C靶靶膜的安裝，C靶組件經(jīng)超聲清洗，待靶體組件干燥后，將O圈放入靶體的凹槽內(nèi)，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(nèi)，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(yī)用回旋加速器C靶體結(jié)構(gòu)

1.2.3 C靶體安裝注意事項(xiàng)

C靶體安裝前，仔細(xì)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(shí)注意力度。

1.2.4 C靶體工作機(jī)制

C靶體檢漏過(guò)后，即可運(yùn)行加速器。C靶內(nèi)填充的為含有0.5%的O2的高純N2氣。C靶填充滿時(shí)靶內(nèi)的壓力為1.58 MPa，轟擊時(shí)的壓力為1.93～4 MPa。為防止轟擊C靶時(shí)產(chǎn)生大量的熱，使靶膜破裂，在開始運(yùn)行加速器時(shí)，同時(shí)打開He冷和水冷系統(tǒng)，對(duì)靶體進(jìn)行冷卻。當(dāng)C靶填充完，離子源和射頻系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，即可點(diǎn)擊轟靶。此時(shí)，束流通過(guò)引出系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)C靶前的真空膜和C靶的靶膜后轟擊氮氧混合氣，進(jìn)行核反應(yīng)。核反應(yīng)式為:14N+1H→11C+α，產(chǎn)生正電子核素11C。11C核素產(chǎn)量根據(jù)需要分別轟擊5～30 min，然后通過(guò)管道傳輸至合成模塊處進(jìn)行藥物合成。

1.3 He冷卻系統(tǒng)

He冷卻系統(tǒng)主要是打靶期間對(duì)真空窗和靶窗的真空膜和靶膜進(jìn)行冷卻。He氣在靶膜和真空膜之間高速循環(huán)，使膜間產(chǎn)生的熱能快速地經(jīng)過(guò)He氣傳送至熱交換器并由二級(jí)冷卻水將熱量帶出[3-4]。He冷循環(huán)系統(tǒng)見圖2。

圖2 He冷循環(huán)系統(tǒng)

1.3.1 He冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HM-20S型回旋加速器為A、B兩側(cè)8個(gè)靶位(圖2)，每個(gè)靶位均配有閥門。當(dāng)使用所選靶位時(shí)，對(duì)側(cè)相同位置閥門同時(shí)開啟。整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)為密閉系統(tǒng)，壓力超過(guò)限定壓力時(shí)，互鎖報(bào)錯(cuò)，此時(shí)不能正常運(yùn)行。

1.3.2 He冷卻系統(tǒng)工作機(jī)制

啟動(dòng)加速器前，首先選擇靶位，然后選擇對(duì)應(yīng)靶位的閥門和對(duì)側(cè)相應(yīng)靶位閥門為常開狀態(tài)。開啟加速器時(shí)，He冷循環(huán)同時(shí)開啟，打開閥門⑨，排除干凈循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)殘存氣體，關(guān)閉閥門⑨，打開閥門①、閥門⑩、He壓縮機(jī)、A側(cè)靶和B側(cè)靶所有閥門，進(jìn)行一個(gè)檢查循環(huán)，壓力表的壓力保持在0.14 MPa，流量計(jì)顯示流量正常后，關(guān)閉閥門①和未選靶位相應(yīng)閥門，He冷循環(huán)正式進(jìn)入工作狀態(tài)(圖2)。循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)壓力＜0.12 MPa時(shí)，打開閥門①進(jìn)行補(bǔ)充He氣，使壓力保持在0.12～0.14 MPa。

1.4 水冷系統(tǒng)

水冷系統(tǒng)分一級(jí)水冷和二級(jí)水冷兩部分，一級(jí)水冷主要用于冷卻二級(jí)水冷的循環(huán)水。加速器靶體冷卻由二級(jí)水冷負(fù)責(zé)(圖3)。

圖3 靶體水冷循環(huán)系統(tǒng)

