CN104011803A - 制备放射性同位素的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生产放射性同位素的方法，该方法包括用给定电流的粒子束照射容纳在靶的密封室内的一定体积的放射性同位素前体流体，该束由粒子加速器产生。靶被冷却并且密封室中的内部压力被测量。在照射期间，密封室中的内部压力(P)允许自由地变化。当密封室的内部压力(P)偏离第一容限范围时，照射中断或其强度降低，第一容限范围根据在照射期间对密封室的内部压力的变化有影响的不同的参数来定义。对于给定的靶、粒子束和放射性同位素前体流体，这些参数例如包括：密封室的填充程度、用于冷却给定的靶的冷却能力和束电流(I)。本发明还涉及用于实施该方法的设备。

Description

制备放射性同位素的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于制备放射性同位素的方法以及实施该方法的设备。

背景技术

在核医疗领域，正电子发射断层造影术是需要发射正电子的放射性同位素或用这些相同的放射性同位素标记的分子的成像技术。放射性同位素¹⁸F是最常用的放射性同位素之一。其它常用的放射性同位素是：¹³N；¹⁵O；以及¹¹C。放射性同位素¹⁸F具有109.6分钟的半衰期，因此可以被输运到与其生产场所不同的地方。

¹⁸F最经常以其离子形式制备。通过用加速质子轰击包含富含¹⁸O的水的靶而获得它。已经开发出多种靶，全部都具有以更佳产率在短时间内制备¹⁸F的相同目标。通常来说，用于制备放射性同位素的设备包括质子加速器和通过冷却装置冷却的靶。该靶包含由束窗口密封的腔，以形成密封室，放射性同位素的前体以液体或者气体形式包含在其中。

通常，引导至靶的质子束的能量在数MeV至约20MeV的数量级。所述束能量导致靶加热以及含有放射性同位素前体的液体的蒸发。由于蒸汽相具有较低的制动能力，所以辐射束中的大量粒子穿过密封室而没有被放射性同位素的前体吸收，这不仅降低了放射性同位素的产量，而且还引起靶的进一步升温。这种公知现象一般称作“隧穿效应”。

目前已知可使用为密封室增压的系统来降低隧穿效应的幅度，例如文献WO2010007174所描述的那样。所述系统用不活泼气体为靶的密封室增压，从而增加密封室内的前体液体的蒸发温度。然而，这种方案具有如下缺陷，即，必须在靶的密封室内的更高压力下操作，这需要将靶设计成能够经受更高的压力。所述靶具有这样的缺陷，即，其必须被提供有比传统靶更大的壁厚。因此需要较高的束能量来照射放射性同位素前体。

文献JP2009103611描述了一种用于制备放射性同位素的设备，包括用于对密封室增压的系统，其能够维持密封室内的恒定内部压力。为了避免压力增大导致的束窗口破裂，文献JP2009103611提出了为密封室装备控制阀，如果密封室内的压力超过阈值，则允许受控地排出放射性同位素前体流体。该方案的缺点尤其在于导致密封室内容纳的放射性同位素前体流体的体积损失。而且一些放射性同位素前体流体可能非常昂贵，这意味着无论如何必须避免不适当的排放。为了阻止不适当的排放，靶的密封室内的工作压力必须充分低于排放压力。

在用于制备放射性同位素的靶被质子束日常照射数小时的情况下，靶的一些区域会随时间而变脆弱。照射室的加热因此可损坏用于对由束窗口封闭的腔进行密封的密封件，导致泄露。泄露还可发生在束窗口处。此外，对靶的照射产生二次辐射，其可损坏相邻的部件，例如管道、阀或为靶配备的压力传感器，同样引起泄露。虽然上述增压设备具有将放射性同位素前体流体维持在凝聚或半凝聚态的优点，但是照射室内的可能泄露和/或例如由于失误的阀引起的靶的充填不良不能被及时探测到。如果监视密封室中的内部压力的装置记录到该压力的下降，则增压装置将正常地向靶内注入不活泼气体以重新升高其内部压力。还应注意，由于对靶进行清洗且接着没有完全进行干燥而导致的杂质也可引起过压，这可能会被上述增压装置所掩盖。

当未充分填充的靶被照射时，除了获得差的放射性同位素产量之外，由于隧穿效应，靶的一些部分会迅速变热，甚至造成靶、密封件或束窗口变形。由于增压系统在压力改变时重新增大靶的内部压力，所以可能发生泄露而不能被及时探测到。

用放射性同位素流体前体填充密封室的程度越大，密封室内的压力在照射期间增大的就越多。而如果密封室内的内部压力超过某阈值，则这将引起束窗口的破裂，导致极端严重的后果。

