CN109011207B - 用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一个方面在于提高中子捕获治疗系统的中子束照射剂量的精确度及提供一种能够用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统以进行故障诊断，在一个技术方案中提供一种用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其中，中子捕获治疗系统包括带电粒子束、用于通过带电粒子束的带电粒子束入口、经与带电粒子束发生核反应从而产生中子束的中子产生部、用于调整经中子产生部产生的中子射束通量与品质的射束整形体和邻接于射束整形体的射束出口，其中，带电粒子束入口容纳在射束整形体内，中子产生部容纳在射束整形体内，射束诊断系统包括带电粒子束诊断装置和中子束诊断装置，射束诊断系统用于同时诊断中子捕获治疗系统和/或射束诊断系统是否故障。

Description

用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统

技术领域

本发明涉及一种射束诊断系统，尤其涉及一种用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统。

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150 keV/μm、8μm，而⁷Li重荷粒子则为175 keV/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。

而在中子捕获治疗系统中的射束检测和诊断属于一个很重要的课题，这直接关乎于照射治疗的剂量和效果。现有技术有揭示一种中子捕获治疗系统中，例如通过预先对被照射体贴附中子束测定用的金丝，在中子束的照射中途取下金丝并测定该金丝的辐射化量，来测定照射中途的中子束的照射剂量。并且根据该测定的照射剂量来控制（例如停止等）中子捕获治疗系统，以便使中子束以按照计划的照射剂量来照射至被照射体。

但是此时，例如若因某种原因而在测定金丝的辐射化量之后中子束的照射剂量率有所变动，则无法与该种变动充分对应，而有使以按照计划的照射剂量来将中子束照射至被照射体处一事变得困难之虞。也就是说，在上述中子捕获治疗系统中，不能实时的检测中子束照射剂量，也无法通过检测来确定中子捕获治疗系统的各个部件以及检测装置自身是否故障。

因此，有必要提出一种能够提高中子束照射剂量的精确度的中子捕获治疗系统及能够进行故障诊断的射束诊断系统。

发明内容

本发明的一个方面在于提高中子捕获治疗系统的中子束照射剂量的精确度及提供一种能够用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统以进行故障诊断，在一个技术方案中提供一种用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其中，中子捕获治疗系统包括带电粒子束、用于通过带电粒子束的带电粒子束入口、经与带电粒子束发生核反应从而产生中子束的中子产生部、用于调整经中子产生部产生的中子射束通量与品质的射束整形体和邻接于射束整形体的射束出口，其中，带电粒子束入口容纳在射束整形体内，中子产生部容纳在射束整形体内，射束诊断系统包括带电粒子束诊断装置和中子束诊断装置，射束诊断系统用于同时诊断中子捕获治疗系统和/或射束诊断系统是否故障。射束诊断系统通过同时检测带电粒子束和中子束，以提高中子束照射剂量的精确度。另外，射束诊断系统通过一系列的检测结果用以判断中子捕获治疗系统中的哪一些装置和/或组件产生异常，或者判断射束诊断系统中的检测装置自身是否异常。这样即可做到有的放矢，提高了中子束照射剂量的精确度，又大大减少了维修时间及成本。

优选地，中子捕获治疗系统进一步包括用于将冷却介质置于中子产生部处以冷却中子产生部的冷却装置和被经射束出口处出来的射束照射的待照体，射束诊断系统进一步包括用于检测冷却装置温度从而得知冷却装置与中子产生部产生中子束状况的温度检测装置和用于诊断待照体位移是否移动的位移检测装置。这样的设置，使得从加速器的源头一直到待照体的终端都设置有各式各样的检测装置，通过这些检测装置来判断中子捕获治疗系统的各个关键部件或者检测装置自身是否存在异常。作为一种优选地，从加速器的源头一直到待照体的终端这样的设置检测装置：加速器源头处的真空管处设置有检测装置，中子产生部处设置有检测装置，紧邻中子产生部并用于给中子产生部冷却用的冷却装置处设置有检测装置，射束整形体内设置有检测装置，射束出口处设置有检测装置，待照体处设置有检测装置。

作为一种优选地，中子捕获治疗系统进一步包括用于扩大带电粒子束的扩束装置；带电粒子束诊断装置进一步包括用于检测进入带电粒子束入口之前处的带电粒子束的强度与稳定度的第一电流检测装置和用于检测经与中子产生部作用的带电粒子束的强度与变化状况的第二电流检测装置；中子束诊断装置进一步包括用于检测射束整形体内的中子束的强度变化及空间分布、埋设于射束整形体内的第一中子束监测装置和用于检测射束出口处的中子束的强度变化及空间分布、埋设于射束出口处的第二中子束监测装置。

作为更加优选地，第一电流检测装置为法拉第杯(Faraday cup electrometer)，其是一种金属制的设计成杯状，用来测量带电粒子束入射强度及稳定度的一种真空侦测器，测得的电流可以用来判定带电粒子束的数量。当带电粒子束进入法拉第杯以后，会产生电流。对一个连续的带单电荷的带电粒子束来说：采用公式一来计算，其中，N是带电粒子数量、t是时间（单位为秒）、I是测得的电流（单位为安培）、e是基本电荷（约1.60×10^-19库仑）。我们可以估算，若测得电流为10^-9A（1nA），即约有60亿个带电粒子被法拉第杯收集。

