CN104784713A - 一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置 - Google Patents

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一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，该装置由回旋加速器、热室、化学合成模块、质检系统和分装系统所组成。回旋加速器产生的同位素被放入化学合成模块，在熱室中反应，合成为医用同位素标记药物，经过质检合格后，由分装系统装入特定容器，交给病患使用。所述回旋加速器采用低温超导材料或高温超导材料制成的高密度线圈，辅以磁化的电工软铁或硅钢片等铁磁介质，产生高强度磁场。所述回旋加速器采用完全闭循环的低温冷却器制冷，超导线圈可以泡在液氦中或采用与液氦不直接接触的传导冷却降温。本发明装置体积和重量都大大减小，效率大大提高，适用于医疗系统使用。

Description

一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置
 
技术领域    
本发明涉及一种基于超导加速器技术的稀有同位素（正电子标记药物）制备装置，属高端医疗装备领域。
背景技术    
分子影像技术的发展，为癌症和心脏病的早期无创诊断提供了最佳的手段，其中最具代表性的技术的是PET/CT。PET/CT的全称叫正电子发射断层显像/X光计算机体层成像。这个显像技术是将极其微量的正电子同位素标记药物注射到人体内，然后采用体外测量仪器（PET）探测这些正电子标记药物在人体全身各脏器的分布情况，通过计算机断层显像的方法显示人体的全身主要器官以及大脑、心脏的生理代谢功能和结构，是目前最先进的影像诊断技术之一。PET/CT在癌症早期诊断和冠心病的诊断中具有高度准确性，目前已经大量临床应用于肿瘤早期诊断，分期和治疗效果判定以及冠心病的诊断和评估。随着诊断老年痴呆症的正电子同位素标记药物被批准，PET/CT的应用将进一步推广。
生产PET/CT成像用到的正电子同位素标记药物需要医用回旋加速器、熱室、化学合成模块、质检设备、分装系统等一系列设备。加速器产生特定能量的质子束流，轰击含有正电子药物制备原料的靶体，进行辐射化学反应，产生所需的同位素离子。然后将同位素离子放入化学合成模块，在热室中合成适用的标记药物。然后通过质检，再将药物分装，供医院和病人使用。
其中医用回旋加速器是核心，占总投资的50%以上，如果计入加速器需要的建筑和屏蔽设施，则占到总投资的80%以上。
目前使用的传统的医用回旋加速器都采用常温磁铁技术。而且传统的医用回旋加速器主要由西方厂商生产，体积大，重量高，价格昂贵。一般而言，一台加速器重量在10～20吨，还需要数十吨的防辐射墙，总共需占用至少30～40平米的专用空间，通常只能放在医院的地下室。总的设备和实施费用在2000万人民币以上。而且操作复杂，通常需要三个专业的操作人员（物理师、化学师和药剂师）。
高昂的前期费用，苛刻的安装条件以及复杂昂贵的运行维护，极大的限制了传统的医用回旋加速器进入实际使用。而没有加速器，就没有正电子同位素标记药物，这直接影响了PET/CT应用的推广，使广大病人不能享受到分子影像技术带来的先进的诊断，也限制了我国核医学事业的发展。
因此越来越需要一种体积小、重量轻、价格便宜的正电子同位素示踪药物的制备方法。
发明内容    
本发明的目的是利用超导技术以及其他一系列软硬件技术，公开一种体积小、重量轻、无辐射（自屏蔽）、节约耗材、维护方便的正电子同位素标记药物的制备设备。
实现本发明的技术方案是，本发明一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，由回旋加速器、热室、化学合成模块、质检系统和分装系统所组成。回旋加速器产生的同位素被放入化学合成模块，在熱室中反应，合成为医用同位素标记药物，经过质检合格后，由分装系统装入特定容器，交给病患使用。
本发明在回旋加速器的设计上采用低温超导材料（如Nb3Sn、NbTi或Nb3Al）或高温超导材料（如YBCO或BSCCO）制成的高密度线圈，辅以磁化的电工软铁或硅钢片等铁磁介质，产生高强度磁场。此磁场用于约束质子的回旋（同心螺旋线）运动。本发明制作的超导材料的最大电流密度可以达到2000安培/平方毫米到10000安培/平方毫米，从而形成远远高于常温磁铁的饱和磁场（约2特斯拉）的磁场强度。在忽略相对论效应（制备正电子同位素示踪药物所需的质子束流通常在10～20MeV，尚远低于光速）的情况下，对于特定能量的质子，其回旋半径与约束磁场强度成反比。越高的磁场可以将束流约束在越小的半径里，从而减小整个设备的体积。本发明采用4特斯拉以上的平均磁场，峰值磁场可以达到7特斯拉甚至更高，从而将小于20MeV的束流约束在半径20厘米以内。这样极大的减轻了整个加速器的体积和重量。
