技术突破 | 医疗服务的离子风暴

近期刚结束的中国国际医疗器械博览会（CMEF）将人工智能及智慧医疗等话题推向了风口浪尖，诸多创新产品的推出更是刷新了人们对医疗科技的认知。

当人们开始深入研究一种疾病时便越能对抗它。例如，人们可以使用正电子发射断层扫描技术（PET）来非常精准地将癌细胞与周围组织区分开来。

这些显微图像通过粒子加速器中产生的低放射性同位素来生成，而通用电气医疗集团生产GENtrace回旋加速器则由PiezoMotor电机（Faulhaber旗下品牌）来驱动。

针头大小的转移瘤   无处可逃

“现在已有许多技术能发现母瘤，但要发现所有的转移瘤（其中有许多只有针头大小）则非常困难，”瑞典通用电气医疗集团回旋加速器系统分部的总工程师Dr. Martin Pärnaste解释道。

PET有助于检测此类转移瘤，这对后续治疗具有决定性意义。

PET与x射线和计算机断层扫描（CT）一样，能在小剂量放射性辐射的帮助下生成图像。但在这种情况下，辐射并非通过外部指向人体的装置发出，而是来自之前注射到患者体内的放射性粒子。

放射性粒子通常通过放射性诊断试剂或“示踪剂”与葡萄糖混合，并注射到人体血液中。

半衰期短的同位素

相对无害的低辐射物质可用于PET诊断剂，它们会迅速衰变，且无任何关键残留物。在大约90%的情况下可使用卤素氟的同位素18F，其半衰期很短，约为110分钟，这意味着它在一天后将失去几乎所有的放射功能。当然，也可使用半衰期同样短的其他同位素。

由于PET示踪剂衰变太快，因此无法像其他材料一样持续供应。它们必须在使用前不久用粒子加速器即回旋加速器来生产，而且生产位置不能离使用地点太远，因为运输时间不宜过长。

螺旋轨道上的粒子运动

粒子物理学家在20世纪30年代首创了回旋加速器，随后其功能原理经过多次改进。后来，日内瓦CERN创造了世界上最大的粒子加速器，并在医疗领域得到了证明。

为了生产PET同位素，带负电荷的氢离子需在回旋加速器内真空室中通过电场加速，并在强磁场的作用下保持螺旋运动。

在运动路径末端，它们飞过一层薄薄的石墨箔，并失去电子，从而变成带正电的质子。由于电荷反转，它们的运动轨迹从先前的螺旋运动变成了一条直线。箔片的方向决定了质子束的方向。质子束指向反应室，即所谓的目标，其中含同位素的源物质。在反应室中，质子束引发核反应，并在目标物质中生成所需的同位素。

几年前，Dr. Pärnaste博士和他的团队接到任务要对这些反应做进一步改进，并开发出尽可能小的经济型机器。这有助于临床医疗更方便地获取PET同位素，并将成像技术应用推而广之。其研发的产品即为GENtrace，并于2017年成功推出。

高效稳定的无磁驱动技术

为了在一次循环中通过各元素生成更多的同位素，新的回旋加速器设置了三个目标物。因此，质子束的方向必须是可变的，以击中这三个目标物。

为了实现这一点，需使用电机驱动附着石墨箔的载体。

但是，标准电机难以适应回旋加速器内的条件，因为磁场、真空、电场和辐射会干扰电机的功能，使其无法正常运行。

因此，用于定向质子束的电机通常位于实际回旋加速器的外部，然后通过复杂的机械结构将其运动传递到箔片载体。然而这有一大缺陷，当活动部件穿过真空室壁时需要的机械间隙和密封较大。

而压电电机可以避免这一问题，因其不受回旋加速器中不利条件的影响。

压电电机与传统电机不同，它既不需要磁性部件，也不需要旋转部件将电流转换为动力。其工作原理基于当电压施加到压电陶瓷元件上时，压电陶瓷元件的形状将发生改变这一事实。

出于这些原因，压电电机可直接位于偏转点，因为电场、辐射或真空均不会影响其功能，只需进行调节，电源和控制器的电缆进入真空室。由于压电电机不会移动，因此在此情况下密封更容易。

PiezoMotor的技术优势明显

通用电气医疗集团的专家通过技术杂志上的一篇文章了解到了PiezoMotor的技术，巧合的是，这两家公司均位于瑞典乌普萨拉。

“在测试了几种微电机和运动解决方案之后，我们终于在开发方面取得了突破，并在最终设计中使用了PiezoMotor的两个驱动：20N的直线电机，可用于移动质子束；以及用于调节离子引出的转矩为50 mNm的非磁性旋转电机，”Pärnaste 博士总结道。

位于回旋加速器内的第二个驱动可用于定位离子源，为了借助电极引出更多离子，必须反复调整离子源和电极的相对位置，而压电电机可在运行操作中实现这一点，并大大缩短了校准系统的维护时间。

“PiezoMotor可提供广泛的产品系列和模块化设计，还有许多特征不同的直线电机和旋转电机型号可供选择，”Pärnaste博士解释道。“此外，PiezoMotor拥有一支高素质的工程师团队，他们为我们的产品开发做出了巨大贡献。”