（公式一）

当然，本领域技术人员熟知地，第一电流检测装置100可以为任意的适于在加速器真空管处用来测量带电粒子束入射强度及稳定度的检测装置，如壁电流检测器（WallCurrent Monitor）和束流变压器（Beam Current Transformer）。

所谓壁电流检测器将取样电阻跨接在陶瓷隔离段两端，束流镜像电流流经取样电阻时即可获得电压取样信号，采用公式二来计算，其中，V是检测到的电压值，I_b为带电粒子束电流，Z在特定频率下可以等效为电阻，壁电流检测器等效电路为并联RLC电路，如公式三。因此根据检测到的电压值就可以推算出带电粒子束在某一时间段t内的电流。

（公式二）

（公式三）

所谓束流变压器是利用磁芯上的二级绕组耦合出电流信号，通过分析此信号可获得原始带电粒子束的电流。其包括交流电流变压器（AC Current Transformer，简写为ACCT）、快速电流变压器（Fast Current Transformer，简写为FCT）、谐振式电流变压器（Tuned Current Transformer，简写为TCT）、积分电流变压器（Integrated CurrentTransformer，简写为ICT）和直流电流变压器(DC Current Transformer，简写为DCCT)。由于种类较多，下文对于束流变压器不一一列举，仅以DCCT用来举例。DCCT采用非线性磁调制组件将待测DC信号调制到激励信号的二次谐波进行检测。

本实施例中，第二电流检测装置200为检流计（galvanometer），其一端电连接于中子产生部T，另一端接地，以形成一个检测回路，从而得知在带电粒子束P轰击中子产生部T的过程中中子产生部T上的电流。检流计是根据载流线圈在磁场中受到力矩而偏转的原理制成的。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来指示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细的金属悬丝代替轴承悬挂在磁场中，由于悬丝细而长，反抗力矩很小，所以有很弱的电流通过线圈就足以使它产生显着的偏转。因而检流计比一般的电流表灵敏的多，可以测量微电流（10^-7-10^-10A）或者微电压（10^-3-10^{- 6}V），如光电流、生理电流、温差电动势等。首次记录神经动作电位，就是用此类仪器实现的。

当然，本领域技术人员熟知地，第二电流检测装置200可以为任意的适于在邻近中子产生部用来检测经与中子产生部作用的带电粒子束的强度与变化状况的检测装置，如电流表和伏特表等。

本实施例中，温度检测装置300为热电偶（thermocouple），两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

当然，本领域技术人员熟知地，温度检测装置300可以为任意的适于设置在冷却装置内或邻近冷却装置处的用来检测冷却装置温度从而得知冷却装置与中子产生部产生中子束状况的检测装置，如电阻温度计，其使用已知电阻随温度变化特性的材料所制成的温度传感器，根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度。

可实现实时检测的常见中子束监测装置有电离室及闪烁探测头两种不同检测原理。其中采用电离室结构为基底的有He-3比例计数器、BF₃比例计数器、分裂游离室、硼电离室，而闪烁探测头则可以分为有机与无机材料，对于侦检热中子用途，其闪烁探测头多添加Li或B等高热中子捕获截面元素。简而言之，此类侦检器探测的中子能量多为热中子，皆为倚靠元素与中子发生捕获或核裂变反应所释出的重荷电粒子及核裂变碎片，于电离室或闪烁探测头内产生大量电离对（ion pair），这些电荷被收集后，经过适当的电路转换，便可将电流信号转为电压脉冲信号。透过分析电压脉冲的大小，则可以轻易地分辨出中子信号及γ信号。在高强度中子场中，如BNCT，则可以适当地减少电离室的气体压力、可裂材或硼涂布的浓度或闪烁探测头内高中子捕获截面元素的浓度，便可以有效降低其对中子的灵敏度，避免信号饱和的情况发生。

作为更加优选地，第一中子束监测装置400为分裂游离室（fission chamber），当中子束通过分裂游离室时，与分裂游离室内部气体分子或分裂游离室的壁部发生游离作用，生成电子与带正电荷的例子，此电子和正电荷离子称为上述的离子对。由于分裂游离室内有外加电场高压，因此电子朝中央阳极丝移动，正电荷离子朝周围的阴极壁移动，因而产生可测得的电子脉冲信号。使气体分子产生一离子对所需能量称为平均游离能，该值根据气体种类而异，如空气的平均游离能约为34eV。若有340keV的中子束，会使空气产生约10k个离子对。

当然，本领域技术人员熟知地，第一中子束监测装置400可以为任意的适于埋设在射束整形体内的用来检测射束整形体内的中子束的强度变化及空间分布的检测装置，如He-3比例计数器、BF₃比例计数器、硼电离室和闪烁探测头等。

