核医学科的“弹药车间”，医用回旋加速器都有哪些临床应用？

近年来，PET/CT技术在临床的应用不断增加，多种新型分子探针已广泛应用于临床。标记各种分子探针所需的医用正电子核素如氟-18(18F)、碳-11(11C)、氮-13(13N)及固体靶核素铜-64(64Cu)、锆-89(89Zr)、碘-124(124I)等的半衰期一般都很短，需要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。医用回旋加速器是服务于核医学诊疗的重要大型设备，是医用放射性核素的三大主要来源之一，属于二类射线装置，其主要通过加速带电粒子照射靶核而获得所需的正电子核素。那么医用回旋加速器的具体临床应用都有哪些呢?

玖源-11 型回旋加速器

图片来源：四川玖谊源粒子科技有限公司

医用回旋加速器的原理

医用回旋加速器可以根据本身设计的差异分为单束流回旋加速器与双束流回旋加速器，正离子回旋加速器与负离子回旋加速器，立式回旋加速器与卧式回旋加速器等。其结构主要由磁场系统、射频系统、离子源系统、束流引出系统、靶系统、真空系统、冷却系统、控制系统和诊断系统等主要部件组成。

医用回旋加速器的基本原理是：位于中心部分的离子源气体经过电离后发射出粒子束流，在半圆形电极盒(D盒)中运动。粒子束流在磁场和电场的作用下被不断加速，其运行轨道近似于螺旋形。粒子束流经过多次加速后圆周轨道半径达到最大值并获得最大能量，利用束流引出系统将此处的粒子提取出来，引入靶室照射靶物质发生核反应，从而产生所需要的医用放射性核素。

医用加速器工作原理示意图

原来医用回旋加速器的原理是这样，那么核医学科常用的放射性药物18F-FDG具体是如何制备的呢?

以日本住友10MeV质子能量回旋加速器(型号HM-10HC)为例，HM-10HC属于氢负离子(H-)加速器，其工作原理为高纯度H2进入离子源后被电离形成H-，RF射频系统将H-提取出来进入加速器真空腔体加速。束流旋转真空腔体一周经过2个D盒得到4次加速。随着束流速度的增加，束流旋转的半径越来越大，此时束流的速度与其旋转半径的比值保持不变，即旋转频率为一个常数，并与电极极性变化频率保持一致。当H-束流被加速至最大能量时，H-束流经过剥离碳膜被剥离两个电子而成为质子束流，将其引出加速真空腔并使其撞击重氧水(18O)发生18O(p，n)18F反应而产生18F-。回旋加速器生成的18F-传输至热室，经热室合成标记药物18F-FDG

医用回旋加速器的临床应用

在医学领域，医用回旋加速器常用于生产医用放射性核素，且主要以生产短半衰期的正电子核素为主，医用回旋加速器主要生产氟-18、碳-11、氮-13及固体靶核素铜-64、锆-89、碘-124等。根据医疗机构的特点和需求，医用回旋加速器必须具备占地面积较小、设备性能稳定性好、设备故障率低及设备操作系统通俗易懂等特点。医疗机构配置医用回旋加速器降低了核医学科室对厂家放射性药物的依赖，特别是解决了核医学对短半衰期正电子核素的需求问题，大大促进了核医学诊疗技术在医学领域的应用与研究。

医用回旋加速器生产常用放射性核素

18F的制备及应用

18F是医用回旋加速器制备的主要正电子核素，半衰期为109.8min，主要核反应式为18O(p，n)18F。与其他医用正电子核素相比，18F半衰期较长且标记灵活，易与含氨基、羟基、巯基等的化合物相结合，可取代有机分子中的氢原子、羟基和其他卤素原子，是比较理想的正电子示踪核素。18F标记的2-[18F]-氟-2-脱氧-D-葡萄糖 (18F-FDG)是目前PET/CT临床诊断中使用的最常见、最广泛的显像剂，其测定葡萄糖代谢的灵敏度非常高，是医用最广泛的非特异性正电子显像剂，常应用于肿瘤的显像。

18F还应用于标记氟-[18F]-3’-脱氧-3’-胸腺嘧啶核苷(18F-FLT)，进行肿瘤增生特性的显像研究;标记3-18F-2-羟基丙基-2-硝基咪唑(18F-FMISO)，进行乏氧细胞的显像;标记O-(2-18F-氟乙基)-L-酪氨酸(18F-FET)可浓聚于肿瘤周围进行显像。

此外，18F还可标记AV-45、胆碱等多种药物，应用于临床诊断研究，是目前临床应用最为广泛的医用正电子核素。

11C的制备及应用

正电子核素11C，半衰期为20.38min，是医用回旋加速器制备和医学研究常用的放射性核素之一，制备使用的靶材料为氮氧混合气体，主要核反应式为14N(p，α)11C，经质子照射发生核反应后得到11C核素(以11C-CO2的形式存在)。11C化学性质较强，可以标记多种化合物，目前11C标记的主要放射性药物有11C-胆碱、11C-蛋氨酸、11C-乙酸盐、11C-多巴胺托烷、11C-甲氨苯并噻唑、11C-雷氯必利等，主要应用于肿瘤、心肌代谢、癫痫、帕金森、老年痴呆等疾病的临床研究。

正电子核素11C生产成本低廉，性价比较高，是不错的正电子PET诊断核素，特别是对肿瘤、心肌代谢、癫痫、帕金森、老年痴呆等疾病有较高的应用价值，但因其半衰期稍短，生产1次只能满足4~6个检查使用，临床上主要用于18F-FDG PET/CT显像的辅助诊断，可提高PET/CT诊断的精准性。

