.20《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4收稿日期：2011-03-29作者简介：朱虹，南京军区南京总医院核医学科主任；方可元，化学工程师PET/CT(Positron emission computed tomography/CT ，正电子发射型计算机断层显像/X 线CT 显像仪)利用图像融合技术，综合了PET 功能、分子代谢影像与CT 精细解剖影像的优势，结合正电子放射性核素标记的多种分子探针的应用，在恶性肿瘤早期诊断与肿瘤分期分级、临床疗效评估与随访监测，良、恶性病变鉴别，协助临床治疗方案决策和放疗生物靶区确定，以及探索肿瘤生物学特征等方面具有极为重要的作用，在心脑血管疾病、神经变性性疾病、癫痫等的诊断、评估等方面有独特价值，在临床的应用不断增加[1,2]。
标记各种分子探针所必需的正电子放射性核素如18F(氟-18)、11C(碳-11)、13N(氮-13)等的半衰期一般都很短，依赖于医用回旋加速器即时生产制备。
随着我国PET/CT 应用的迅速发展，对医用回旋加速器的需求也快速增长，据2010年全国调查，国内医用回旋加速器需求的年增长率达两位数[2]。
本文分析医用回旋加速器的结构组成和性能特点，介绍相关技术进展。
1 医用回旋加速器工作原理[3~5]回旋加速器是“粒子加速器”的一种，其设计、制造的理论基础是拉摩尔定律和劳伦斯回旋加速理论。
现代回旋加速器则结合了托马斯提出的磁场强度随方位角变化的AVF 原理，采用规律变化的磁场系统，修正粒子加速过程中的相位移动、相对速度减慢和粒子回旋频率变化等，提高粒子加速效率和聚焦度。
图 1 回旋加速器工作原理示意图1.1经典劳伦斯(wrence)回旋加速器回旋加速器的核心结构是磁场系统和射频(RF)系统，性能要求很高。
为防止带电粒子运动中与其他原子碰撞损失能量，需置于真空(系统)，因此对真空条件的要求也很高。
图1是经典的wrence 回旋加速器原理示意图，两块磁铁上、下隔开放置，在两磁极间形成一个均匀磁场(B)，两个半圆形的金属扁盒(D 形盒)隔开相对放置其中，D 形盒与高频振荡电源相联，在两个D 形盒的间隙处产生为粒子加速的交变.21《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4专题(核医学)Thematic Forum(Nuclear Medicine)电场，交变电场的中心位置是粒子源(Ion Source)，整个系统置于真空室内。
粒子源产生的带电粒子在D 形盒间隙电场作用下被加速，飞入D 形盒，进入D 形盒中的带电粒子不受电场作用，但受磁极间磁场的洛伦兹力作用，其运动遵循拉摩尔定律。
拉摩尔定律是带电粒子被反复回旋加速的理论基础之一，即恒定磁场中带电粒子的运动角频率(ωc)是一个常数，与粒子本身运动速度无关。
设磁场强度为B ，粒子电荷为q 、质量为m ，以速度v 飞入D 形盒，粒子将在磁场洛伦兹(Lorentz) 力F L (F L =Bvq)的作用下在与磁场垂直的平面上作圆周运动，设粒子圆周运动的半径为r ，则其离心力F →= mv 2/r ，平衡运动时离心力与向心力相等，即F →=F L ，故Bvq= mv 2/r ，等式变换得v/r=Bq/m=常数，此常数即是在恒定磁场中带电粒子的运动角频率ωc 。
带电粒子在D 形盒中作圆周运动飞行半圈后进入D 形盒间隙，此时D 形盒间隙的电极性刚好反转，再次为粒子加速，飞入另一个D 形盒，重复上述过程。