作为更加优选地，第二中子束监测装置500为闪烁探测头（scintillatordetector），某些物质吸收能量之后会放出可见光，此种物质称为闪烁物质。它是利用游离辐射将晶体或分子中的电子激发至激态，而当电子回到基态时放出的荧光被收集后用来作中子束监测。闪烁探测头与中子束作用后所发射的可见光，可利用光电倍增管将可见光转化为电子，再倍增放大，通常电子倍增放大率可达107至108。阳极输出的电子数与入射的中子束能量成正比，因此闪烁探测头能测量中子束的能量。

当然，本领域技术人员熟知地，第二中子束监测装置500可以为任意的适于置于射束出口内或者邻近射束出口处的用来检测射束出口处的中子束的强度变化及空间分布的检测装置，如He-3比例计数器、BF₃比例计数器、硼电离室和分裂游离室等。

作为更加优选地，位移检测装置600为红外信号探测器，红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。这种探测器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。

当然，本领域技术人员熟知地，位移检测装置600可以为任意的适于用来检测待照体位移变化的检测装置，如位移传感器。所谓位移传感器根据待照体相对某一参照物的位移变化来确定待照体是否移动。本领域技术人员还熟知地，位移检测装置不仅可以用来检测待照体的位移变化，还可以用来检测固定待照体的支撑件和/或治疗台等位移的变化，从而间接地得知待照体的位移变化。

本领域技术人员熟知地，第一电流检测装置、第二电流检测装置、温度检测装置、第一中子束监测装置、第二中子束监测装置和位移检测装置的个数和检测元件均不限定于此。

根据检测和/或监测装置的检测结果相互之间的函数关系，可以显而易见地列举出故障的部件，下面列举出几种根据相应的检测结果做出的故障诊断状况。

当检测到第一电流检测装置、第二电流检测装置、温度检测装置、第一中子束监测装置和第二中子束监测装置中的任何一个检测或监测装置发生异常而其他检测或监测装置均正常时，则推断该异常的检测或监测装置自身故障；当检测到位移检测装置发生异常而其他检测或监测装置均正常的情况下，则推断待照体位移发生变化或位移检测装置故障。

中子捕获治疗系统进一步包括用于将带电粒子束加速的加速器，当检测到第一电流检测装置、第二电流检测装置、温度检测装置、第一中子束监测装置和第二中子束监测装置均发生异常时，则推断加速器故障。

当检测到第二电流检测装置、温度检测装置、第一中子束监测装置和第二中子束监测装置均发生异常而第一电流检测装置和位移检测装置均正常时，则推断扩束装置故障。

当检测到温度检测装置、第一中子束监测装置和第二中子束监测装置均发生异常而第一电流检测装置、第二电流检测装置和位移检测装置均正常时，则推断中子产生部和/或冷却装置故障。

当检测到第一中子束监测装置和第二中子束监测装置均发生异常而第一电流检测装置、第二电流检测装置、温度检测装置和位移检测装置均正常时，则推断射束整形体故障。

第一中子束监测装置包括分别位于射束整形体内相对两侧的第一中子束监测构件和第二中子束监测构件，第二中子束监测装置包括分别位于射束出口处相对两侧的第三中子束监测构件和第四中子束监测构件，当检测到第一中子束监测构件和第二中子束监测构件中的任一个监测结果异常和/或第三中子束监测构件和第四中子束监测构件中的任一个监测构件异常，则推断异常的中子束检测构件自身故障或中子束的均匀度异常。

当然，本领域技术人员熟知地，以上所述的根据检测结果做出的故障诊断状况只是列举出的几种常见情况，有很多种的排列组合，仍然可以通过以上的方式去判断哪些中子捕获治疗系统或者检测装置自身存在哪些故障。在此，虽并未一一列举，但根据这样的精神作出的改变，仍然属于本发明的发明内容。

射束诊断系统包括带有控制部的控制装置，控制部根据射束诊断系统的检测结果发出人类感知的信号以确认中子捕获治疗系统的下一步作业。这种人类感知的信号可以是听觉、视觉、触觉或嗅觉等人类功能器官能够感知的信号，如发出声响的警报器、报警灯、振动、发出刺鼻的气味等多种信号中的一种或多种形式。作为一种优选地，控制装置还包括显示部，显示部用来将检测装置的检测结果和/或根据检测结果作出的故障诊断状况显示于显示设备上，显示设备可以为电视或液晶显示器等常见的显示设备。经过控制装置的反馈，操作人员可以很容易的断定故障部件，从而有的放矢的对中子捕获治疗系统和/或射束诊断系统进行维护作业。

附图说明

图1是硼中子捕获反应示意图。

图2是¹⁰B(n,α) ⁷Li中子捕获核反应方程式。

图3是本发明实施例中的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统的平面示意图。

图4是本发明实施例中的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统运行的逻辑框图。

图5是射束诊断系统中的第一中子束监测装置的另一实施例的平面示意图。

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。本发明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、靶材与热移除系统和射束整形体，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（将在下文详细描述）、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。

