CN110913953A - 通过外科手术定位的中子通量激活的高能治疗带电粒子生成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于治疗高度局部癌细胞的方法，该方法提供对高度电离但辐射穿透性弱的治疗源的精确定位，所述治疗源可被成形为使得其基本上仅辐照肿瘤块体。由治疗源产生的辐照的强度和持续时间可通过控制由定位于正被治疗的身体外的电控中子发生器阵列所产生的中子通量而起动和停用，中子与源元件相互作用的能量可通过在中子发生器阵列与身体之间使用中子慢化材料而被调整，以优化离子辐射产生的反应速率。源装置根据需要可以留在原处且停用，以确保肿瘤被根除，而不会使患者暴露于治疗之间的任何另外辐射中。一旦完成治疗就可以移除源装置。

Description

通过外科手术定位的中子通量激活的高能治疗带电粒子生成 系统
相关申请的交叉引用
本申请是普通申请并且要求于2017年8月15日提交的申请号为No.62/545,522的美国临时专利申请的优先权。
背景
1.领域
本发明总体上涉及癌症治疗，并且更特别地涉及高度局部的癌细胞治疗。
2.相关技术
使用电离辐射来治疗人体中高度局部的癌细胞(诸如肿瘤)已被证明是非常有效的。然而，向身体施加电离辐射通常涉及使得所使用的辐射在其到达预期目标部位之前先穿过健康的组织。这导致对健康组织有损伤。这限制了每次可以对肿瘤进行的损伤量，从而导致需要多次治疗、潜在的不利生物学后果累积以及治疗的高经济成本。如果健康的细胞损伤修复不能跟得上肿瘤的生长速度和/或转移速度以允许进行充分治疗，则患者可能会因癌而死亡。
发明内容
本发明通过提供一种治疗动物体内的局部癌细胞的方法克服了癌症放射治疗的有害影响，该方法包括以下步骤：将治疗源定位在身体内、在癌细胞附近，治疗源在不暴露于低于给定活性的中子源时基本上不具有放射活性，但当治疗源暴露于处于给定活性或高于给定活性的中子场时，治疗源变成高度电离但辐射穿透性弱的治疗源。优选地，定位步骤通过外科手术将治疗源的材料植入到癌细胞上。用处于给定活性或高于给定活性的中子场从体外辐照治疗源规定的时间段，并以规定的间隔重复辐照步骤。优选地，高度电离但辐射穿透性弱的治疗源包括B4C、P-31或其他产生相当的高能α或β粒子而不产生γ辐射或产生低能γ辐射的材料。治疗源应不溶于水、对身体无毒并且具有短的半衰期。期望地，如果使用B4C，则B4C富含B-10。
在一个优选的实施方案中，高度电离但辐射穿透性弱的治疗源构造成使得其基本上仅辐照癌细胞。为了达到该目的，在治疗源的不面对癌细胞的一侧上形成辐射屏蔽材料。优选地，辐照治疗源的步骤包括使用电中子发生器(诸如Neutristor)辐照治疗源的步骤。一个这样的实施例采用定位在身体周围以从不同角度辐照治疗源的多个电中子发生器。
在另一个实施例中，该方法包括以下步骤：在电中子发生器与治疗源之间使用中子慢化材料来调节中子能量，以优化由治疗源产生的高度电离但穿透性弱的辐射。中子慢化材料可以是D2O、C或具有类似慢化性质的其他材料。中子慢化材料放置在体外、在电中子发生器与身体之间。
在一个这样的实施例中，在治疗局部癌细胞的治疗之间将治疗源留在体内，一旦治疗完成，就将治疗源从身体移除。治疗源可以包括一个或多个非常薄的盘或板，所述盘或板具有微米级厚度并具有足够的组合表面积，以确保当盘或板中的一个或多个围绕癌细胞放置并且用中子场辐照时，整个体积的局部癌细胞将受到高度电离但穿透性弱的辐射影响。
在又一个实施例中，该方法包括以下步骤：使用γ能谱仪监测由治疗源的材料的中子辐射产物发射的γ辐射强度，同时可以在发生中子辐射时监测带电粒子的产生率。所监测的γ辐射强度和中子场的中子活性可用于确定已施加到身体的辐射剂量。该方法还可以基于所监测的γ辐射强度和辐射剂量来控制中子场的强度。
附图说明
当结合附图阅读优选实施例的以下描述时，可以得到对本发明的进一步理解，附图中：
图1是可用于实施本发明的方法的设备的示意图。
具体实施方式