因此，不仅必须防止由于压力增大而导致束窗口破裂，而且还必须及时检测到泄露问题或不充分填充。

发明内容

本发明的一个目的是当制备放射性同位素时及时探测到泄露问题和靶的填充不充分问题，并且阻止由于所述隧穿效应或者由于压力过度增大而引起的靶的劣化。

该目的通过权利要求书中描述的方法或装置来实现。

更具体地，根据本发明的方法包括以下步骤：使用由粒子加速器产生的给定电流的粒子束照射容纳在靶的密封室内的放射性同位素前体流体的体积。靶被冷却，并且密封室中的内部压力被测量。根据本发明的一个方面，允许在照射期间自由地建立密封室中的内部压力(P)，而不需要通过注入增压气体和/或使用减压阀来尽力控制该压力，当密封室中的内部压力(P)移到第一容限范围外时，照射中断或其强度降低，第一容限范围是关于对照射期间密封室中的内部压力的改变有影响的不同参数定义的。对于给定的靶和给定的放射性同位素前体流体，所述参数特别地包括密封室的填充程度，靶的冷却能力和束电流强度(I)。

采用此操作方式，当压力落在第一容限范围的下限以下时，照射中断或其强度降低以避免对靶的过度加热。该下限对应于与最优内部压力相比过大的差异，该最优内部压力是针对包含给定体积的放射性同位素前体流体并且用给定的束电流强度照射的密封室确定的。

当压力超过第一容限范围的上限时，照射中止或其强度下降，以阻止束窗口由于密封室内的压力过度增大而破裂。可以定义该上限使得就束窗口的破裂压力而言提供足够的安全性。

将理解，该操作方式不需要任何增压气体的注入，增压气体将增加密封室内的总压力，也就是靶的标称设计压力，而且还可能有掩盖任何泄露的风险。该方法也不需要通过排放来减压，排放导致昂贵的放射性同位素前体流体的损失。

为了中断照射或减小其强度，通常直接对粒子加速器进行操作。然而，还可以对粒子束进行操作(例如，通过使束偏转，或者在其路径上插入障碍物)或对靶进行操作(例如，通过移动它离开粒子束的路径)。

优选地，针对给定的靶、给定的放射性同位素前体流体的体积、以及给定的靶的冷却能力，通过例如实验或利用数学模型来确定曲线P＝f(I)，其给出在不同的束强度(I)下的密封室的内部压力(P)。于是，第一容限范围具有基于曲线P＝f(I)针对给定的束电流强度(I)定义的压力下限和压力上限。内部压力的下限定义为其低于针对给定束强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值，优选地低5％和20％之间。内部压力的上限是处于针对给定束强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值与密封室的标称压力值(Pmax)之间的压力。标称压力值(Pmax)取值为表示密封室能保证的最大压力值。

第一容限范围中的内部压力的上限有利地比密封室的标称压力值(Pmax)低至少20％。这一般能针对束窗口的破裂提供足够的安全性。

优选地，第一容限范围中的内部压力的上限比针对给定束强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值高5到10bar之间，并且其最高值是比密封室的标称压力值(Pmax)低Xbar的压力值(P2)。采用这种操作方式，可以检测出密封室的差的填充，或有可能由于室的清洗而引入的杂质，并且因此防止当束强度达到高值时压力的过快上升。

当所述密封室中的内部压力(P)移到针对所述给定束电流强度(I)、给定的放射性同位素前体流体的体积以及给定的所述靶的冷却能力定义的第二容限范围外时，控制装置有利地触发警报，第二容限范围包括在第一容限范围内。操作者因此被警告密封室内的压力改变，其迅速有导致照射中断的风险，并且操作者可选地仍能阻止这种自动中断。

第二容限范围具有基于上述曲线P＝f(I)确定的压力下限和压力上限。第二容限范围中的内部压力的下限定义为比针对给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值低，优选低至少2％，然而同时保持比第一容限范围中的内部压力的下限更高。第二容限范围中的内部压力的上限定义为比针对给定的束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值高，同时保持低于第一容限范围中的内部压力的上限。

当密封室中的内部压力(P)超过定义为比针对给定的束强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值更高的内部压力的上限，但是低于第一容限范围中的内部压力的上限时，有利地减小束电流。采用这种方式，可选地仍可以中断照射。