无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应，产生的皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子；对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。除了空气射束品质因素，为更了解中子在人体中造成的剂量分布，本发明的实施例中使用人体头部组织假体进行剂量计算，并以假体射束品质因素来作为中子射束的设计参考，将在下文详细描述。

国际原子能机构（IAEA）针对临床硼中子捕获治疗用的中子源，给定了五项空气射束品质因素建议，此五项建议可用于比较不同中子源的优劣，并供以作为挑选中子产生途径、设计射束整形体时的参考依据。这五项建议分别如下：

超热中子射束通量Epithermal neutron flux > 1 x 10⁹ n/cm²s

快中子污染Fast neutron contamination < 2 x 10^-13 Gy-cm²/n

光子污染Photon contamination < 2 x 10^-13 Gy-cm²/n

热中子与超热中子通量比值thermal to epithermal neutron flux ratio <0.05

中子电流与通量比值epithermal neutron current to flux ratio > 0.7

注：超热中子能区在0.5eV到40keV之间，热中子能区小于0.5eV，快中子能区大于40keV。

1、超热中子射束通量：

中子射束通量和肿瘤中含硼药物浓度共同决定了临床治疗时间。若肿瘤含硼药物浓度够高，对于中子射束通量的要求便可降低；反之，若肿瘤中含硼药物浓度低，则需高通量超热中子来给予肿瘤足够的剂量。IAEA对于超热中子射束通量的要求为每秒每平方厘米的超热中子个数大于10⁹，此通量下的中子射束对于目前的含硼药物而言可大致控制治疗时间在一小时内，短治疗时间除了对病人定位和舒适度有优势外，也可较有效利用含硼药物在肿瘤内有限的滞留时间。

2、快中子污染：

由于快中子会造成不必要的正常组织剂量，因此视之为污染，此剂量大小和中子能量呈正相关，因此在中子射束设计上应尽量减少快中子的含量。快中子污染定义为单位超热中子通量伴随的快中子剂量，IAEA对快中子污染的建议为小于2 x 10^-13 Gy-cm²/n。

3、光子污染（γ射线污染）：

γ射线属于强穿辐射，会非选择性地造成射束路径上所有组织的剂量沉积，因此降低γ射线含量也是中子束设计的必要要求，γ射线污染定义为单位超热中子通量伴随的γ射线剂量，IAEA对γ射线污染的建议为小于2 x 10^-13 Gy-cm²/n。

4、热中子与超热中子通量比值：

由于热中子衰减速度快、穿透能力差，进入人体后大部分能量沉积在皮肤组织，除黑色素细胞瘤等表皮肿瘤需用热中子作为硼中子捕获治疗的中子源外，针对脑瘤等深层肿瘤应降低热中子含量。IAEA对热中子与超热中子通量比值建议为小于0.05。

5、中子电流与通量比值：

中子电流与通量比值代表了射束的方向性，比值越大表示中子射束前向性佳，高前向性的中子束可减少因中子发散造成的周围正常组织剂量，另外也提高了可治疗深度及摆位姿势弹性。IAEA对中子电流与通量比值建议为大于0.7。

利用假体得到组织内的剂量分布，根据正常组织及肿瘤的剂量-深度曲线，推得假体射束品质因素。如下三个参数可用于进行不同中子射束治疗效益的比较。

1、有效治疗深度：

肿瘤剂量等于正常组织最大剂量的深度，在此深度之后的位置，肿瘤细胞得到的剂量小于正常组织最大剂量，即失去了硼中子捕获的优势。此参数代表中子射束的穿透能力，有效治疗深度越大表示可治疗的肿瘤深度越深，单位为cm。

2、有效治疗深度剂量率：

即有效治疗深度的肿瘤剂量率，亦等于正常组织的最大剂量率。因正常组织接收总剂量为影响可给予肿瘤总剂量大小的因素，因此参数影响治疗时间的长短，有效治疗深度剂量率越大表示给予肿瘤一定剂量所需的照射时间越短，单位为cGy/mA-min。

3、有效治疗剂量比：

从大脑表面到有效治疗深度，肿瘤和正常组织接收的平均剂量比值，称之为有效治疗剂量比；平均剂量的计算，可由剂量-深度曲线积分得到。有效治疗剂量比值越大，代表该中子射束的治疗效益越好。

为了使射束整形体在设计上有比较依据，除了五项IAEA建议的空气中射束品质因素和上述的三个参数，本发明实施例中也利用如下的用于评估中子射束剂量表现优劣的参数：

1、照射时间≤30min（加速器使用的质子电流为10mA）

2、30.0RBE-Gy可治疗深度≥7cm

3、肿瘤最大剂量≥60.0RBE-Gy

4、正常脑组织最大剂量≤12.5RBE-Gy

5、皮肤最大剂量≤11.0RBE-Gy

注：RBE（Relative Biological Effectiveness）为相对生物效应，由于光子、中子会造成的生物效应不同，所以如上的剂量项均分别乘上不同组织的相对生物效应以求得等效剂量。

请参见图3和图4，本发明的一个方面在于提高中子捕获治疗系统的中子束照射剂量的精确度及提供一种能够用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统以进行故障诊断，在一个技术方案中提供一种用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统。