1.4.1 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

加速器各系統(tǒng)的水冷系統(tǒng)為二級(jí)水冷，循環(huán)的冷卻水為去離子水，冷卻水通過(guò)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(hào)用于各相關(guān)設(shè)備的控制及安全聯(lián)鎖[5]。

1.4.2 水冷系統(tǒng)工作機(jī)制

水冷系統(tǒng)處于連續(xù)工作狀態(tài)，流經(jīng)每一個(gè)靶體。靶體散熱需水冷的水流量大，流量計(jì)的水流變小后，相應(yīng)連鎖裝置會(huì)出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)，查找原因，解決問題后，恢復(fù)運(yùn)行。

2 醫(yī)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(hù)好C靶是保證藥物合成的重要前提。

2.1 操作人員培訓(xùn)

回旋加速器應(yīng)由核醫(yī)學(xué)科物理和放射化學(xué)專業(yè)人員使用管理。經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，并考試合格，了解有關(guān)制度、規(guī)則和要求，具有獨(dú)立處理發(fā)生預(yù)警情況的能力，才準(zhǔn)許操作回旋加速器。使用管理人員應(yīng)全面了解加速器工作原理及可能發(fā)生的各種情況，加強(qiáng)對(duì)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?gòu)?fù)雜大型設(shè)備，應(yīng)設(shè)置專人管理和操作。C靶使用中出現(xiàn)的小問題和小故障應(yīng)當(dāng)能及時(shí)解決，回旋加速器日常尚有其他靶體運(yùn)行，因此內(nèi)部故障一般只能周末維修維護(hù)。

建立使用登記本(卡)，對(duì)開機(jī)情況、使用情況和出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)登記，可為C靶維修保養(yǎng)提供完整的技術(shù)資料[9-11]。

回旋加速器堅(jiān)持進(jìn)行日檢查、周維護(hù)和定期(2次/年)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，巡查中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題；廠商工程師定期(1次/年)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。C靶日常使用中嚴(yán)格按照表格要求填寫，即:機(jī)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(shù)，減少故障率。

保持廠商工程師聯(lián)系，及時(shí)得到廠商工程師指導(dǎo)，是降低停機(jī)率的有力保證。

2.3 機(jī)房環(huán)境

(1)機(jī)房溫度保持在(19±2)℃，C靶運(yùn)行中會(huì)釋放大量的熱，環(huán)境溫度過(guò)高，會(huì)加重設(shè)備的散熱負(fù)擔(dān)。散熱變差，產(chǎn)量下降，靶膜和真空膜易破裂。

(2)相對(duì)濕度為30%～60%，濕度過(guò)大，C靶在轟擊時(shí)，會(huì)使放射氣體中水含量過(guò)大，合成捕獲效率變差，同時(shí)縮短設(shè)備電子元器件壽命。

(3)每周進(jìn)行一次大掃除，使用吸塵器和拖把，禁用掃把，保持機(jī)房干凈。

(4)機(jī)房保持良好的通風(fēng)，有利于設(shè)備正常運(yùn)行。C靶為氣體靶，當(dāng)靶發(fā)生泄漏后，可快速通過(guò)通風(fēng)系統(tǒng)，將靶放射性氣體排出機(jī)房。

2.4 放射防護(hù)

(1)中子和γ射線輻射?；匦铀倨骷铀儋|(zhì)子轟擊填充氮氧混合氣的C靶體，發(fā)生14N(p，α)11C反應(yīng)，在生產(chǎn)11C的同時(shí)，尚產(chǎn)生α粒子和γ光子，γ射線穿透屏蔽墻可對(duì)加速器周圍環(huán)境和人群產(chǎn)生輻射。C靶運(yùn)行產(chǎn)生高能的γ射線，會(huì)使回旋加速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料活化，產(chǎn)生多種核素，因此在加速器剛停止轟擊C靶后進(jìn)入機(jī)房的人員易造成輻射危害[12]。

