CN108543233A - 用于中子捕获治疗的射束整形体 - Google Patents

Abstract

一种用于中子捕获治疗的射束整形体，所述射束整形体包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体及射束出口，所述缓速体可以更换以调整缓速体对中子的缓速能力。本申请中子捕获治疗的射束整形体只需要根据肿瘤对射束中子能区、中子射束通量等指标的实际要求选择不同材料的缓速体对中子的缓速能力进行调整，就可以使用同一台医疗设备对不同患者进行治疗，结构简单，适用性强。

Description

用于中子捕获治疗的射束整形体

技术领域

本发明涉及一种射束整形体，尤其涉及一种用于中子捕获治疗的射束整形体。

背景技术

随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。

为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的中子射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。

硼中子捕获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(¹⁰B)药物对热中子具有高捕获截面的特性，借由¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕获及核分裂反应产生⁴He和⁷Li两个重荷电粒子。参照图1和图2，其分别示出了硼中子捕获反应的示意图和¹⁰B(n,α)⁷Li中子捕获核反应方程式，两荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear EnergyTransfer,LET)、短射程特征，α粒子的线性能量转移与射程分别为150keV/μm、8μm，而⁷Li重荷粒子则为175keV/μm、5μm，两粒子的总射程约相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害能局限在细胞层级，当含硼药物选择性地聚集在肿瘤细胞中，搭配适当的中子射源，便能在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。

因硼中子捕获治疗的成效取决于肿瘤细胞位置含硼药物浓度和热中子数量，故又被称为二元放射线癌症治疗(binary cancer therapy)；由此可知，除了含硼药物的开发，中子射源通量与品质的改善在硼中子捕获治疗的研究中占有重要角色。

然而，现有技术中硼中子捕获治疗的射束整形体设计多为整体式固定结构，这样的射束整形体输出的中子射束品质往往是固定的，但是在实际治疗过程中，对中子射束品质的要求并不是千篇一律的。不同的患者，肿瘤的位置、深浅以及肿瘤的种类就有可能不同，这就会导致在治疗过程中对中子射束品质的要求不同，而现有技术中整体式固定结构的射束整形体无法根据病患肿瘤的具体情况对中子射束的品质进行调整以配合患者的实际情况进行治疗。

因此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于中子捕获治疗的射束整形体，所述射束整形体包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体及射束出口，所述缓速体可以更换以调整缓速体对中子的缓速能力。

进一步地，所述缓速体包括位于靶材后方的基底部和与基底部分体设置的扩充部，所述扩充部可以单独更换以调整缓速体的缓速能力。

进一步地，所述基底部邻接于靶材后方并与靶材固定，所述扩充部安装于基底部的后方并邻接于基底部。

进一步地，所述扩充部至少包括第一扩充部和第二扩充部，所述第一扩充部安装于基底部后方并邻接于基底部，第二扩充部安装于第一扩充部后方并邻接于第一扩充部，所述第一扩充部和第二扩充部可单独更换。

进一步地，所述反射体对应扩充部开设有延伸至基底部后方的导槽，所述导槽设置有滑轨，所述扩充部安装于导槽中后通过滑轨移动至基底部后方并邻接于基底部；所述导槽至少包括与第一扩充部相对应得第一导槽和与第二扩充部相对于的第二导槽；当所述第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸相同仅材料不同时，第一扩充部和第二扩充部分别可以安装在第一导槽或者第二导槽中；当第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸不同且材料也不同时，所述第一扩充部安装于第一导槽中，所述第二扩充部安装于第二导槽中。

进一步地，反射体还包括设于扩充部两外侧且安装于导槽中的补充反射体，，当扩充部通过滑轨安装于基底部的后方时，补充反射体和包围在基底部外的反射体共同对散射的中子进行反射。

进一步地，所述反射体设有旋转轴，所述旋转轴上设有位于基底部后方且可相对基底部转动的转盘，所述扩充部安装于转盘中后随转盘旋转运动至基底部后方并邻接于基底部；所述转盘至少包括与第一扩充部相对应的第一转盘和与第二扩充部相对应的第二转盘；当所述第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸相同仅材料不同时，第一扩充部和第二扩充部分别可以安装在第一转盘或者第二转盘中；当第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸不同且材料也不同时，所述第一扩充部安装于第一转盘中，所述第二扩充部安装于第二转盘中。

进一步地，反射体还包括设于扩充部外周的补充反射体，当扩充部绕旋转轴旋转安装于基底部后方时，补充反射体与包围在基底部外的反射体共同对散射的中子进行反射。

进一步地，所述基底部、第一扩充部和所述第二扩充部的材料皆可由Al、Pb、Ti、Bi、C、D₂O、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的任意一种或几种制成。