根据用于治疗高度局部的癌细胞的发明，治疗源的一个或多个非常薄(例如，微米级厚度)的盘或板具有足够的表面积，以确保当一个或多个装置被植入患者体内、靠近肿瘤且优选邻近肿瘤时，整个体积的局部癌细胞将受到所发射的辐射影响。如本文所用，术语“患者”是指动物，诸如人。所使用的治疗源的材料应该为能产生高能α或β粒子而不产生γ辐射或产生低能γ辐射的材料。该材料必须不溶于水且无毒。该材料的中子反应产物对受试者也应该是无毒的并且具有非常短的半衰期。将B4C用作源材料是具有这些品质的材料的一个示例，并且对于半衰期短、高能α或β粒子且无γ辐射或低能γ辐射，是指材料的半衰期大约与B4C一样短或比B4C短，材料的α或β粒子能量与B4C一样高或高于B4C，并且材料的无γ辐射能或低γ辐射能约等于B4C的辐射能。该材料的优选实施例使用富含B-10的B4C。另一种可接受的选择是使用含有高浓度P-31的化合物。要插入以用于进行辐射的治疗性源材料可以使用多种可商购的制造技术进行成形，并且优选地在源材料的背离癌的一侧上具有屏蔽物，该屏蔽物是中子基本透过的，但屏蔽至少一些高度电离颗粒(诸如是轻金属状铝)以免危害环绕癌的健康组织。
微型电动快速中子发生器的阵列的构造类似于由桑迪亚国家实验室开发的“Neutristor”设计，该设计以标题《用于未来探测器校准的新型紧凑型基于神经元和伽马源的加速器(Novel Compact Accelerator Based Neuron and Gamma Sources forFuture Detector Calibration)》在Snowmass 2013White Paper进行了描述，G.Jennings,C.Sanzeni，D.R.Winn,Fairfield University,Fairfield CT 06824,一旦将源材料植入患者体内，该微型电动快速中子发生器可用于用中子场来辐照治疗源材料。理想地，该阵列可以根据需要进行构造，以在源位置处提供足以使中子反应速率最大化而又不会向受试者身体的其他部位提供过多中子暴露的中子强度。理想地，该阵列在几何上构造成以不同角度在癌上提供中子入射，以提供来自阵列中每个发生器的最大数量的足够热化的中子来到达目标位置。这是通过将中子源阵列的几何形状和用作放置在中子阵列和辐照靶之间的中子慢化器的材料厚度的变化相结合来实现的。建立最佳条件所需的计算可以由本领域技术人员使用许多不同的可商购的中子输运计算产品(诸如可从洛斯阿拉莫斯国家实验室(LosAlamos National Laboratory)获得的MCNP)来进行行。
图1是说明用来实施本发明的某些方法的设备的示意图。如图1所示，治疗源10被植入患者12体内。电中子发生器14的阵列被配置成用中子场辐照患者12体内的治疗源10。提供中子慢化器16，其在几何上被构造并被放置在每个电中子发生器14与治疗源10靶之间。中子慢化器16包括足够量的材料，如D2O或C，并且被独立地调节以实现以下目的：通过与目标治疗源的材料进行中子反应，提供具有最佳能量的最大数量的中子以用于产生带电粒子。
提供γ能谱仪18，该γ能谱仪测量由在中子反应中产生的目标同位素发射的γ辐射的强度，因此在发生中子辐照时可监测带电粒子的产生率。这可以使用许多可商购的设备来实现。
计算控制系统20使用所测量的γ活性和中子发生器的活性状态来确定相对于剂量目标已经施加给患者的辐射剂量。计算控制系统20具有基于γ强度和所测量的剂量测量值来增加或减小由阵列中的任何中子发生器或所有中子发生器提供的中子强度的能力。
本文所述的用于治疗癌的方法和系统与其他类型的放射治疗的不同之处在于：它依赖于在肿瘤中或肿瘤周围创建和植入的非放射性靶标与在期望区域中提供有限量的治疗沉积物的化合物注入。该系统提供的最初在医院环境中对非放射性材料进行中子活化的能力使得带电粒子癌治疗的效益最大化，并最小化对患者和护理人员的不想要的费用和辐射暴露。这种方法允许非常精确和有效地进行肿瘤杀灭。另外，目标源可以留在原处而不增加对患者的全身辐射剂量，直到肿瘤完全死亡。可以相对容易地进行多次辐照。使用电中子发生器(例如Neutristor)，可以提高在医院环境而不是反应堆或非常大的中子源位置进行治疗的性能。相对于现有的放射治疗方法，这大大降低了治疗成本(或大大增加了治疗收益)。
尽管已经详细描述了本发明的特定实施例，但是将意识到的是，本领域技术人员可以根据本公开的整体教导对这些细节进行各种修改和改变。因此，所公开的特定实施例仅仅是说明性的而并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求及其任何和所有等同方案的全部范围给出。

Claims (20)

1.一种治疗动物(12)的身体内的局部癌细胞的方法，方法包括以下步骤：
将治疗源(10)定位在身体内、在癌细胞附近，治疗源(10)当不暴露于低于给定活性的中子源时基本上不具有放射活性，但当治疗源暴露于处于给定活性或高于给定活性的中子场时变成高度电离但辐射穿透性弱的治疗源；