可见D 形盒电极性反转频率(即RF 系统的高频频率)必须与粒子在D 形盒中回旋飞行的频率(回旋频率，fc)相匹配，才能不断为粒子加速，这对射频系统的要求是很高的。
由于带电粒子在恒定磁场中的运动角频率ωc是一个常数，因此其圆周运动的回旋频率fc 和回旋周期(时间)也是一个常数，保持不变，只有当高频频率与粒子回旋频率fc 成整奇数倍关系时，才能实现不断为粒子加速，这种模式称为共振或谐振加速。
根据拉摩尔定律，带电粒子的运动角频率ωc=常数=Bq/m=v/r ，在相对论范围内，被加速粒子的电荷q 和质量m 大致不变，变化的是粒子的速度v ，因此，粒子每在D 形盒间隙电场作用下加速一次，速度v 加大，进入D 形盒则以大于前一次圆周运动的半径作圆周飞行，加速粒子的运动轨迹近似于螺旋运动。
如图2所示，处于中心位置的离子源高压电弧放电使气体电离，发射出带电粒子束流，带电粒子束流在D 形盒间隙电场作用下飞向D 形盒并被加速，进入D 形盒中的带电粒子不受电场作用，但受磁极间磁场的洛伦兹力作用而在垂直于磁场的平面内作圆周运动，飞行半圈后进入D 形盒间隙，此时D 形盒间隙电场的电极性改变，故粒子仍在电场作用下再加速飞入另一个D 形盒，继续作圆周运动飞行半圈再次进入D 复多次回旋飞行、加速，带电粒子到达圆周轨道最大半径并获得最大能量，被束流提取装置提取引出，轰击预定的靶料，得到相应的放射性核素。
图2 加速粒子运动轨迹示意图1.2托马斯(L.H.Thomas)等时性回旋加速器根据相对论理论，随着粒子被加速而不断向光速接近，不仅其动能增加，其相对论质量也会随之增加。
如前所述v/r=Bq/m ，则v=Bqr/m 或r=vm/Bq ，在匀强磁场中，随着粒子不断被加速，其相对论质量增加，在高频频率保持恒定时，则会导致其运动速度相对减慢、偏向圆心发生加速相位移动、粒子回旋频率发生改变(即回旋周期或时间不等)。
受此限制，经典回旋加速器的粒子能量难以超过每核子20多MeV 的能量范围，且束流聚焦度降低。
为克服上述不足，1938年托马斯(L.H.Thomas)提出了磁场强度随方位角变化的AVF 原理，并初步提出了扇形聚焦回旋加速器的概念，他建议采用规律排列的扇形磁铁使磁场沿方位角调变(调变磁场，即磁场强度沿方位角按一定规律周期性变化)，使粒子沿平衡轨道受到一个沿方位角周期性变化的磁场作用力，保证粒子轴向运动的稳定性，同时平均磁场沿半径扩大逐渐增强以保持严格谐振加速，满足回旋周期保持不变的等时性磁场要求。
这种调变磁场回旋加速器称为托马斯型回旋加速器。
因为加速粒子的回旋频率(周期)保持不变，所以又称为等时性回旋加速器。
现代回旋加速器根据磁场分布形式，通过径向扇形磁铁结构、螺旋扇形磁铁结构、分离扇形磁铁结构等方式形成调变磁场。
图3为分离扇形磁铁结.22《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4专题(核医学)Thematic Forum(Nuclear Medicine)出现，可以人工生产出多种放射性的同位素，加速了医学临床研究的发展。
多属此类，加速离子均为带负电的氢离子，其优点是加速后高能粒子束流最终的引出效率高，几乎可达100%，缺点是获得高强度H -离子源的难度较大。
由于生产正电子核素的许多核反应是由正离子轰击靶材料的原子核来完成的，高能粒子束流引出时需要特定装置将其转变为正离子。
这一过程利用碳剥离膜来完成，碳膜被驱动装置定位在回旋加速器粒子旋转轨道最大半径上，当粒子束流的能量达到所需的最大能量时，所有出现在碳膜区域的负离子束必须穿过碳膜，带负电粒子的两个约束松弛的外层电子被剥离，转变为正离子。
由于磁场恒定不变，改变了电极性的粒子束受到与原来相反方向的磁场力的作用而改变了运动方向，从而被引出而进入靶室。
