同步辐射心血管造影刘乃泉

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1、同步辐射心血管造影刘乃泉本文作者刘乃泉先生国家同步辐射实验室主任清华大学教授博士生导师关键词:同步辐射心血管造影一同步辐射心血管造影的意义和科学依据由于心脏血管受阻而导致的心肌梗塞症其死亡率已跃居世界首位在美国每年约有130万人患有心肌梗塞症其中半数死亡在中国心血管病处于第一或第二位冠状动脉分布在心脏上由于动脉硬化胆固醇高沉积在血管内引起血液流通不畅甚至受阻当血管受阻小于50%时病人感到心绞痛;超过50%引起心肌坏死坏死的心肌不能恢复坏死面积到一定程度就导致死亡心肌梗塞很难事先预测出来现在医学上能够诊断心血管阻塞的办法是X射线造影即在动脉血

2、管中插入导管这根导管由动脉末梢插至心脏部位然后注入含碘的增强剂但是这种诊断手术是很危险的在最好的医院实行这种诊断时也有0.1~0.3%的病人当场死亡1~4%的病人手术后有后遗症如中风因此到目前为止这种诊断方法被认为是危险性大费用高难以推广更不能成为一种常规监测心血管的手段同步辐射心血管造影可以避免通过动脉插管注射而是可以直接静脉注射碘化合物静脉注射的增强剂到达心脏时已经稀释20~30倍用普通X射线造影不能获得清晰的图像由于同步辐射其光子通量比普通X射线管的通量要高3~4个数量级同时同步辐射通过单色仪可获得分辨率极高的单色光利用前后碘K吸收边

3、对X射线的吸收相差6倍的特性用两束不同能量的同步辐射一束能量在碘K边之上另一束能量在碘K边之下两束光所摄取的心血管造影图像相减这两束不同能量的同步辐射对碘的吸收反差很大而对肌肉和骨骼的吸收反差很小因此可以获得清晰的心血管造影图像同时同步辐射心血管造影病人所受的照射剂量低每次造影病人身体表-3-4-4面受照射的剂量为510Gy到达心脏的剂量为210Gy平均剂量为810Gy比一般X射线胸透的剂量小得多一般的胸透剂量为0.01Gy而常规心血管造影中人所受剂量高达1Gy以上因此同步辐射心血管造影又是一种比较安全的检查方法由于同步辐射心血管造影方法安

4、全可靠灵敏度高不久将会成为另一种老年心血管病人的常规监测手段事先监测心血管状态就可以避免心肌梗塞的突然发生抢救大批人的生命二国际发展状况利用碘K边进行心血管造影最初是美国E.Rubenstein发明的后来在日本也开展了这方面的研究最初用动物心脏做试验后来又在人的心脏上做试验也取得成功如美国BNL实验室利用2.5GeV的同步辐射光源所产生的X射线清晰地拍摄出人的心血管受阻情况如图1日本KEK实验室也利用他们的电子储存环拍摄出人的心血管照片俄罗斯和德国也都先后开展了同步辐射心血管造影的研究1990年美国国立布鲁克海文实验室(BNL)又投资建成了

5、一套同步辐射心血管造影专用设备名叫SynchrotronMedicalResearchFacility(简称SMERF)SMERF2占地180m包括照像室病人椅子图像探测器医生诊断和监视室数据处理室单色仪及安全快门室目前SMERF被作为一种保健检测和紧急求援装置日本科学城筑波的ETL研究所也提出在现有的一台0.8GeV同步辐射光源上安装10T的超导Wiggler(扭摆磁铁)产生X射线专门用于心血管造影研究1993年日本产业界Kawasaki重工和高能物理研究所又联手提出建造专用于心血管造影同步辐射光源的宏伟计划其技术指标为表1所示三在国家同

6、步辐射实验室(NSRL)开展心血管造影的技术方案利用国家同步辐射实验室的同步辐射装置安装一个10~12T的超导Wiggler可获得33keV的X射线其光的强度与美国BNL实验室2.5GeV的储存环由偏转磁铁发出的33keV硬X射线相当国家同步辐射实验室的同步辐射装置能量低能否产生足够强的硬X射线计算表明如果将该同步辐射装置能量提高到0.9GeV超导Wiggler磁场提高到10T那么其产生的33keV硬X射线强度与2.5GeV由偏转磁铁引出的大体相当如表2由超导Wiggler发出的X射线通过Si单晶引出两束宽120mm高0.5mm的单色光由于

7、碘K边的共振吸收能量为33.16keV所以两束单色光的能量一个应小于这个吸收边如1=33.0keV另一束应大于吸收边如2=33.3keV光子单色性可以在0.3%以内根据表2的计算法如果采用储存环能量为0.88GeV-5Wiggler磁场12T束流200mA取1210Gy的同步辐射光则在离光源12.5m处=33keV的光子通量为:102N=3.210/smm(/=0.3%)这个光子通量完全可以用来做心血管造影研究美国SSRL的同步辐射光源指92标为3GeV30mAWiggler1.8T其光子通量为410/smm利用国家同步辐射实验室的同步辐射

8、光源开展心血管造影研究有两个优点:一是软X射线环运行费用便宜一旦研究成功造影费用低廉易于推广造福于病人;二是能量低的同步辐射光源所产生的谐波光子能量(66keV-99keV)成份