CN111135477A - 一种基于电子加速器硼中子俘获治疗系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，系统包括电子枪、加速结构、束流输运分析系统、辅助系统、靶室、光中子慢化整形端及光中子应用端。本发明提供的中子俘获系统具有结构紧凑，成本低，安装方便等特点，可以安装在医院里边，由于体积较小，也可以制作成移动式治疗端(如车载的形式)，进行移动治疗。

Description

一种基于电子加速器硼中子俘获治疗系统

技术领域

本发明属于核技术与医疗技术领域，尤其涉及一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统。

背景技术

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是通过向患者体内注射含硼药物后，再用超热中子或者热中子照射患者肿瘤部位，中子与硼相互作用产生射程(带电粒子入射到某物质上时，从入射点到终止点的连线在其初始入射方向上投影的长度)较短的α粒子和Li粒子，α粒子和Li粒子在细胞级范围内(10um)释放能量,从而对肿瘤细胞造成巨大损伤而不伤害正常组织。 BNCT作为一种“二元靶向治疗”方法，相对于现有的放射治疗技术具有更好的安全性，同时针对现有放疗技术不能治疗的复发性头颈癌、黑色素瘤等具有很好的治疗效果。

早期的BNCT都是基于反应堆的，但是反应堆由于制造成本高、安全性差等特点而无法被建造到医院等人群众多的地方，2011年以后，世界各地开始发展基于加速器的硼中子俘获治疗(Accelerate-Based Boron Neutron Capture Therapy,AB-BNCT),但是现有的用于BNCT临床前及临床的加速器装置均为质子加速器或者氘粒子加速器，质子加速器或者d粒子加速器的制造成本较高，且通常体积较大，放置在医院内部将需要占用很大的空间。因此，有必要提出一种体积小、成本低、易于安装的加速器BNCT设备。

发明内容

为克服上述存在之不足，本发明的发明人通过长期的探索尝试以及多次的实验和努力，不断改革与创新，提供一种基于电子加速器的光中子产生方法、系统和应用，具有体积小、成本低、易于安装和操作的特点，能够方便的安装应用在现有的医院内部，由于体积较小，也可以制作成移动式治疗端(如车载的形式)，进行移动治疗。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其包括以下结构：

电子枪，用于产生初级电子束；

加速结构，用于在真空中对电子枪产生的电子束进行加速，使电子在不受空气分子散射的条件下得到加速；

束流输运、分析系统，这是由电、磁场透镜，弯转磁铁和电、磁场分析器等器件构成的系统，用来在电子枪与加速器之间(注入分析输运系统)或加速器与靶室之间(后输运分析系统)输运并分析带电粒子，当多个加速器串接工作时，用来在加速器之间输运和分析粒子；

辅助系统，用于保持加速器整机的真空状态以及对电子束流进行检测、诊断、供电；

靶室，用于产生轫致辐射光子及光中子；

光中子慢化整形端，用于根据实际需要对光中子进行整形慢化操作。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是还包括光中子应用端，该光中子应用端利用光中子实现硼中子俘获治疗以及其他的相关应用。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是：电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成加速器整机，且均处于真空状态，其中束流输运、分析系统有两部分，一部分位于电子枪与加速器之间(即注入分析输运系统)，一部分位于加速器与靶室之间。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是：辅助系统包括真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是：真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制分别与电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成的加速器整机连接，真空设备用于保持整机的真空状态，束流监测诊断设备用于监测整机各个部分的稳定性，供电与稳定控制设备用于对整机进行供电与控制，操作台控制用于对整机的各个部分进行操作与控制。根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是：靶室包括两种形式，一种是重金属靶和光中子靶，经过加速后的电子束流轰击光子靶产生轫致辐射光子，轫致辐射光子再轰击相应的光中子靶产生相应的光中子，另一种是电子直接轰击重金属靶产生光中子。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是：光中子慢化整形端包括光中子通道、中子慢化层、中子反射层、热中子过滤层、中子准直层和光子过滤层，所述中子慢化层设置在光中子通道四周，所述中子反射层设置在中子慢化层四周，所述热中子过滤层和光子过滤层依次设置在光中子通道和中子准直层之间，中子准直层设置在光中子通道出口。其中光中子通道，用于运输光中子；中子慢化层，用于将对高能中子(大于10KeV)进行慢化；中子反射层，用于对中子进行反射，防止中子向四周发散；热中子过滤层，用于过滤中子束流中的热中子；为中子准直层，用于中子束流的准直，使中子束流沿中心发射；为光子过滤层，用于过滤中子束流中的光子。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是所述中子慢化层将大于10KeV的高能中子进行慢化。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是所述光中子靶为Be或重水或²³⁸U光中子靶其中的一种或多种。