密封室的填充程度有利地被优化，从而获得放射性同位素产物的高产率。

放射性同位素前体有利地是¹¹C、¹³N、¹⁵O或¹⁸F的前体。

还公开了一种用于实施上述方法的装置。该装置包括：具有能容纳一定体积的前体流体的密封室的靶，该密封室保证能经受标称压力(Pmax)；能产生给定强度(I)的粒子束并且将粒子束引导至靶上的粒子加速器；用于监视密封室的内部压力的系统；以及编程为当密封室中的内部压力(P)移到与对照射期间密封室内的压力变化有影响的不同参数相关的所确定的第一容限范围外时，中断粒子束或减小其强度的控制装置。

控制装置有利地编程为当密封室的内部压力位于包括在所述第一容限范围内的第二容限范围外时，触发警报。

控制装置还可以有利地编程为当所述密封室中的内部压力(P)超过内部压力的上限时，引起束电流强度的减小。

在一优选实施例中，控制装置被编程有曲线P＝f(I)，曲线P＝f(I)给出针对给定体积的放射性同位素前体流体和给定的所述靶的冷却能力，在不同的束电流强度(I)下密封室的内部压力(P)；曲线P＝f(I)被控制装置用于确定作为束电流强度(I)的函数的所述第一容限范围。

附图说明

本发明的其它特征和优点将通过下面结合附图对本发明的不同实施例的详细描述而变得明显，附图中：

图1是根据本发明的用于产生放射性同位素的装置的示意图；

图2是曲线图，示出了实验曲线P＝f(I)，曲线P＝f(I)说明了作为束强度(I)的函数的内部压力的趋势，还示出了针对给定几何构型的靶、给定的冷却能力和给定体积的放射性同位素前体，内部压力容限范围的曲线。

附图标记说明

10放射性同位素生产装置  32 三通阀

12靶                    34 容纳放射性同位素前体的储蓄库

14密封室                36 移液设备

16冷却回路              38 管道

18粒子加速器            40 接收照射产物的器皿

20粒子束                42 溢流容器

22束窗口                44 管道

24压力传感器            46 具有吹扫气体的储蓄库

26数据总线              30 多路阀

28控制设备

具体实施方式

基于图1中的示意图示出根据本发明的用于生产放射性同位素的装置10的非限制性实施例。装置10包括靶、整体标记为附图标记12。靶12包括容纳一定体积的放射性同位素前体流体的密封室14。如所知的那样，其配备有冷却回路16。

装置10还包括能够产生加速粒子束20的粒子加速器18，束20被引导至靶12上以照射密封室14中的放射性同位素前体。束20通过束窗口22进入密封室14，束窗口22具有数十微米左右的厚度。靶12能够经受的最大内部压力尤其取决于该束窗口的厚度。术语靶12的标称压力(Pmax)被赋予给靶的制造者确保的密封室14中的最大内部压力。只要密封室14中的内部压力保持低于标称压力(Pmax)，靶的制造者就保证束窗口22将是耐压的。标称压力(Pmax)显然是密封室14的几何构型的函数。

附图标记24表示压力传感器的示意图，其测量密封室14中的内部压力。代表所测量的压力的信号通过例如数据总线26传输至控制装置28。基于该压力信号，控制装置28连续地或几乎连续地监视密封室14中的压力。

装置10有利地包括多路阀30，其允许密封室14与不同的辅助设备连通。阀30的第一端口A例如连接至三通阀32，三通阀32本身连接至容纳放射性同位素前体的储蓄库34，并且连接至移液装置36，例如注射器。第二端口B通过管道38连接至密封室14的第一端口，用于密封室14的填充或排放。第三端口C连接至器皿40，用于当照射完成时接收照射产物。第四端口D连接至溢流容器42，用于收集注入到密封室14中的过多流体。第五端口E通过管道44连接至密封室14的第二端口。管道44用于排出注入到密封室中的过多流体和向密封室14加入吹扫气体。该吹扫气体容纳在与第六端口F相连的储蓄库46中。

控制系统12控制不同的阀30和32、移液设备36、冷却装置16、吹扫气体瓶10的流速、以及粒子加速器18。在密封室14的填充过程中，阀30连接端口A与端口B，端口D与端口E。三通阀32连接容纳放射性同位素前体的储蓄库34和移液设备36，其抽取一定量的含有放射性同位素前体的流体。三通阀32然后连接阀30的端口A和移液设备36。移液设备36然后能够将含有放射性同位素前体的流体注入到密封室14中，任何过量流体都朝溢流容器42排出。当密封室14被填充后，阀30关闭所有端口，加速器18产生照射靶12的束。当靶12的照射完成时，阀30连接端口F至端口E，端口B至端口C，从而吹扫气体可被注入到密封室14中，被照射了的流体可从靶12排出从而被收集在用于照射产物40的器皿中。