(2)安裝防護(hù)裝置。為防止轟擊C靶過(guò)程中人員誤入機(jī)房，防護(hù)門和加速器安裝連鎖裝置，只有防護(hù)門關(guān)閉加速器才能啟動(dòng)。機(jī)房入口處設(shè)置警示標(biāo)志燈，機(jī)房墻壁上設(shè)置γ射線報(bào)警探頭，在啟動(dòng)加速器轟擊C靶時(shí)警示標(biāo)志燈亮起，γ射線劑量超過(guò)閾值時(shí)，探頭發(fā)出警報(bào)[13-14]。

(3)提高使用管理人員放射防護(hù)意識(shí)。C靶使用管理和維修人員，應(yīng)遵循時(shí)間、距離和屏蔽防護(hù)3要素。因此，C靶出現(xiàn)故障時(shí)，需24 h或更長(zhǎng)時(shí)間的衰變后才能維修，C靶維修時(shí)應(yīng)在鉛L形屏風(fēng)后進(jìn)行，減少對(duì)身體的影響。

3 醫(yī)用回旋加速器C靶系統(tǒng)故障分析

3.1 核素產(chǎn)量下降

由于11C半衰期比較短，核素產(chǎn)量下降影響較大，即使增加打靶時(shí)間也難以彌補(bǔ)。導(dǎo)致核素產(chǎn)量下降的主要原因有填充靶壓過(guò)低、氣瓶氣體水分含量過(guò)高、靶膜低壓不漏高壓漏和束流位置未在靶心4個(gè)方面。

3.1.1 填充靶壓過(guò)低

混合氣氣瓶壓力過(guò)低時(shí)，填充進(jìn)靶體的氣體壓力會(huì)相應(yīng)降低。HM-20S型的C靶為氣體高壓靶，當(dāng)氣體壓力過(guò)低時(shí)，生產(chǎn)的核素產(chǎn)量下降。此情況需調(diào)節(jié)混合氣氣瓶上的減壓閥，使填充氣體的壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，若氣壓仍達(dá)不到，則更換新的混合氣瓶。

3.1.2 氣瓶氣體水分含量過(guò)高

由于模塊的11C捕獲是使用loop環(huán)浸泡在液氮中進(jìn)行捕獲，當(dāng)混合氣體氣瓶水分含量過(guò)高時(shí)，會(huì)使水汽在loop中結(jié)冰，堵塞管線，11C氣體不能通過(guò)。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(cè)，無(wú)泄漏報(bào)錯(cuò)，但在運(yùn)行過(guò)程中，碳靶的壓力會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)，靶體壓力呈階梯下降，表現(xiàn)為靶膜低壓下氣體無(wú)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(xiàn)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(zhǎng)時(shí)間使用后，射頻位置會(huì)產(chǎn)生輕微變化，此時(shí)可造成照射時(shí)不能照射在靶心。此情況在回旋加速器使用一段時(shí)間后應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器位置來(lái)調(diào)整束流位置，保證加速器在最好的工作狀態(tài)。

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(guò)程中，靶膜破損，會(huì)造成靶體內(nèi)的氣體泄漏到空氣中，此時(shí)γ射線輻射監(jiān)測(cè)報(bào)警儀會(huì)提示報(bào)警[13-14]。靶膜破損后需要24 h或更長(zhǎng)時(shí)間的衰變，才能卸下靶體進(jìn)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(shí)預(yù)設(shè)電流過(guò)大、水冷效率低靶壓過(guò)高和維護(hù)時(shí)間到期3個(gè)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(shí)預(yù)設(shè)電流過(guò)大

回旋加速器準(zhǔn)備完成后，需打開束流擋板進(jìn)行照射。設(shè)備參數(shù)為提前預(yù)設(shè)，當(dāng)預(yù)設(shè)電流過(guò)大時(shí)，瞬間束流過(guò)大，靶內(nèi)壓力升高，造成靶膜破損。此情況需修正預(yù)設(shè)參數(shù)，把束流擋板打開時(shí)的電流改小。