其中，中子捕获治疗系统包括加速器10、扩束装置20、用于通过带电粒子束P的带电粒子束入口、带电粒子束P、经与带电粒子束P发生核反应从而产生中子束N的中子产生部T、用于调整经中子产生部T产生的中子射束通量与品质的射束整形体30、邻接于射束整形体30的射束出口40、被经射束出口40处出来的射束照射的待照体50和用于将冷却介质置于中子产生部T处以冷却中子产生部T的冷却装置60。其中，加速器10用来给带电粒子束P加速，可以为回旋加速器或者直线加速器等适用于加速器型中子捕获治疗系统的加速器；这里的带电粒子束P优选为质子束；扩束装置20设置在加速器10及中子产生部T之间；带电粒子束入口紧邻中子产生部T并容纳在射束整形体30内，如图3所示的在中子产生部T及扩束装置之间的三个箭头作为带电粒子束入口；中子产生部T容纳在射束整形体30内，这里的中子产生部T优选为锂金属；射束整形体30包括反射体31、被反射体31包围并邻接于中子产生部T的缓速体32、与缓速体32邻接的热中子吸收体33、设置在射束整形体30内的辐射屏蔽34，中子产生部T与自带电粒子束入口入射的带电粒子束P发生核反应以产生中子束N，中子束限定一根主轴，缓速体32将自中子产生部T产生的中子减速至超热中子能区，反射体31将偏离主轴的中子导回主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体33用于吸收热中子以避免治疗时与浅层正常组织造成过多剂量，辐射屏蔽34用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量；射束出口40亦可称作中子束收敛部或者准直器，其减小中子束的宽度以将中子束聚集；经射束出口40射出的中子束照射待照体50的目标部位。

其中，射束诊断系统包括带电粒子束诊断装置和中子束诊断装置，射束诊断系统用于同时诊断中子捕获治疗系统和/或射束诊断系统是否故障。射束诊断系统通过同时检测带电粒子束和中子束，以提高中子束照射剂量的精确度。另外，射束诊断系统通过一系列的检测结果用以判断中子捕获治疗系统中的哪一些装置和/或组件产生异常，或者判断射束诊断系统中的检测装置自身是否异常。这样即可做到有的放矢，提高了中子束照射剂量的精确度，又大大减少了维修时间及成本。

带电粒子束诊断装置进一步包括用于检测进入带电粒子束入口之前处的带电粒子束P的强度与稳定度的第一电流检测装置100和用于检测经与中子产生部T作用的带电粒子束P的强度与变化状况的第二电流检测装置200；射束诊断系统进一步包括用于检测冷却装置60温度从而得知冷却装置60与中子产生部T产生中子束N状况的温度检测装置300；中子束诊断装置进一步包括用于检测射束整形体30内的中子束N的强度变化及空间分布、埋设于射束整形体30内的第一中子束监测装置400和用于检测射束出口40处的中子束N的强度变化及空间分布、埋设于射束出口40处的第二中子束监测装置500；射束诊断系统进一步包括用于诊断待照体50位移是否移动的位移检测装置600。作为一种优选地，第一中子束监测装置400设置有两个中子束监测构件，即第一中子束监测构件401和第二中子束监测构件402；第二中子束监测装置500设置有两个中子束监测构件，即第三中子束监测构件501和第四中子束监测构件502；位移检测装置600设置有两个位移检测构件，即第一位移检测构件601和第二位移检测构件602。

虽在本实施例中第一中子束监测装置400、第二中子束监测装置500及位移检测装置600均设置有两个各自的监测/检测构件，但是本领域技术人员熟知地，这些监测/检测构件的个数可以根据需要进行设定，如也可以为4个、6个或者8个。只要中子束监测构件埋设在射束整形体内（或邻近射束整形体）和/或射束出口内（或邻近射束出口）能够用来检测中子束的强度变化及空间分布，那么这种中子束监测构件可以选用；只要位移检测构件设置在待照体内（或邻近待照体）能够用来检测待照体位移变化，那么这种位移检测构件可以选用。另外，这些监测/检测构件放置的位置并没有严格的限制，只要放置的位置能够起到各自对应的检测功能即可。

这样的设置，使得从加速器的源头一直到待照体的终端都设置有各式各样的检测装置，通过这些检测装置来判断中子捕获治疗系统的各个关键部件或者检测装置自身是否存在异常。作为一种优选地，从加速器的源头一直到待照体的终端这样的设置检测装置：加速器源头处的真空管处设置有检测装置，中子产生部处设置有检测装置，紧邻中子产生部并用于给中子产生部冷却用的冷却装置处设置有检测装置，射束整形体内设置有检测装置，射束出口处设置有检测装置，待照体处设置有检测装置。

