CN109925611B - 中子捕获治疗装置 - Google Patents
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Abstract
本申请中子捕获治疗装置包括用于产生带电粒子束的加速器及对中子射束进行整形的射束整形体，所述射束整形体包括射束入口、经带电粒子束照射后产生中子射束的中子产生部、邻接于所述中子产生部的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体、设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，所述中子产生部经带电粒子束照射后产生中子，所述缓速体将自中子产生部产生的中子减速至预设能谱，所述反射体将偏离的中子导回以提高预设能谱内中子强度，所述中子捕获治疗装置还包括与射束出口连通的准直器，所述准直器的结构及尺寸能够改变以将中子射束限定在不同的照射范围。准直器的结构及尺寸能够改变，结构简单，应用灵活。
Description
技术领域
本发明涉及一种放射性射线治疗装置，尤其涉及一种中子捕获治疗装置。
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，其示出了硼中子捕获反应的示意图，两荷电粒子的平均能量约为2.33MeV，具有高线性转移(Linear Energy Transfer,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。
在加速器硼中子捕获治疗中，加速器硼中子捕获治疗通过加速器将质子束加速，所述质子束加速至足以克服靶材原子核库伦斥力的能量，与所述靶材发生核反应以产生中子，中子经缓速体缓速到预设能谱，经准直器照射至被照射体，可见准直器是与被照射体最直接、最接近的，因此准直器对中子射束的照射非常重要。
发明内容
为了提供一种结构和尺寸能够改变的准直器，本发明的一个方面提供一种中子捕获治疗装置，所述中子捕获治疗装置包括用于产生带电粒子束的加速器及对中子射束进行整形的射束整形体，所述射束整形体包括射束入口、经带电粒子束照射后产生中子射束的中子产生部、邻接于所述中子产生部的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体、设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，所述中子射束限定一根主轴，所述中子产生部经带电粒子束照射后产生中子，所述缓速体将自中子产生部产生的中子减速至预设能谱，所述反射体将偏离的中子导回以提高预设能谱内中子强度，所述中子捕获治疗装置还包括与射束出口连通的准直器，所述准直器的结构及尺寸能够改变以将中子射束限定在不同的照射范围。
进一步地，所述准直器包括基部和连接于所述基部的主体部，所述基部具有与所述射束出口相连通的开口，所述主体部连接于基部并对中子射束的照射范围进行限定，主体部的主轴与中子射束限定的主轴重合。将主体部和基部设置为分体式结构，针对被照射体的实际情况更换不同形状和尺寸的主体部，以获得适当照射范围的中子射束。
进一步地，所述基部还包括与中子射束照射方向垂直的安装面，所述主体部的一端安装于所述安装面，另一端沿中子射束的照射方向延伸出，以对中子射束的照射范围进行限定。
进一步地，所述基部的安装面设有固持部，所述主体部对应基部的固持部设有与固持部配合的卡持部。通过固持部和卡持部配合将主体部固定在基部。
作为一种优选地，至少部分主体部为锥体状。
进一步地，所述主体部包括第一主体部和连接于第一主体部并能从第一主体部拆卸的第二主体部，所述第一主体部固持于基部，第二主体部固持于第一主体部，所述中子射束通过第一主体部后经第二主体部照射出。
进一步地，所述第一主体部为具有第一通孔的圆柱状，第二主体部为具有第二通孔的锥体状，所述第一通孔与基部开口相连通，第二通孔与第一通孔相连通。
作为一种优选地，所述第一主体部为整体式结构，所述第二主体部为整体式结构，第二主体部固定于第一主体部。
作为一种优选地，所述主体部由准直件拼接组成，所述准直件包括第一准直件和第二准直件，所述多个第一准直件拼接形成具有第一通孔的第一主体部，多个第二准直件拼接形成具有第二通孔的第二主体部，所述第一通孔与基部的开口相连通，所述第二通孔与第一通孔相连通。也就是说，所述第一主体部和第二主体部采用非整体式结构，利用第一准直件和第二准直件拼接形成更多结构或尺寸的第一主体部和第二主体部。
进一步地，所述射束整形体埋设于屏蔽墙，所述基部固定于屏蔽墙，基部的开口与射束出口相连通，准直器的主体部与射束整形体分别位于屏蔽墙的两侧。
与现有技术相比，本申请能够根据被照射体的具体情况对准直器的结构及尺寸进行改变，结构简单，应用灵活，适用范围广。
本申请所述“柱体状”是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势基本不变的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆柱体状的对应的轮廓线，也可以是曲率较大的接近线段的圆弧，如曲率较大的球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆柱体状或曲率较大的球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。