3.2.2 水冷效率低靶壓過(guò)高

水冷系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間使用后，會(huì)造成管道內(nèi)徑變小，這樣流速會(huì)相應(yīng)變低，此時(shí)就不能有效起到冷卻作用，使靶內(nèi)壓力一直處于增高狀態(tài)，最后造成靶膜破損。此情況需在加入內(nèi)循環(huán)水時(shí)應(yīng)當(dāng)使用去離子水，使用一段時(shí)間后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行必要的配件更換和維護(hù)。

3.2.3 維護(hù)時(shí)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(yīng)注意及時(shí)更換靶膜，此時(shí)若不進(jìn)行更換，很容易造成靶膜破損，從而使工作或?qū)嶒?yàn)無(wú)法進(jìn)行。

3.3 He冷卻系統(tǒng)故障

3.3.1 循環(huán)未打開

回旋加速器各項(xiàng)均啟動(dòng)后，此時(shí)加速器的束流擋板顯示“NOT READY”(沒有準(zhǔn)備好)的提示，He冷卻系統(tǒng)循環(huán)未打開，加速器進(jìn)入自我保護(hù)狀態(tài)，此時(shí)就不能打開束流擋板進(jìn)行照射。此情況一般均為加速器控制柜斷電后引起，需手動(dòng)打開He冷卻系統(tǒng)的控制界面，點(diǎn)擊WASH按鈕，將He冷卻系統(tǒng)WASH一遍，然后再點(diǎn)擊CIRCULATE(循環(huán))，He冷卻系統(tǒng)就可工作。

3.3.2 系統(tǒng)漏氣

He冷卻系統(tǒng)漏氣，會(huì)造成壓力過(guò)低，此時(shí)就不能有效地冷卻C靶系統(tǒng)，在進(jìn)行C靶照射時(shí)，靶壓快速升高，造成靶膜破損。此情況一般先進(jìn)行He冷卻循環(huán)系統(tǒng)的漏氣檢測(cè)，找到漏點(diǎn)進(jìn)行維修，然后再進(jìn)行漏氣檢測(cè)，直至循環(huán)壓力正常為止，He冷卻系統(tǒng)可正常循環(huán)。

3.4 水冷系統(tǒng)故障

3.4.1 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)堵塞

冷卻水循環(huán)系統(tǒng)堵塞一般指內(nèi)循環(huán)水管路堵塞，內(nèi)循環(huán)水主要進(jìn)行靶體冷卻，管路尤其是接頭部分使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)后會(huì)產(chǎn)生堵塞，使冷卻水的流量下降，無(wú)法滿足靶體冷卻，輕則造成產(chǎn)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(jìn)行管道更換。

3.4.2 水冷機(jī)故障

水冷機(jī)主要是外循環(huán)水，外循環(huán)水是冷卻內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)。氣溫升高時(shí)，水冷機(jī)故障率增加，主要為散熱不夠，或壓力過(guò)大造成壓縮機(jī)管道破裂。一般此情況，需先清理室外散熱風(fēng)機(jī)，保持散熱風(fēng)機(jī)的清潔，使風(fēng)機(jī)散熱效率更高；管道破裂一般表現(xiàn)為氟利昂泄露，使水冷機(jī)壓力表顯示失壓，這樣就只能停機(jī)，進(jìn)行管道更換。

4 結(jié)語(yǔ)

回旋加速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，任何一處出現(xiàn)問題，均影響設(shè)備正常運(yùn)行。靶系統(tǒng)是完成特定核反應(yīng)裝置，也是最容易出問題的系統(tǒng)，需操作維護(hù)工程師，熟悉和了解設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理，科學(xué)使用管理，及時(shí)排除一般性故障，短時(shí)間內(nèi)使設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。