本实施例中，第一电流检测装置100为法拉第杯(Faraday cup electrometer)，其是一种金属制的设计成杯状，用来测量带电粒子束入射强度及稳定度的一种真空侦测器，测得的电流可以用来判定带电粒子束的数量。当带电粒子束进入法拉第杯以后，会产生电流。对一个连续的带单电荷的带电粒子束来说：采用公式一来计算，其中，N是带电粒子数量、t是时间（单位为秒）、I是测得的电流（单位为安培）、e是基本电荷（约1.60×10^-19库仑）。我们可以估算，若测得电流为10^-9A（1nA），即约有60亿个带电粒子被法拉第杯收集。

（公式一）

当然，本领域技术人员熟知地，第一电流检测装置100可以为任意的适于在加速器真空管处用来测量带电粒子束入射强度及稳定度的检测装置，如壁电流检测器（WallCurrent Monitor）和束流变压器（Beam Current Transformer）。

所谓壁电流检测器将取样电阻跨接在陶瓷隔离段两端，束流镜像电流流经取样电阻时即可获得电压取样信号，采用公式二来计算，其中，V是检测到的电压值，I_b为带电粒子束电流，Z在特定频率下可以等效为电阻，壁电流检测器等效电路为并联RLC电路，如公式三。因此根据检测到的电压值就可以推算出带电粒子束在某一时间段t内的电流。

（公式二）

（公式三）

所谓束流变压器是利用磁芯上的二级绕组耦合出电流信号，通过分析此信号可获得原始带电粒子束的电流。其包括交流电流变压器（AC Current Transformer，简写为ACCT）、快速电流变压器（Fast Current Transformer，简写为FCT）、谐振式电流变压器（Tuned Current Transformer，简写为TCT）、积分电流变压器（Integrated CurrentTransformer，简写为ICT）和直流电流变压器(DC Current Transformer，简写为DCCT)。由于种类较多，下文对于束流变压器不一一列举，仅以DCCT用来举例。DCCT采用非线性磁调制组件将待测DC信号调制到激励信号的二次谐波进行检测。

本实施例中，第二电流检测装置200为检流计（galvanometer），其一端电连接于中子产生部T，另一端接地，以形成一个检测回路，从而得知在带电粒子束P轰击中子产生部T的过程中中子产生部T上的电流。检流计是根据载流线圈在磁场中受到力矩而偏转的原理制成的。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来指示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细的金属悬丝代替轴承悬挂在磁场中，由于悬丝细而长，反抗力矩很小，所以有很弱的电流通过线圈就足以使它产生显着的偏转。因而检流计比一般的电流表灵敏的多，可以测量微电流（10^-7-10^-10A）或者微电压（10^-3-10^{- 6}V），如光电流、生理电流、温差电动势等。首次记录神经动作电位，就是用此类仪器实现的。

当然，本领域技术人员熟知地，第二电流检测装置200可以为任意的适于在邻近中子产生部用来检测经与中子产生部作用的带电粒子束的强度与变化状况的检测装置，如电流表和伏特表等。

本实施例中，温度检测装置300为热电偶（thermocouple），两种不同成分的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

当然，本领域技术人员熟知地，温度检测装置300可以为任意的适于设置在冷却装置内或邻近冷却装置处的用来检测冷却装置温度从而得知冷却装置与中子产生部产生中子束状况的检测装置，如电阻温度计，其使用已知电阻随温度变化特性的材料所制成的温度传感器，根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度。

可实现实时检测的常见中子束监测装置有电离室及闪烁探测头两种不同检测原理。其中采用电离室结构为基底的有He-3比例计数器、BF₃比例计数器、分裂游离室、硼电离室，而闪烁探测头则可以分为有机与无机材料，对于侦检热中子用途，其闪烁探测头多添加Li或B等高热中子捕获截面元素。简而言之，此类侦检器探测的中子能量多为热中子，皆为倚靠元素与中子发生捕获或核裂变反应所释出的重荷电粒子及核裂变碎片，于电离室或闪烁探测头内产生大量电离对（ion pair），这些电荷被收集后，经过适当的电路转换，便可将电流信号转为电压脉冲信号。透过分析电压脉冲的大小，则可以轻易地分辨出中子信号及γ信号。在高强度中子场中，如BNCT，则可以适当地减少电离室的气体压力、可裂材或硼涂布的浓度或闪烁探测头内高中子捕获截面元素的浓度，便可以有效降低其对中子的灵敏度，避免信号饱和的情况发生。

作为更加优选地，第一中子束监测装置400为分裂游离室（fission chamber），当中子束通过分裂游离室时，与分裂游离室内部气体分子或分裂游离室的壁部发生游离作用，生成电子与带正电荷的例子，此电子和正电荷离子称为上述的离子对。由于分裂游离室内有外加电场高压，因此电子朝中央阳极丝移动，正电荷离子朝周围的阴极壁移动，因而产生可测得的电子脉冲信号。使气体分子产生一离子对所需能量称为平均游离能，该值根据气体种类而异，如空气的平均游离能约为34eV。若有340keV的中子束，会使空气产生约10k个离子对。

当然，本领域技术人员熟知地，第一中子束监测装置400可以为任意的适于埋设在射束整形体内的用来检测射束整形体内的中子束的强度变化及空间分布的检测装置，如He-3比例计数器、BF₃比例计数器、硼电离室和闪烁探测头等。