进一步地，所述反射体是由Pb或Ni中的至少一种制成，所述补充反射体的材料和反射体的材料相同。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：本申请用于中子捕获治疗的射束整形体将缓速体设计成基底部和扩充部，将扩充部设置为可以更换的两个部分，在实际治疗过程中，结合患者的具体病情(患者肿瘤的深浅)选取不同材料的扩充部进行更换，从而使得缓速体对中子束进行缓速，从而得到适合患者在治疗过程中实际需要的中子射束品质，结构简单，运用灵活。

附图说明

图1是本申请用于中子捕获治疗的射束整形体的结构示意图；

图2是硼中子捕获反应示意图；

图3是本申请实施方式一中使用导槽安装扩充体的结构示意图；

图4是本申请实施方式二中使用转盘安装扩充体的结构示意图。

具体实施方式

中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，供应硼中子捕获治疗的中子可以由核反应堆或加速器供应。本申请的实施例以加速器硼中子捕获治疗为例，加速器硼中子捕获治疗的基本组件通常包括用于对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速的加速器、靶材与热移除系统以及射束整形体，其中加速带电粒子与金属靶材作用产生中子，依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。

理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性，但实际上并无法找到符合所有要求的核反应，本发明的实施例中采用锂金属制成的靶材。但是本领域技术人员熟知的，靶材的材料也可以由其他除了上述谈论到的金属材料之外的金属材料制成。

针对热移除系统的要求则根据选择的核反应而异，如⁷Li(p,n)⁷Be因金属靶材(锂金属)的熔点及热导系数差，对热移除系统的要求便较⁹Be(p,n)⁹B高。本发明的实施例中采用⁷Li(p,n)⁷Be的核反应。

另外，在使用中子捕获治疗技术实际治疗过程中，不同患者肿瘤的具体情况(肿瘤的位置、深浅以及肿瘤的种类)可能不同，因此对质子与靶材发生核反应后产生的中子射束品质的具体要求(射束中子能区具体范围、中子射束通量甚至中子射束的前向性等)可能不同。为了使得使中子捕获治疗技术更加灵活更加精确地运用于肿瘤患者的实际治疗过程中，甚至运用于更多种类的肿瘤治疗中，本申请对用于中子捕获治疗的射束整形体提出改进。作为一种优选地，是针对用于加速器硼中子捕获治疗的射束整形体的改进。

图1为本申请中用于中子捕获治疗的射束整形体10，该射速整形体10包括射束入口11、靶材12、邻接于靶材12的缓速体13、包围在缓速体13外的反射体14和射束出口17。加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，质子束加速至足以克服靶材原子核力的能量，与靶材12发生⁷Li(p,n)⁷Be核反应以产生中子(参图2)，产生的中子经过缓速体13减速，散射的中子由反射体14反射回射束轴上再从射束出口17射出。

缓速体13的制作材料可以有多种，且缓速体13的材料对射束中子能区、中子射束通量甚至中子射束前向性这些指标都有很大的影响，因此本申请将缓速体13设置成可以更换式，以解决不同肿瘤情况(包括位置深浅、类型)无法使用同一医疗设备进行中子捕获治疗的情况。

缓速体13包括基底部131和扩充部132，基底部131和扩充部132为分体式结构。所谓的分体式结构是指，基底部131位于靶材12后方，扩充部132安装于基底部131后方。基底部131可以设置为可更换式，也可设置为固定式。当基底部131为可更换式时，可以对基底部131和扩充部132分别进行更换；当基底部131为固定式时，仅对扩充部132进行更换。当然，也可以将基底部131和扩充部132设置成整体式，针对不同的肿瘤情况，对整个缓速体13进行更换以改变缓速体13的缓速能力。

在本实施方式中，采用的基底部131和扩充部132为分体式设计，且基底部131为固定式。将缓速体13的基底部131设置在靶材12的后方并与靶材12邻接固定，扩充部132安装在基底部131的后方并邻接于基底部131。在本实施方式中，扩充部132至少包括第一扩充部133和第二扩充部134。第一扩充部133邻接于基底部131后方，第二扩充部134邻接于第一扩充部133后方，如此使得扩充部132形成两个结构的层叠式，第一扩充部133和第二扩充部134分别可以单独更换。需要指出的是，因为制作缓速体13的材料有多种，可以将扩充部132设置成两个以上(三个、四个、五个或者更多)多个结构的层叠式，以更加细微地改变缓速体的缓速能力，实现对中子射束品质更加精确的需求，从而提高针对不同肿瘤的治疗效果。