注意，在靶12的照射操作期间，使密封室14中的内部压力(P)可自由地设置其本身。这意味着不需要设备来基于使用增压气体的增压系统和使用排出阀的减压系统控制密封室14中的内部压力。

密封室14中的内部压力(P)通过压力传感器24测量，并被控制装置28监视。当内部压力(P)移至所定义的第一容限范围外时，控制器28仅中断靶12的照射或减小其强度。注意，对于给定的靶12，第一容限范围明确地针对束20的电流强度I、容纳在密封室14中的放射性同位素前体流体的体积V以及靶12的冷却能力来定义。(通常地，冷却能力维持恒定)。

控制系统12因此被编程为当密封室14中的内部压力(P)移至所定义的第一容限范围外时，中断靶12的照射。有利地，其编程为当密封室14中的内部压力(P)移至包括在第一容限范围内的所确定的第二容限范围外时触发先前的警报和/或减小照射强度。

现在将参考图2说明这些容限范围的一个有利的定义，图2中特别地给出了实验曲线P＝f(I)，其表示针对给定的靶12、密封室14中特定体积的放射性同位素前体流体以及特定的靶12的冷却能力，作为束电流强度(I)的函数的密封室14中的内部压力(P)的变化。图2所示的曲线P＝f(I)的示例例如是针对具有3.5ml的体积、填充有2.5ml体积的放射性同位素流体的给定几何构型的密封室14来确定的。为了记录该曲线P＝f(I)，束强度逐渐增大，使用压力传感器24测量靶的内部压力。执行该测量直到达到针对大约60μA的束电流强度I向靶12保证的标称压力值(Pmax)。在整个测量中，冷却液体的流速维持基本恒定，进入靶12的冷却液体的输入温度也如此。

将注意到，图2所示的曲线P＝f(I)对于本发明不是限制性的。曲线P＝f(I)关于加速器产生的束的质量、靶的几何构型、冷却能力、以及放射性同位素前体流体的体积和类型而变化。曲线P＝f(I)理论上还可通过考虑到束、放射性同位素前体流体的体积、冷却系统的冷却能力、靶12的几何构型、以及放射性同位素前体流体的特性等的参数通过仿真来确定。

第一容限范围具有压力下限和压力上限，二者都根据曲线P＝f(I)针对所述给定的束电流强度(I)来确定。内部压力的下限定义为比针对给定束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值低，优选低5％至20％之间。在图2中，曲线f(I)＝P-(0.2*P)，表示例如其中内部压力下限定义为比针对给定束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值低20％的情形。内部压力的上限是位于针对给定束电流强度从曲线P＝f(I)推出的压力值和密封室的标称压力值(Pmax)之间的压力。其有利地比针对给定束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值高5和10bar之间，并且其最大值是比密封室14的标称压力值(Pmax)低的压力值(P2)。图2中的曲线f(I)＝P+5表示例如其中内部压力的上限确定为比针对给定束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值高5bar的情形。在图2中，内部压力的上限优选固定在值P2＝30bar，其表示等于40bar的标称压力Pmax的75％。

第二容限范围包括在第一容限范围内，并且也位于曲线f(I)＝P附近。第二容限范围中的内部压力的下限定义为比针对给定束强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值低，优选低至少2％，同时保持高于第一容限范围中的内部压力的下限。第二容限范围中的内部压力的上限定义为比针对给定束强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值高，同时保持低于第一容限范围中的内部压力的上限。

第二容限范围的示例也示于图2中。内部压力的下限由曲线f(I)＝P-(0.1*P)示出，内部压力的上限由曲线f(I)＝P+2示出。

同样控制束电流强度的控制装置12有利地编程为当密封室14中的内部压力(P)超过内部压力的上限时，使束电流强度减小。该上限定义为比针对给定束电流强度(I)从曲线P＝f(I)推出的压力值更大，但是低于第一容限范围中的内部压力的上限。

为了优化该方法，特别地可以对密封室14的填充程度进行操作。为了优化放射性同位素产物的产量，优化密封室的填充程度是有用的。已知密封室的标称压力值(Pmax)，同时测量密封室的内部压力，针对不同体积的放射性同位素前体流体，用束电流照射靶确定的时段(例如2小时)以不超过标称压力(Pmax)。然后计算针对每个体积的放射性同位素产物的产量。放射性同位素产物的产量曲线绘制为室的填充程度的函数，其实际上在临界体积填充以上和上方展示出恒定产量，在该同一临界体积填充以下产量剧烈下降。为了最小化靶中的压力约束，同时最小化隧穿效应，密封室的体积填充被固定，其对应于该临界体积填充或稍微更高的体积填充，压力曲线P通过实验确定，或针对密封室的体积填充的该程度根据束电流强度I理论上确定。