根据本发明中所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其进一步地优选技术方案是经光中子慢化整形端整形慢化后的中子束流为 0.5eV-10KeV。

本发明的有益效果是：通过本发明的系统应用的中子俘获治疗系统，具有体积小、成本低、易于安装和操作的特点，能够方便的安装在现有的医院内部。由于体积较小，也可以制作成移动式治疗端(如车载的形式)，进行移动治疗。

本发明产生光中子的方法相比现有采用质子加速器或者d粒子加速器的制造成本较更低，且体积也大幅缩小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明系统原理框图。

图2是实施例1中靶室原理框图。

图3是光中子慢化整形端结构示意图。

图4是国际原子能机构(International Atomic Energy Agency--IAEA) 对BNCT临床用中子的基本要求参数表。

图5是实施例1基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统工作原理流程图。

图6是实施例2中靶室原理框图。

图7是实施例2基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统工作原理流程图。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1

如图1、2、3、5所示：本实施例提供了一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，该系统包括以下部件：

电子枪，用于产生初级电子束；

加速结构，用于对电子枪产生的电子束进行加速使电子在不受空气分子散射的条件下得到加速，束流输运、分析系统，这是由电、磁场透镜，弯转磁铁和电、磁场分析器等器件构成的系统，用来在电子枪与加速器之间(注入分析输运系统)或加速器与靶室之间(后输运分析系统)输运并分析带电粒子，当多个加速器串接工作时，用来在加速器之间输运和分析粒子；

辅助系统，用于保持加速器整机的真空状态以及对电子束流进行检测、诊断、供电；辅助系统包含真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制。

靶室，用于产生轫致辐射光子及光中子；如图2所示，光中子的产生如下：电子束流轰击光子靶如钨、钽、铅、金等产生轫致辐射光子，轫致辐射光子再轰击相应的光中子靶如Be、²³⁸U、重水等，产生相应的光中子。

电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成加速器整机，且均处于真空状态，其中束流输运、分析系统有两部分，一部分位于电子枪与加速器之间(即注入分析输运系统)，一部分位于加速器与靶室之间。真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制分别与电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成的加速器整机连接，真空设备用于保持整机的真空状态，束流监测诊断设备用于监测整机各个部分的稳定性，供电与稳定控制设备用于对整机进行供电与控制，操作台控制用于对整机的各个部分进行操作与控制。光中子慢化整形端(如图3)，用于根据实际需要对光中子进行整形慢化等操作,使光中子达到BNCT的使用要求，如图4所示，国际原子能机构 (International AtomicEnergy Agency--IAEA)，对BNCT临床用中子的基本要求，慢化整形端包含光中子通道001，用于运输光中子；中子慢化层002，用于将对高能中子(大于10KeV)进行慢化；中子反射层003，用于对中子进行反射，防止中子向四周发散；热中子过滤层004，用于过滤中子束流中的热中子；中子准直层005，用于中子束流的准直，使中子束流沿中心发射；光子过滤层006，用于过滤中子束流中的光子。所述中子慢化层002设置在光中子通道001 的四周，所述中子反射层003设置在中子慢化层002的四周，所述热中子过滤层004和光子过滤层006依次设置在光中子通道001和中子准直层005之间，中子准直层005设置在光中子通道001出口。

光中子应用端；利用光中子实现硼中子俘获治疗以及其他的相关应用。

本实施例中的所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，主要流程如图5所示。电子加速器产生电子束后，用电子束轰击金属靶产生轫致辐射光子，轫致辐射光子再轰击Be、重水、238U等光中子靶产生光中子，光中子经过中子整形慢化装置后成为符合IAEA标准的BNCT临床用的超热中子束流 (0.5eV-10KeV)。

实施例2

如图1、6、7所示：本实施例提供了一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，该系统包括以下部件：电子枪，用于产生初级电子束；

加速结构，用于对电子枪产生的电子束进行加速使电子在不受空气分子散射的条件下得到加速

束流输运、分析系统，这是由电、磁场透镜，弯转磁铁和电、磁场分析器等器件构成的系统，用来在电子枪与加速器之间(注入分析输运系统)或加速器与靶室之间(后输运分析系统)输运并分析带电粒子，当多个加速器串接工作时，用来在加速器之间输运和分析粒子；

辅助系统，用于保持加速器整机的真空状态以及对电子束流进行检测、诊断、供电；辅助系统包含真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制。真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制分别与电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成的加速器整机连接，真空设备用于保持整机的真空状态，束流监测诊断设备用于监测整机各个部分的稳定性，供电与稳定控制设备用于对整机进行供电与控制，操作台控制用于对整机的各个部分进行操作与控制。