用处于给定活性或高于给定活性的中子场从体外辐照治疗源(10)规定的时间段；并且
以规定的间隔重复辐照步骤。
2.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，高度电离但辐射穿透性弱的治疗源(10)包括B4C或P-31。
3.根据权利要求2所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述B4C富含B-10。
4.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述高度电离但辐射穿透性弱的治疗源(10)被构造为使得其基本上仅辐照癌细胞。
5.根据权利要求4所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，在所述治疗源(10)的不面对所述癌细胞的一侧上形成辐射屏蔽材料，所述辐射屏蔽材料屏蔽至少一些高电离辐射但是中子基本透过。
6.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述定位步骤包括以下步骤：通过外科手术将所述治疗源(10)大致植入到癌细胞上。
7.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，辐照治疗源(10)的步骤包括使用电中子发生器(14)来辐照治疗源(10)的步骤。
8.根据权利要求7所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述电中子发生器(14)是Neutristor。
9.根据权利要求7所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述电中子发生器(14)包括定位在身体周围以从不同角度辐照所述治疗源(10)的多个电中子发生器。
10.根据权利要求7所述的治疗局部癌细胞的方法，包括以下步骤：在电中子发生器(14)与治疗源(10)之间使用中子慢化材料(16)来调节中子能量以优化由治疗源(10)产生的高度电离但穿透性弱的辐射。
11.根据权利要求10所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，所述中子慢化材料(16)包括D2O或C。
12.根据权利要求10所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，使用中子慢化材料(16)的步骤包括将中子慢化材料(16)放置在身体外部的步骤。
13.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，所述方法包括：在治疗局部癌细胞的治疗之间将治疗源(10)留在身体内的步骤。
14.根据权利要求13所述的治疗局部癌细胞的方法，所述方法包括：一旦完成对局部癌细胞的治疗将治疗源(10)从身体移除的步骤。
15.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，治疗源(10)包括一个或多个非常薄的盘或板，所述盘或板具有微米级厚度并具有足够的组合表面积，以确保当盘或板中的一个或多个围绕癌细胞放置并且用中子场辐照时，整个体积的局部癌细胞将受到高度电离但穿透性弱的辐射影响。
16.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，治疗源(10)由产生高能α或β粒子而不产生γ辐射或产生低能γ辐射的材料构造而成。
17.根据权利要求16所述的治疗局部癌细胞的方法，其中，治疗源的材料不溶于水、对身体无毒，并且具有短的半衰期。
18.根据权利要求1所述的治疗局部癌细胞的方法，所述方法包括以下步骤：使用γ能谱仪(18)监测由治疗源的材料的中子辐射产物发射的γ辐射强度，同时在发生中子辐射时监测带电粒子的产生率。
19.根据权利要求18所述的治疗局部癌细胞的方法，所述方法包括使用所监测的γ辐射强度和中子场的中子活性来确定已施加到身体上的辐射剂量。
20.根据权利要求19所述的治疗局部癌细胞的方法，所述方法包括基于所监测的γ辐射强度和辐射剂量来控制中子场的强度。
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