注意，该描述的装置和方法特别适于放射性同位素例如¹¹C、¹³N、¹⁵O或¹⁸F的生产。

Claims (13)

1.一种用于生产放射性同位素的方法，包括：

使用由粒子加速器产生的给定电流强度的粒子束照射容纳在靶的密封室中的一定体积的放射性同位素前体流体；

冷却所述靶；以及

测量所述密封室中的内部压力；

其特征在于：

在所述照射期间允许自由地建立所述密封室中的所述内部压力(P)；且

当所述密封室中的内部压力(P)移至第一容限范围外时，所述照射被中断或其强度降低，所述第一容限范围确定为在所述照射期间对所述密封室中的内部压力的变化有影响的不同的参数的函数，针对给定的靶、给定的粒子束和给定的放射性同位素前体流体，所述参数包括所述密封室的填充程度、所述靶的冷却能力和所述束电流强度(I)。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

针对给定体积的放射性同位素前体流体和给定的所述靶的冷却能力，定义曲线P＝f(I)，其给出在不同的束电流强度(I)下，所述密封室的内部压力(P)；

所述第一容限范围具有根据所述曲线P＝f(I)，针对所述给定的束电流强度(I)定义的压力下限和压力上限；

所述内部压力的下限定义为比针对所述给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值低，优选低5％至20％之间；且

所述内部压力的上限是介于针对所述给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值与所述密封室的标称压力值(Pmax)之间的压力，所述标称压力值(Pmax)取值为表示所述密封室保证的最大压力值。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第一容限范围中的内部压力的上限比所述密封室的标称压力值(Pmax)低至少20％。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述第一容限范围中的内部压力的上限比针对所述给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值高5至10bar之间，并且其最大值是比所述密封室的标称压力值(Pmax)低的压力值(P2)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中当所述密封室中的内部压力(P)移至第二容限范围外时，控制装置触发警报，所述第二容限范围定义为在照射期间对所述密封室中的内部压力的变化有影响的不同的参数的函数，所述第二容限范围包括在所述第一容限范围内。

6.根据权利要求5所述的方法，其中：

曲线P＝f(I)是针对给定体积的放射性同位素前体流体和给定的所述靶的冷却能力而确定的，给出在不同的束电流强度(I)下所述密封室的内部压力(P)；

所述第一容限范围具有根据所述曲线P＝f(I)针对所述给定的束电流强度(I)定义的压力下限和压力上限；

所述第二容限范围具有根据所述曲线P＝f(I)定义的压力下限和压力上限；

所述第二容限范围中的内部压力的下限定义为比针对所述给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值低，优选低至少2％，同时保持高于所述第一容限范围中的内部压力的下限；且

所述第二容限范围中的内部压力的上限定义为比针对所述给定的束电流强度(I)从所述曲线P＝f(I)推出的压力值高，同时保持低于所述第一容限范围中的内部压力的上限。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中当所述密封室中的内部压力(P)超过所述第一容限范围内设定的内部压力的上限时，束电流减小。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中针对设想的束电流在实验上优化所述密封室的填充程度。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述放射性同位素前体是¹¹C、¹³N、¹⁵O或¹⁸F的前体。

10.一种用于实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法的设备，包括：

具有能够容纳一定体积的前体流体的密封室的靶，所述密封室保证能经受标称压力(Pmax)；

能产生给定电流强度(I)的加速粒子束并将其引导至所述靶上的粒子加速器；

监视所述密封室的内部压力的系统；

其特征在于，所述设备包括控制装置，所述控制装置被编程为当所述密封室中的内部压力(P)移至第一容限范围外时，中断所述粒子束，所述第一容限范围确定为在照射期间对所述密封室中的内部压力的变化有影响的不同的参数的函数。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制装置被编程为当所述密封室中的内部压力位于第二范围之外时触发警报，所述第二范围包括在所述第一容限范围内。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其中所述控制装置被编程为当所述密封室中的内部压力(P)超过包括在所述第二范围中的内部压力的上限时，使所述束电流的强度减小。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的设备，其中所述控制装置被编程有曲线P＝f(I)，所述曲线P＝f(I)针对给定体积的放射性同位素前体流体和给定的所述靶的冷却能力，给出在不同的束电流强度(I)下所述密封室的内部压力(P)，所述曲线P＝f(I)由所述控制装置用于定义作为束电流强度(I)的函数的所述第一容限范围。