下面具体介绍下如何实现对缓速体13的扩充部132进行更换。

图3为本申请实施方式一的结构示意图。在反射体14上开设导槽141，导槽141中设有滑轨142，扩充部13安装于导槽141中后随滑轨142的滑动运动至基底部132后方并与基底部132邻接固定。导槽141至少包括与第一扩充部133相对应的第一导槽143和与第二扩充部134相对应的第二导槽144。当缓速体13的整体结构为圆柱体，第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸相同时，只要根据需要获得的中子射束品质要求选择不同材料的第一扩充部133和第二扩充部134安装在第一导槽143或者第二导槽144中即可。也就是说，在这种情况下，因为第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸相同，所以只要安装在第一导槽143和第二导槽144中的扩充部132的材料能够使得经过缓速体13后得到的中子射束品质能够达到预期要求即可，而对第一导槽143中和第二导槽144中安装的究竟是第一扩充部133还是第二扩充部134并没有限制。当缓速体13的整体结构是圆柱体，或者圆锥体又或者是圆柱体和圆锥体的组合，且第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸不同时，根据需要获得的中子射束品质要求选择不同材料的第一扩充部133和第二扩充部134，第一扩充部133只能对应安装于第一导槽143中，第二扩充部134也只能对应安装于第二导槽144中。

反射体14还包括设于扩充部131两外侧且安装于导槽141中的补充反射体145。补充反射体145可以与扩充部131做成一个整体后安装于导槽141中，也可以在扩充部131安装于导槽141中之后单独分别安装于导槽141中。当扩充部131通过滑轨142安装于基底部132的后方时，补充反射体145和包围在基底部131外的反射体14共同对散射的中子进行反射，以使散射的中子被反射回中子射束主轴X上，以提高超热中子的射束强度。

图4为本申请实施方式二的结构示意图。在反射体14上设置一根与缓速体13的基底部131的中心线平行的旋转轴15，旋转轴15上设有位于基底部131后方且可相对基底部131转动的转盘146。扩充部132安装于转盘146后随转盘绕旋转轴15旋转至基底部131后方并与基底部131邻接固定。转盘146至少包括与第一扩充部133相对应的第一转盘147和与第二扩充部144相对应的第二转盘148。当缓速体13的整体结构为圆柱体，第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸相同时，只要根据需要获得的中子射束品质要求选择不同材料的第一扩充部133和第二扩充部134安装在第一转盘147或者第二转盘148中即可。在这种情况下，因为第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸相同，所以只要安装在第一转盘147和第二转盘148中的扩充部132的材料能够使得经过缓速体13后得到的中子射束品质能够达到预期要求即可，而对第一转盘147和第二转盘148中安装的究竟是第一扩充部133还是第二扩充部134并没有要求。当缓速体13的整体结构是圆柱体，或者圆锥体又或者是圆柱体和圆锥体的组合时，第一扩充部133和第二扩充部134的结构尺寸不同时，根据需要获得的中子射束品质要求选择不同材料的第一扩充部133和第二扩充部134，第一扩充部133只能对应安装于第一转盘147中，第二扩充部134也只能对应安装于第二转盘148中。

反射体14还包括设于扩充部132外周的补充反射体145’，补充反射体145’可以与扩充部132做成一个整体后安装于转盘146中，也可以在扩充部131安装于转盘146之后单独安装于转盘146中。当扩充部132绕旋转轴Z旋转安装于基底部131后方时，补充反射体145’与包围在基底部131外的反射体14共同对散射的中子进行反射，以使散射的中子被反射回中子射束的主轴X上，以提高超热中子的射束强度。

缓速体13由具有快中子作用截面大、超热中子作用截面小的材料制成，作为一种优选地，缓速体13由Al、Pb、Ti、Bi、C、D₂O、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种制成，进一步说明，缓速体13的基底部131是由Al、Pb、Ti、Bi、C、D₂O、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种或者几种制成，第一扩充部133和第二扩充部134的材料也是由Al、Pb、Ti、Bi、C、D₂0、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的至少一种或几种制成。也就是说，本申请中第一扩充部133、第二扩充部134以及基底部131的材料可以相互一致，也可以彼此不同。反射体14由具有中子反射能力强的材料制成，作为一种优选实施例，反射体14由Pb或Ni中的至少一种制成。

另外，缓速体13的前端还可包设快中子过滤体(未图示)，缓速体13的后端可设有热中子吸收体(未图示)。缓速体13和反射体14之间设有间隙通道18，热中子吸收体和射束出口17之间设有空气通道19，反射体14内设有可以减少非照射区的正常组织剂量的辐射屏蔽16。所谓的间隙通道18指的是未用实体材料覆盖的空的容易让中子束通过的区域，该间隙通道18可以设置为空气通道或者真空通道。间隙通道18的设置可以提高超热中子的通量，空气通道19的设置可以持续将偏离中子射束主轴X的中子导回主轴X以提高超热中子射束强度。辐射屏蔽16包括用以屏蔽中子射束中渗漏光子的光子屏蔽161和用以屏蔽中子射束中渗漏中子的中子屏蔽162。光子屏蔽161可以与反射体14设置为一体，也可以设置成分体式，而中子屏蔽162可以设置在邻近射束出口17的位置。