设计安放碳剥离膜的位置可影响、调整束流引出能量，并能够调整引出束流引导进入特定的同位素生产靶。
(3)单粒子加速器单粒子加速器仅加速单一的离子。
(4)多粒子加速器多粒子加速器可以对两种以上的带电粒子进行加速，利用多种核反应谱来完成所需正电子核素的生产。
现代医用回旋加速器大多可加速负氢离子，也能加速氘核，但加速氘核很少用。
2.2根据粒子加速平面与地平面的关系分类根据提供粒子束流加速平面与地平面是平行或垂直，可将回旋加速器分为垂直加速平面回旋加速器(立式加速器)和水平加速平面回旋加速器(卧式加速器)两类。
(1)立式加速器其优点是占地面积小和所需要的空间高度低。
它的磁轭门可以像冰箱门一样向一边打开，容易进入真空室内部，能清楚地观察中心区域的装置，便于维修和更换元件。
立式加速器的设计可以使靶局限化，靶产生的放射性局限在一个区域，有利于辐射防护。
(2)卧式加速器需要较高的空间限度，并且在维修服务期间需要昂贵的液压起重系统向上打开另一半磁轭。
卧式加速器的靶常常在回旋加速器的周围，因此，回旋加速器的四周都分布有放射性。
图3 分离扇形磁铁构造及粒子束流轨迹示意图1.3医用回旋加速器工作原理现代医用回旋加速器多采用分离扇形磁铁调变磁场技术，属等时性回旋加速器范畴。
医用回旋加速器的工作原理是：带电粒子在磁场和交变电场作用下，反复在磁场做弯曲运动(回旋)并被交变电场反复加速，直至达到预期所需粒子能量，通过粒子束流引出系统引出，轰击靶系统中的靶材料，获得所需正电子放射性核素。
2 医用回旋加速器分类[4,5]2.1 根据加速粒子类别分类根据加速粒子电荷的不同，一般将现代医用回旋加速器分为正离子回旋加速器和负离子回旋加速器；根据可加速粒子的种类，又可分为单粒子加速器和多粒子加速器。
现代医用回旋加速器大多是负离子回旋加速器，多数可加速带负电荷的质子和氘核，又属于多粒子加速器。
(1)正离子回旋加速器用于加速带正电荷的粒子。
生产正电子核素的许多核反应是由正离子轰击靶材料的原子核来完成的，正离子回旋加速器直接将带正电荷的离子加速，轰击靶核获得正电子核素。
但加速后的高能正离子束需要由金属电极偏转板形成的偏转电场来完成束流的引出，在引出过程中，高能粒子束与金属电极板以及屏蔽材料之间发生碰撞会引起附加的辐射。
此类加速器医疗中不常用。
(2)负离子回旋加速器用于加速带负电荷的粒子。
现代医用回旋加速器.24《中国医疗器械信息》2011年第17卷第4期 Vol.17 No.4专题(核医学)Thematic Forum(Nuclear Medicine)F 靶、N 靶、C 靶；按靶物质的状态来分则可以分为气体靶和液体靶及固体靶。
一个完整的靶系统应包括靶体、准直器、靶膜、管路阀门及靶支持单元。
3.6真空系统回旋加速器的真空系统主要由真空腔、真空泵、真空计及控制部分组成，不同的生产厂家使用的真空设施也不尽相同，但通常为机械泵、油扩散泵、低温冷凝泵和涡轮分子泵。
在待机状态下，一般应保持在10-5pa 级真空度，运行时10-3pa 级，个别厂家特有的技术在运行时真空度也可达10-4pa 级。
良好的真空度可以减少加速的粒子与空气分子碰撞而产生能量损失，也可以保障射频系统的稳定工作。
3.7冷却系统冷却系统主要包括水冷却、风冷却及氦冷却。
水冷主要由一级水冷和二级水冷组成。
一级水冷为常规的水冷机组，根据运行需求，需要常年制冷；二级水冷为加速器内循环结构，此部分对水的电导率要求较高，通常都使用去离子水，主要用于冷却磁体、射频、离子源、靶体，所产生的热量交换给一级水冷系统带走，以达到系统降温的目的。