13N的制备及应用

正电子核素13N，半衰期9.96min，以住友HM-10HC(10MeV)医用回旋加速器为例，其制备使用的靶材料为16O-H2O加1mmol/L乙醇的水溶液，主要核反应式为16O(p，α)13N，经质子照射发生核反应后得到13N核素。在临床医学研究中，13N主要用于标记13N-氨和13N-氨基酸等放射性药物，以及测定心肌血流和局部脑血流等方面的研究。

13N生产制备成本低廉，化学标记步骤简单且容易获取，是用于临床诊断研究比较好的正电子PET核素，特别是在心肌血流灌注方面的应用比较广泛，缺点是半衰期较短，生产1次只能满足1~2个检查使用。

64Cu的制备及应用

正电子核素64Cu(半衰期12.7h;β+:0.653 MeV，17.4%;β-:0.578MeV，39%;EC:43.1%)，常使用回旋加速器制备，靶材料为固体64Ni，经过质子束流轰击后发生核反应制备64Cu，形成的64Cu一般以64Cu2+的形态出现。根据64Cu的物理特征，它既能成为较好的正电子诊断核素，又具有一定的治疗作用。根据其化学特征，64Cu2+易与N、S、O等原子的配体形成相对稳定的配合物，已经成功标记在氨基酸、多肽、蛋白质、核酸及纳米质粒上。64Cu-TETA-OC和64Cu-DOTA-TATE是当前应用于临床的主要的64Cu标记生长抑素类似物，可以进行神经内分泌肿瘤显像的显像。

64Cu具有良好的物理半衰期及独特的放射性特征，是一种较为理想的集诊断和治疗于一身的正电子示踪核素。然而，64Cu的制备流程复杂、成本高昂，使得很多医学研究者和普通医院望而却步，大大限制了64Cu的市场推广、临床普及和医学研究进展。

89Zr的制备及应用

正电子核素89Zr，物理半衰期78.41h，最大正电子能量0.897MeV，发射0.909MeV的γ射线，湮没辐射后发射511KeV的γ射线。在国外，已有诸多单位对89Zr进行生产制备和医学研究。而国内，北京大学肿瘤医院的王风等通过住友20 MeV医用回旋加速器，设计制备了固体靶片 89Y，解决了靶体冷却、靶片装载等难题，成功研制了正电子核素89Zr(继续制备11次成功率 100%)，其平均产额可达34.8MBq/(μA·h)，单位靶面积产额为44.4MBq/(μA·h·cm2 )，提高了国内生产、制备、研究89Zr的能力水平。

89Zr可以作为抗体标记正电子免疫显像剂，用以观察具有类似生物半衰期的抗体在体内的代谢过程，实时反映肿瘤免疫治疗药物在体内的分布情况，筛查适合行抗体靶向治疗的患者。89Zr标记的非抗体物质还能用于相关临床研究的评估和指导。与64Cu相比，制备89Zr使用的89Y泊片成本非常低廉，且质子能量大于10MeV的医用回旋加速器就可以进行生产，大多研究者和单位都具备相关的研究条件，固体靶89Zr相关的研制和医学研究将会成为未来的研究热点。

124I的制备及应用

正电子核素124I半衰期4.2d，发射600KeV的γ射线，正电子最大能量为2.1MeV，湮没辐射后发射511KeV的γ射线。124I可通过多种核反应进行制备，采用质子医用回旋加速器与124Te(p，n)124I核反应进行生产制备是比较常见的方法，主要因为其产额和纯度高、易于提取，且使 用质子能量大于10MeV的医用回旋加速器便可满足正电子核素124I的制备条件。

当前，全球已有诸多研究机构利用医用回旋加速器与124Te(p，n)124I进行正电子核素124I的研究和开发。在国外，已有多家研究机构通过小能量医用回旋加速器生产124I，并取得较好的成果。在国内，北京大学肿瘤医院朱华等通过住友 20MeV回旋加速器和124Te(p，n)124I成功研制了124I并应用于医学研究，为国内制备和研究正电子核素124I提供了宝贵的研究经验和研究基础。然而国内关于124I制备和应用的研究依然较少，方法需继续探索和优化。

与临床常用正电子核素相比，124I半衰期比较长(4.2d)，使得长时间显像和需要更高质量图 像诊断的研究成为可能，同时可以进行远距离输送，便于集中生产制备，可满足多家单位的使用和医学研究，是集诊断和治疗为一体的新兴正电子核素，具有很大的发展前景。

根据相关研究，正电子核素124I进入人体后直接被钠-碘转运载体(NIS)摄取同时滞留于细胞内，124I特异性浓聚在NIS高表达的肿瘤组织和器官(甲状腺、唾液腺等)周围，使得相应器官的疾病(如肿瘤)行正电子显像成为可能。

碘同位素是医用研究和临床常用的核素，常常被应用于标记单克隆抗体及其他分子，如124I-girentuximab，可精确地以非侵入方式鉴定肾透明细胞癌。目前，国内已有多家医院和研究机构配置了医用回旋加速器、配套使用的化学合成装置、质量控制制备和放射性药物分析仪器，已经具备潜在生产124I的能力。然而由于124I的制备工艺比较复杂，且制备成本较高，需配备独立房间和热室进行提纯和标记，否则容易产生物理半衰期较长的放射性气体碘污染而无法开展其他工作和研究。

总结

医用回旋加速器是医用放射性核素的主要来源，用于制备 PET/CT 显像所需的正电子核素，其在临床上具有很高的应用与研究价值。医院配备医用回旋加速器，不仅给医学工作者提供了临床应用和研究所需的放射性核素，同时也为研究者开发研制新的医用核素和标记新型分子探针提供了技术条件和研究基础，丰富了核医学诊治方案和手段，大大提高了医疗诊治水平，也为广大的普通工作者参与相关核医学研究提供了便利条件和机遇。