质子束自射束入口11入射与靶材12发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根射束主轴X，形成的中子束先经过快中子过滤体对中子射束中的快中子进行过滤，以使更多的快中子减速；经过快中子过滤体后的中子射束经过缓速体13将中子减速至超热中子能区，热中子吸收体吸收中子射束中的热中子，以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，反射体14将偏离射束主轴X的中子导回射束主轴X以提高超热中子射束强度，从而获得最符合该患者治疗的射束品质。

快中子过滤体采用具有较大快中子作用截面的材料制成，作为一种优选地，快中子过滤体是由Fe制成。热中子吸收体15由与热中子作用截面大的材料制成，作为一种优选实施例，热中子吸收体由6Li制成。作为一种优选地，光子屏蔽161的材料选用铅(Pb)制成，中子屏蔽的材料选用聚乙烯(PE)制成。本领域技术人员熟知的，光子屏蔽161可以由其他材料制成，只要起到屏蔽光子的作用就行，中子屏蔽162也可以由其他材料制成，也可以设置在其它地方，只要能够满足屏蔽渗漏中子的条件就行。

本申请中子捕获治疗的射束整形体10只需要根据肿瘤对射束中子能区、中子射束通量等指标的实际要求选择不同材料的缓速体对中子的缓速能力进行调整，就可以使用同一台医疗设备对不同患者进行治疗，结构简单，适用性强。

本申请揭示的用于中子捕获治疗的射束整形体并不局限于以上实施例所述的内容以及附图所表示的结构。在本发明的基础上对其中构件的材料、形状及位置所做的显而易见地改变、替代或者修改，都在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述射束整形体包括射束入口、靶材、邻接于靶材的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体及射束出口，所述缓速体可以更换以调整缓速体对中子的缓速能力，所述缓速体包括位于靶材后方的基底部和位于基底部后方并与基底部分体设置的扩充部，所述扩充部能够单独更换而不改变射束整形体的总体尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述扩充部至少包括第一扩充部和第二扩充部，所述第一扩充部安装于基底部后方并邻接于基底部，第二扩充部安装于第一扩充部后方并邻接于第一扩充部，所述第一扩充部和第二扩充部分别可单独更换且相互之间不产生影响。

3.根据权利要求2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：根据需要达到的中子射束品质更换不同材料的第一扩充部和/或第二扩充部。

4.根据权利要求1所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述基底部邻接于靶材后方并与靶材固定，所述扩充部安装于基底部的后方并邻接于基底部。

5.根据权利要求2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：反射体还包括设于扩充部外周的补充反射体，所述补充反射体和包围在基底部外的反射体共同对散射的中子进行反射。

6.根据权利要求5所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述反射体对应扩充部开设有延伸至基底部后方的导槽，所述导槽设置有滑轨，所述扩充部安装于导槽中后通过滑轨移动至基底部后方并邻接于基底部；所述导槽至少包括与第一扩充部相对应的第一导槽和与第二扩充部相对于的第二导槽；当所述第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸相同仅材料不同时，第一扩充部和第二扩充部分别可以安装在第一导槽或者第二导槽中；当第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸不同且材料也不同时，所述第一扩充部安装于第一导槽中，所述第二扩充部安装于第二导槽中。

7.根据权利要求6所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：补充反射体安装于所述导槽中，当扩充部通过滑轨安装于基底部的后方时，补充反射体包围在扩充部外周，并与包围在基底部外周的反射体共同对散射的中子进行反射。

8.根据权利要求5所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述反射体设有旋转轴，所述旋转轴上设有位于基底部后方且可相对基底部转动的转盘，所述扩充部安装于转盘中后随转盘旋转运动至基底部后方并邻接于基底部；所述转盘至少包括与第一扩充部相对应的第一转盘和与第二扩充部相对应的第二转盘；当所述第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸相同仅材料不同时，第一扩充部和第二扩充部分别可以安装在第一转盘或者第二转盘中；当第一扩充部和第二扩充部的结构尺寸不同且材料也不同时，所述第一扩充部安装于第一转盘中，所述第二扩充部安装于第二转盘中。

9.根据权利要求8所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述补充反射体安装于扩充部外侧的转盘中，当扩充部绕旋转轴旋转安装于基底部后方时，补充反射体包围在扩充部外周，并与包围在基底部外周的反射体共同对散射的中子进行反射。

10.根据权利要求2所述的用于中子捕获治疗的射束整形体，其特征在于：所述基底部、第一扩充部和所述第二扩充部的材料皆可由Al、Pb、Ti、Bi、C、D₂O、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的任意一种或几种制成。