作为更加优选地，第二中子束监测装置500为闪烁探测头（scintillatordetector），某些物质吸收能量之后会放出可见光，此种物质称为闪烁物质。它是利用游离辐射将晶体或分子中的电子激发至激态，而当电子回到基态时放出的荧光被收集后用来作中子束监测。闪烁探测头与中子束作用后所发射的可见光，可利用光电倍增管将可见光转化为电子，再倍增放大，通常电子倍增放大率可达107至108。阳极输出的电子数与入射的中子束能量成正比，因此闪烁探测头能测量中子束的能量。

当然，本领域技术人员熟知地，第二中子束监测装置500可以为任意的适于置于射束出口内或者邻近射束出口处的用来检测射束出口处的中子束的强度变化及空间分布的检测装置，如He-3比例计数器、BF₃比例计数器、硼电离室和分裂游离室等。

作为更加优选地，位移检测装置600为红外信号探测器，红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。这种探测器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。

当然，本领域技术人员熟知地，位移检测装置600可以为任意的适于用来检测待照体位移变化的检测装置，如位移传感器。所谓位移传感器根据待照体相对某一参照物的位移变化来确定待照体是否移动。本领域技术人员还熟知地，位移检测装置不仅可以用来检测待照体的位移变化，还可以用来检测固定待照体的支撑件和/或治疗台等位移的变化，从而间接地得知待照体的位移变化。

本领域技术人员熟知地，第一电流检测装置、第二电流检测装置、温度检测装置、第一中子束监测装置、第二中子束监测装置和位移检测装置的个数和检测元件均不限定，本实施例中的个数和检测元件只是作为一种举例。

根据检测和/或监测装置的检测结果相互之间的函数关系，可以显而易见地列举出故障的部件，下面列举出几种根据相应的检测结果做出的故障诊断状况。

当检测到第一电流检测装置100、第二电流检测装置200、温度检测装置300、第一中子束监测装置400和第二中子束监测装置500中的任何一个检测或监测装置发生异常而其他检测或监测装置均正常时，则推断该异常的检测或监测装置自身故障；当检测到位移检测装置600发生异常而其他检测或监测装置均正常的情况下，则推断待照体50位移发生变化或位移检测装置600故障。

当检测到第一电流检测装置100、第二电流检测装置200、温度检测装置300、第一中子束监测装置400和第二中子束监测装置500均发生异常时，则推断加速器10故障。

当检测到第二电流检测装置200、温度检测装置300、第一中子束监测装置400和第二中子束监测装置500均发生异常而第一电流检测装置100和位移检测装置600均正常时，则推断扩束装置20故障。

当检测到温度检测装置300、第一中子束监测装置400和第二中子束监测装置500均发生异常而第一电流检测装置100、第二电流检测装置200和位移检测装置600均正常时，则推断中子产生部T和/或冷却装置60故障。

当检测到第一中子束监测装置400和第二中子束监测装置500均发生异常而第一电流检测装置100、第二电流检测装置200、温度检测装置300和位移检测装置600均正常时，则推断射束整形体30故障。

当检测到第一中子束监测构件401和第二中子束监测构件402中的任一个监测结果异常和/或第三中子束监测构件501和第四中子束监测构件502中的任一个监测构件异常，则推断异常的中子束检测构件自身故障或中子束的均匀度异常。

当然，本领域技术人员熟知地，以上所述的根据检测结果做出的故障诊断状况只是列举出的几种常见情况，有很多种的排列组合，仍然可以通过以上的方式去判断哪些中子捕获治疗系统或者检测装置自身存在哪些故障。在此，虽并未一一列举，但根据这样的精神作出的改变，仍然属于本发明的发明内容。

射束诊断系统包括带有控制部710的控制装置700，控制部710根据射束诊断系统的检测结果发出人类感知的信号以确认中子捕获治疗系统的下一步作业。这种人类感知的信号可以是听觉、视觉、触觉或嗅觉等人类功能器官能够感知的信号，如发出声响的警报器、报警灯、振动、发出刺鼻的气味等多种信号中的一种或多种形式。作为一种优选地，控制装置700还包括显示部720，显示部720用来将检测装置的检测结果和/或根据检测结果作出的故障诊断状况显示于显示设备上，显示设备可以为电视或液晶显示器等常见的显示设备。经过控制装置的反馈，操作人员可以很容易的断定故障部件，从而有的放矢的对中子捕获治疗系统和/或射束诊断系统进行维护作业。

请进一步参照图5，其揭示了第一中子束监测装置的另一实施例，以数字400’为标记，图示中与图3相同的装置/构件，仍然采用相同的数字标识，并且为了便于显示，省略了冷却装置及其他的检测/检测装置。