本发明的机械设计将铁磁介质自身也作为线圈的支撑、保温以及束流和放射化学反应的辐射屏蔽，从而减少了附加的支撑结构和辐射屏蔽材料，进一步减少体积并减轻重量。
本发明采用完全闭循环的低温冷却器制冷，超导线圈可以泡在液氦中或采用与液氦不直接接触的传导冷却降温。与线圈接触并提供支持的铁磁介质也一并降温。这样由于铁磁介质的大热容量，极大的减少了线圈升温导致突然失超的可能。由于本发明采用完全闭循环的低温冷却器，无需定期补充液氦，减少了维护。
本发明改进了传统的双DEE盒设计，只用一个DEE盒，留出空间。同时改进了磁场设计，使得外圈磁场非中心对称且梯度沿离心方向逐渐变大，从而扩大束流运动螺旋线的圈圈间隔，便于在外圈放置内置靶，从而避免了复杂的束流引出设计。而且这样束流本身，束流轰击靶体时的放射化学反应及反应产物（同位素离子）都被铁磁介质包围，有效的屏蔽了辐射。
目前使用的传统的医用回旋加速器由于价格昂贵，实施成本高昂，必须通过提高产量来降低单位剂量成本，因而多采用大流强设计，流强为几十到一百微安不等，个别甚至高达300微安。这样靶上功率大（以12MeV质子，100微安计，靶上功率1.2千瓦）,每次运行（两小时）可产生3居里甚至20居里的同位素离子。但是靶上功率大无法内置，靶体易损坏，且辐射剂量大，屏蔽需求高。而且由于同位素离子的衰变，如不立即使用的部分逐渐失去活性，形成对耗材的浪费。
而本发明的离子源采用低流强设计（10～20微安），降低靶上功率。这样可以提高靶体的可靠性，减少了常见的靶体破裂导致的设备可用性问题。而且较低的流强轰击靶体引起的辐射较小，单次产生的放射性同位素离子较少，不会超过我们的铁磁介质形成的屏蔽可以保护的范围。
同时小流强设计虽然产率低（约100～200毫居里每十分钟），但可以即制即用，减少了无谓的衰变损失，降低了耗材的成本。
本发明的有益效果是，由于本发明的设计，使得加速器直径小于1米，高度低于1.2米，重量不超过2吨，且无需外加辐射屏蔽材料。这样大大降低了对安装条件的要求，从而极大的降低了实施成本，而且使得整体置换成为可能。当设备故障时，无需现场维修，只需直接替换设备，从而简化了维护流程，避免了用户的时间损失。
本发明适用于医疗系统使用。
附图说明    
图1为本发明正电子同位素标记药物的制备设备外形图。
具体实施方式
本发明实施例一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，由回旋加速器、热室、化学合成模块、质检系统和分装系统所组成。回旋加速器产生的同位素被放入化学合成模块，在熱室中反应，合成为医用同位素标记药物，经过质检合格后，由分装系统装入特定容器，交给病患使用。
本实施例中的回旋加速器，包括磁铁/电源系统、低温系统、射频系统、离子源系统、真空系统、靶系统、冷却系统和集成控制系统。集成控制系统通过采用PLC和FPGA技术，全面管理其它系统。
本实施例装置的磁铁/电源系统中，磁铁设计采用铌三锡超导材料，可以达到近千安培每线的电流密度。同时使用先进的磁铁设计仿真软件，优化铁芯设计，从而稳定可靠的实现约4.46特斯拉的中心磁场强度。本实施例装置的周边磁场设计，可以很好的配合内置靶系统工作。
本实施例装置的低温系统采用采用改进的cryo-cooler和conduction cooling技术，以及冷磁芯技术，将整个磁铁系统冷却到4K左右。并辅以很好的真空隔离，使得整个系统有效可靠的保持超导。
本实施例装置的离子源采用低流强设计（10～20微安），降低靶上功率。这样可以提高靶体的可靠性，减少了常见的靶体破裂导致的设备可用性问题。而且较低的流强轰击靶体引起的辐射较小，单次产生的放射性同位素离子较少，不会超过我们的铁磁介质形成的屏蔽可以保护的范围。
本实施例装置的射频系统包括低电平系统，固态放大器和共振腔等。本实施例的设计采用67.8MHz频率，每圈最大加速40KeV。通过优化设计，减少空间占用，支持内部靶系统，同时提高了系统的可靠性。
整个装置封装在低温恒温器中。通过绝热的支柱和真空将内部封装与外界热隔离。整个磁铁系统在内部封装内，通过真空和绝热支柱与内部封装进一步隔离。磁芯将上下各一个超导线圈包裹其中，并通过对磁铁尖部的优化设计实现高场强。同时磁芯将加速盒包裹其中，提供屏蔽。真空泵和低温冷却器，束流测试系统和靶系统分别安装在装置中。
本发明实施例将超小型超导回旋加速器与熱室、化学合成模块、质检设备以及分装机械手无缝集成，形成一键操作，减少操作人员和占地面积，大大提高了使用效率。