本申请所述“锥体状”是指沿着图示方向的一侧到另一侧其外轮廓的整体趋势逐渐变小的结构，外轮廓的其中一条轮廓线可以是线段，如圆锥体状的对应的轮廓线，也可以是圆弧，如球面体状的对应的轮廓线，外轮廓的整个表面可以是圆滑过渡的，也可以是非圆滑过渡的，如在圆锥体状或球面体状的表面做了很多凸起和凹槽。
附图说明
图1是本申请硼中子捕获反应示意图；
图2是本申请中子捕获治疗装置的剖视图；
图3是本申请第一种实施方式中准直器的示意图；
图4是图3所示准直器另一角度的示意图；
图5是第二种实施方式中第一准直件的示意图；
图6是第二种实施方式中第二准直件的示意图；
图7是本申请准直器基部的安装面的示意图；
图8是准直器主体部与基部安装面配合的表面的示意图。
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，本申请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。本申请的实施例中采用7Li(p,n)7Be的核反应。
另外，在中子捕获治疗装置实际治疗过程中，不同患者的肿瘤大小以及肿瘤位置也会不同，不同情况的肿瘤对中子射束的照射范围要求也不一样，而中子射束照射范围的限定与准直器有直接的关系；因此不同情况的肿瘤需要采用不同口径的准直器。同样，准直器与肿瘤直接的相对位置也需要根据具体情况来进行调整，以利于中子捕获治疗装置对肿瘤的照射；因此有必要对中子捕获治疗装置中的准直器进行改进。
如图2所示，本申请提供一种中子捕获治疗装置100，所述中子捕获治疗装置100包括用于产生带电粒子束P的加速器200、经带电粒子束P照射后产生中子射束N的中子产生部10、对中子射束进行整形的射束整形体20以及准直器30，产生的中子射束限定一根轴线I。射束整形体20包括射束入口21、邻接于中子产生部10的缓速体22、包围在缓速体22外的反射体23和射束出口24。中子捕获治疗装置100通过加速器200将带电粒子束P加速，加速后的带电粒子束P与中子产生部10发生7Li(p,n)7Be核反应以产生中子射束N(参照图1)，产生的中子射束N经过缓速体22减速至预设能谱，反射体23将偏离的中子导回中子射束N限定的轴线I上，以提高预设能谱内的中子强度后再从射束出口24射出，所述准直器30对中子射束N的照射范围进行限定。
所述准直器30的结构及尺寸能够改变以将中子射束N限定在不同的照射范围。结合图3和图4，所述准直器30包括基部31和连接于所述基部31的主体部32，所述基部31包括与中子射束N照射方向垂直的安装面311(结合图7)，所述主体部32的一端安装于所述安装面311，另一端沿中子射束N的照射方向延伸出，以对中子射束N的照射范围进行限定。所述基部31还包括与所述射束出口24相连通的开口33，所述开口33用以对中子射束N的照射范围进行限定，主体部32的轴线II与中子射束N限定的轴线I重合。所述主体部32包括第一主体部321和连接于第一主体部321并且能够从第一主体部321拆卸的第二主体部322。所述第一主体部321固持于基部31，第二主体部322固持于第一主体部321，所述中子射束N通过第一主体部321后经第二主体部322照射出。所述第一主体部321的结构与第二主体部322的结构可以相同也可以不同。本申请中，所述第一主体部321与第二主体部322的结构不同。
作为一种实施方式，本申请中，所述第一主体部321为具有第一通孔323的圆柱体结构，第二主体部322为具有第二通孔324的锥体状结构，所述第一通孔323与基部31的开口33相连通，所述第二通孔324和第一通孔323相连通。所述第一主体部321的一端安装于所述基部31的安装面311，所述第一主体部321的另一端用于安装第二主体部322，所述第一主体部321为自与基部31连接的一端向与第二主体部322靠近被照射体一端直径几乎保持不变的圆柱状结构。所述第二主体部322具有与第一主体部321连接的一端以及靠近被照射体的一端，所述第二主体部322为自与第一主体部连接的一端向第二主体部322连接的一端直径逐渐减小的锥体状结构。所述中子射束N自射束出口24射出，经第一主体部321的第一通孔323后自第二主体部322的第二通孔324照射出。所述第一主体部321的一端安装于所述基部31的安装面311，另一端用于安装第二主体部322。
作为另一种实施方式，所述第一主体部321和第二主体部322均由多个准直件拼接组成(如图5和图6所示)。所述准直件包括第一准直件和第二准直件，多个第一准直件拼接形成具有第一通孔323’的第一主体部321’，多个第二准直件拼接形成具有第二通孔324’的第二主体部322’，所述第一通孔323’与基部31的开口33连通，第二通孔324’与第一通孔323’连通，所述中子射束N自射束出口24射出，经第一主体部321’的第一通孔323’后自第二主体部322’的第二通孔324’照射出。在本实施方式中，所述第一准直件拼接形成圆柱状的第一主体部321’，第二准直件拼接形成锥体状的第二主体部322’。本实施方式中，不同形状或者尺寸的准直件能够拼接出不同结构的主体部，只要根据具体需要选择合适形状及尺寸的准直件进行拼接即可，结构简单。
上述实施方式中，将第二主体部322设置为锥体状结构能够使得准直器在靠近被照射体时对外界产生尽量少的干涉，同时也更加有利于靠近对被照射体。