第一中子束监测装置400’可以包括一个或者多个中子束监测构件，而且其可以设置在邻近射束整形体30处以检测经中子产生部T溢出的中子束从而以直接的方式检测该中子束的强度变化及空间分布，也可以设置在邻近射束整形体30处以检测经带电粒子束P与中子产生部T作用后生成的γ射线，根据γ射线与中子束之间的函数关系，也可以间接检测中子束的强度变化及空间分布。控制装置700’包括控制部710’和显示部720’。显示部720’用来将检测装置400’的检测结果和/或根据检测结果作出的故障诊断状况显示于显示设备上，显示设备可以为电视或液晶显示器等常见的显示设备。经过控制装置的反馈，操作人员可以很容易的断定故障部件，从而有的放矢的对加速器10进行下一步作业。

综上，第一中子束监测装置不论设置在射束整形体内也好，还是设置在邻近射束整形体处，只要在所设置位置之处能够用来检测射束整形体内的中子束的强度变化及空间分布的检测装置则可以选用。

本发明揭示的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统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 (11)

1.一种用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述中子捕获治疗系统包括带电粒子束、用于通过所述带电粒子束的带电粒子束入口、经与所述带电粒子束发生核反应从而产生中子束的中子产生部、用于调整经所述中子产生部产生的中子射束通量与品质的射束整形体和邻接于所述射束整形体的射束出口，其中，所述带电粒子束入口容纳在所述射束整形体内，所述中子产生部容纳在所述射束整形体内，所述射束诊断系统包括带电粒子束诊断装置和中子束诊断装置，所述射束诊断系统用于同时诊断所述射束诊断系统或所述射束诊断系统和所述中子捕获治疗系统是否故障，所述射束诊断系统根据所述射束诊断系统的检测结果之间的相互关系做出相应的故障诊断情况判断。

2.根据权利要求1所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述中子捕获治疗系统进一步包括用于将冷却介质置于所述中子产生部处以冷却所述中子产生部的冷却装置和被经所述射束出口处出来的射束照射的待照体，所述射束诊断系统进一步包括用于检测所述冷却装置温度从而得知所述冷却装置与中子产生部产生中子束状况的温度检测装置和用于诊断所述待照体位移是否移动的位移检测装置。

3.根据权利要求2所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述中子捕获治疗系统进一步包括用于扩大所述带电粒子束的扩束装置；所述带电粒子束诊断装置进一步包括用于检测进入所述带电粒子束入口之前处的所述带电粒子束的强度与稳定度的第一电流检测装置和用于检测经与所述中子产生部作用的所述带电粒子束的强度与变化状况的第二电流检测装置；所述中子束诊断装置进一步包括用于检测所述射束整形体内的中子束的强度变化及空间分布、埋设于所述射束整形体内的第一中子束监测装置和用于检测所述射束出口处的中子束的强度变化及空间分布、埋设于所述射束出口处的第二中子束监测装置。

4.根据权利要求3所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述中子捕获治疗系统进一步包括用于加速所述带电粒子束的加速器，所述射束诊断系统同时用于诊断所述中子捕获治疗系统的所述中子产生部或所述射束整形体或所述冷却装置或所述加速器或所述扩束装置是否故障。

5.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：当检测到所述第一电流检测装置、所述第二电流检测装置、所述温度检测装置、所述第一中子束监测装置和所述第二中子束监测装置中的任何一个检测或监测装置发生异常而其他检测或监测装置均正常时，则推断该异常的检测或监测装置自身故障；当检测到所述位移检测装置发生异常而其他检测或监测装置均正常的情况下，则推断所述待照体位移发生变化或所述位移检测装置故障。

6.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：当检测到所述第一电流检测装置、所述第二电流检测装置、所述温度检测装置、所述第一中子束监测装置和所述第二中子束监测装置均发生异常时，则推断所述加速器故障。

7.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：当检测到所述第二电流检测装置、所述温度检测装置、所述第一中子束监测装置和所述第二中子束监测装置均发生异常而所述第一电流检测装置和所述位移检测装置均正常时，则推断所述扩束装置故障。

8.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：当检测到所述温度检测装置、所述第一中子束监测装置和所述第二中子束监测装置均发生异常而所述第一电流检测装置、所述第二电流检测装置和所述位移检测装置均正常时，则推断所述中子产生部和/或所述冷却装置故障。

9.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：当检测到所述第一中子束监测装置和所述第二中子束监测装置均发生异常而所述第一电流检测装置、所述第二电流检测装置、所述温度检测装置和所述位移检测装置均正常时，则推断所述射束整形体故障。

10.根据权利要求4所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述第一中子束监测装置包括分别位于所述射束整形体内相对两侧的第一中子束监测构件和第二中子束监测构件，所述第二中子束监测装置包括分别位于所述射束出口处相对两侧的第三中子束监测构件和第四中子束监测构件，当检测到第一中子束监测构件和第二中子束监测构件中的任一个监测结果异常和/或第三中子束监测构件和第四中子束监测构件中的任一个监测构件异常，则推断异常的中子束检测构件自身故障或中子束的均匀度异常。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的用于中子捕获治疗系统的射束诊断系统，其特征在于：所述射束诊断系统包括带有控制部的控制装置，所述控制部根据所述射束诊断系统的检测结果发出人类感知的信号以确认所述中子捕获治疗系统的下一步作业。

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