靶室，用于产生光中子；光中子的产生如图6所示，高能电子束流轰击重金属靶如钨、钽、铅等产生光中子。

电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成加速器整机，且均处于真空状态，其中束流输运、分析系统有两部分，一部分位于电子枪与加速器之间(即注入分析输运系统)，一部分位于加速器与靶室之间。真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制分别与电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成的加速器整机连接，真空设备用于保持整机的真空状态，束流监测诊断设备用于监测整机各个部分的稳定性，供电与稳定控制设备用于对整机进行供电与控制，操作台控制用于对整机的各个部分进行操作与控制。光中子慢化整形端如图3所示，用于根据实际需要对光中子进行整形慢化等操作,使光中子达到BNCT的使用要求，图4是国际原子能机构 (International AtomicEnergy Agency--IAEA)对BNCT临床用中子的基本要求，慢化整形端包含001光中子通道，用于运输光中子；中子慢化层，用于将对高能中子(大于10KeV)进行慢化；中子反射层003，用于对中子进行反射，防止中子向四周发散；热中子过滤层004，用于过滤中子束流中的热中子；中子准直层005，用于中子束流的准直，使中子束流沿中心发射；光子过滤层006，用于过滤中子束流中的光子。

光中子应用端；利用光中子实现硼中子俘获治疗以及其他的相关应用。

本实施例中的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，主要流程如图7 所示，电子加速器产生高能电子束后，用电子束轰击金属靶产生光中子，光中子经过中子整形慢化装置后成为符合IAEA标准的BNCT临床用的超热中子束流 (0.5eV-10KeV)。

本实施例和实施例1的差别在于光中子的产生方式不一样，实施例1通过电子轰击重金属靶产生轫致辐射光子，轫致辐射光子再轰击Be、重水、²³⁸U等光中子靶产生光中子。实施例2是通过高能电子束直接轰击重金属靶产生光中子。

实施例1通过两次打靶产生光中子对电子能量需求没那么高，比如电子轰击金属钽，如果电子能量低于产生光中子的阈值，那就只有光子产生，而不会有光中子产生，此时产生的光子能量也比较小，后面再次打靶中子慢化就会更加简单。

实施例2电子能量高于产生中子的反应阈值，直接就能产生光中子，此时不需要再次打靶，但是对应中子能量也较高，慢化困难点，对应电子加速器成本也会相应高点，但过程更加简化。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于包括：

电子枪，用于产生初级电子束；

加速结构，用于在真空中对电子枪产生的电子束进行加速，使电子在不受空气分子散射的条件下得到加速；

束流输运、分析系统，在电子枪与加速器之间或加速器与靶室之间输运并分析带电粒子，当多个加速器串接工作时，用来在加速器之间输运和分析粒子；

辅助系统，用于保持加速器整机的真空状态以及对电子束流进行检测、诊断、供电；

靶室，用于产生轫致辐射光子及光中子；

光中子慢化整形端，用于根据实际需要对光中子进行整形慢化操作；

光中子应用端，该光中子应用端利用光中子实现硼中子俘获治疗以及应用。

2.根据权利要求1所述一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：所述束流输运、分析系统有两部分，一部分为注入分析输运系统位于电子枪与加速器之间，一部分为后输入分析系统位于加速器与靶室之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：辅助系统包括真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：真空设备、束流监测诊断设备、供电与稳定控制设备和操作台控制分别与电子枪、加速结构、束流输运、分析系统、靶室构成的加速器整机连接，真空设备用于保持整机的真空状态，束流监测诊断设备用于监测整机各个部分的稳定性，供电与稳定控制设备用于对整机进行供电与控制，操作台控制用于对整机的各个部分进行操作与控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：靶室包括重金属靶和光中子靶，经过加速后的电子束流轰击光子靶产生轫致辐射光子，轫致辐射光子再轰击相应的光中子靶产生相应的光中子，或者加速后的电子束流轰击重金属靶直接产生光中子。

6.根据权利要求5所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其中

两种光中子转化方式为，当加速后的电子能量大于与金属靶产生中子反应的阈值时，可以直接通过电子轰击重金属靶产生光中子，否则，则采用重金属靶与光中子靶两种靶的形式产生光中子。

7.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：光中子慢化整形端包括光中子通道、中子慢化层、中子反射层、热中子过滤层、中子准直层和光子过滤层，所述中子慢化层设置在光中子通道四周，所述中子反射层设置在中子慢化层四周，所述热中子过滤层和光子过滤层依次设置在光中子通道和中子准直层之间，中子准直层设置在光中子通道出口。

8.根据权利要求7所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：所述中子慢化层将大于10KeV的高能中子进行慢化。

9.根据权利要求6所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：所述光中子靶为Be或重水或²³⁸U光中子靶其中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种基于电子加速器的硼中子俘获治疗系统，其特征在于：经光中子慢化整形端整形慢化后的中子束流为0.5eV-10KeV。

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