本申请中，所述射束整形体20埋设于屏蔽墙W(结合图2)，所述基部31固定于屏蔽墙W，基部31的开口33与射束出口24相连通，所述准直器30的主体部32与射束整形体20分别位于屏蔽墙W的两侧，所述基部31通过螺栓固定连接于屏蔽墙W。所述基部31包括与中子射束N照射方向垂直的安装面311，所述安装面311上设有固持部34(如图7所示)，所述主体部32与安装面311配合的表面对应基部31的固持部34设有卡持部35(如图8)，所述主体部32通过卡持部与基部31的固持部34配合以固定在基部31。具体地，所述第一主体部321安装于基部31的一端对应固持部34设有卡持部35，所述第一主体部321的另一端设有用于安装第二主体部322的固持部(未标号)，所述第二主体部322对应第一主体部321的固持部设有卡持部(未标号)，所述第二主体部322通过卡持部与第一主体部321的固持部的配合固定于第一主体部321。当然，所述准直器的基部也可以直接固定在射束整形体上，只要基部的开口与射束出口相连通即可。
在具体照射过程中，根据对准直器的实际需求，所述主体部还可以包括第三主体部、第四主体部等等。所述第一主体部321和第二主体部322的结构也可以是除锥体状和圆柱状以外的其他结构。当然，准直器的结构、尺寸除了会对中子射束的照射范围产生影响，也会对中子射束的品质产生影响，因此在实际操作过程中，还需考虑准直器的结构、尺寸对中子射束的品质影响，此处就不再详细说明。
本申请中子捕获治疗装置能够根据被照射体的具体情况对准直器的结构及尺寸进行改变，结构简单，应用灵活，适用范围广。
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。在本申请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，都在本申请要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种中子捕获治疗装置，其特征在于：所述中子捕获治疗装置包括用于产生带电粒子束的加速器及对中子射束进行整形的射束整形体，所述射束整形体包括射束入口、经带电粒子束照射后产生中子射束的中子产生部、邻接于所述中子产生部的缓速体、包围在所述缓速体外的反射体、与所述缓速体邻接的热中子吸收体、设置在所述射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口，所述中子射束限定一根轴线，所述中子产生部经带电粒子束照射后产生中子，所述缓速体将自中子产生部产生的中子减速至预设能谱，所述反射体将偏离的中子导回以提高预设能谱内中子强度，所述中子捕获治疗装置还包括与射束出口连通的准直器，所述准直器的结构及尺寸能够改变以将中子射束限定在不同的照射范围,所述准直器包括基部和连接于所述基部的主体部，所述基部具有与所述射束出口相连通的开口，所述开口用以对中子射束的照射范围进行限定，所述基部还包括与中子射束照射方向垂直的安装面，所述主体部安装于所述安装面，所述主体部沿中子射束的照射方向延伸出，所述主体部的轴线与中子射束限定的轴线重合。
2.根据权利要求1所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述中子捕获治疗装置用于硼中子捕获治疗，所述主体部的一端安装于所述安装面，另一端沿中子射束的照射方向延伸出，以对中子射束的照射范围进行限定。
3.根据权利要求2所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述基部的安装面设有固持部，所述主体部对应基部的固持部设有与固持部配合的卡持部。
4.根据权利要求1所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：至少部分主体部为锥体状。
5.根据权利要求1所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述主体部包括第一主体部和连接于第一主体部并能从第一主体部拆卸的第二主体部，所述第一主体部固持于基部，第二主体部固持于第一主体部，所述中子射束通过第一主体部后经第二主体部照射出。
6.根据权利要求5所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述第一主体部为具有第一通孔的圆柱状，第二主体部为具有第二通孔的锥体状，所述第一通孔与基部开口相连通，第二通孔与第一通孔相连通。
7.根据权利要求5所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述第一主体部为整体式结构，所述第二主体部为整体式结构，第二主体部固定于第一主体部。
8.根据权利要求5所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述主体部由准直件拼接组成，所述准直件包括第一准直件和第二准直件，多个所述第一准直件拼接形成具有第一通孔的第一主体部，多个第二准直件拼接形成具有第二通孔的第二主体部，所述第一通孔与基部的开口相连通，所述第二通孔与第一通孔相连通。
9.根据权利要求1所述的中子捕获治疗装置，其特征在于：所述射束整形体埋设于屏蔽墙，所述基部固定于屏蔽墙，基部的开口与射束出口相连通，准直器的主体部与射束整形体分别位于屏蔽墙的两侧。
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