Claims (8)

1.一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述装置由回旋加速器、热室、化学合成模块、质检系统和分装系统所组成；回旋加速器产生的同位素被放入化学合成模块，在熱室中反应，合成为医用同位素标记药物，经过质检合格后，由分装系统装入特定容器，交给病患使用。
2.根据权利要求1所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述回旋加速器采用低温超导材料或高温超导材料制成的高密度线圈，辅以磁化的电工软铁或硅钢片等铁磁介质，产生高强度磁场。
3.此磁场用于约束质子的回旋运动；所述超导材料的最大电流密度可以达到2000安培/平方毫米到10000安培/平方毫米；平均磁场达4特斯拉，峰值磁场可以达到7特斯拉，从而将小于20MeV的束流约束在半径20厘米以内。
4.根据权利要求1所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述回旋加速器机械结构上将铁磁介质自身也作为线圈的支撑、保温以及束流和放射化学反应的辐射屏蔽，从而减少了附加的支撑结构和辐射屏蔽材料。
5.根据权利要求1所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述回旋加速器采用完全闭循环的低温冷却器制冷，超导线圈可以泡在液氦中或采用与液氦不直接接触的传导冷却降温；与线圈接触并提供支持的铁磁介质也一并降温；极大的减少了线圈升温导致突然失超的可能；由于本发明采用完全闭循环的低温冷却器，无需定期补充液氦。
6.根据权利要求1所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述回旋加速器的离子源采用低流强设计，降低靶上功率；这样可以提高靶体的可靠性，减少了常见的靶体破裂导致的设备可用性问题；而且较低的流强轰击靶体引起的辐射较小，单次产生的放射性同位素离子较少，不会超过我们的铁磁介质形成的屏蔽可以保护的范围。
7.根据权利要求2所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述低温超导材料包括Nb3Sn、NbTi或Nb3A；所述高温超导材料包括YBCO或BSCCO。
8.根据权利要求5所述的一种超小型化的正电子、分子影像标记药物的制备装置，其特征在于，所述低流强设计，低流强为10～20微安。
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