CN114159702A - 基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备及方法，其中，设备包括：电子加速器，用于对输入电子进行加速，并在加速后生成高能电子；高Z转换靶，用于将高能电子转换为高能X射线，并将高能X射线转换为光中子；中子慢化体，用于慢化光中子；控制器，用于根据操作人员的控制指令控制电子加速器产生高能电子，电子加速器发射高能电子轰击高Z转换靶后得到光中子，光中子通过中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。该设备可以有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备及方法。
背景技术
BNCT(Boron Neutron Capture Therapy，硼中子俘获治疗技术)是一种非常有价值的癌症技术，利用下面的核反应来杀死癌细胞：
其中，n是射入人体的中子，10B是以药物方式进入人体并在病灶处富集的中子吸收原子核。中子与10B发生吸收反应，放出大量的能量，其中6.1％的可能性是2.79MeV，93.9％的可能性是2.31MeV。所放出的能量由7Li原子核和α粒子携带，它们在细胞的射程仅在μm量级，因此可在细胞内发生致电离效应来沉积能量并杀死细胞。
相关技术中，由于强子的类型可以是质子或氘核，也可以是其它更重的原子核，中子产生截面较大，中子产额也较大，γ本底较低，因此，通常利用强子类加速器产生中子源，以满足BNCT对于中子源的需求。
然而，强子类加速器仅仅可以将强子加速到了10MeV水平，此时质子、氘核等在靶物质内的射程很短，仅有mm量级，因此会在靶物质非常浅的深度内沉积大量的能量，发热严重；同时，在每次制造中子之后，都会产生质子和α粒子，这会在靶内形成氢原子和氦原子的沉积，导致氢脆和氦脆的问题，最终使得靶破裂。由此，大大降低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，降低硼中子俘获治疗的效果，降低使用体验。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备，该设备可以有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
本发明的第二个目的在于提出一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法。
本发明的第三个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备，包括：电子加速器，用于对输入电子进行加速，并在加速后生成高能电子；高Z转换靶，用于将所述高能电子转换为高能X射线，并将所述高能X射线转换为光中子；中子慢化体，用于慢化所述光中子；控制器，用于根据操作人员的控制指令控制所述电子加速器产生高能电子，所述电子加速器发射所述高能电子轰击所述高Z转换靶后得到所述光中子，所述光中子通过所述中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用所述慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
本发明实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备，利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗，有效避免治疗过程中电子加速器发热严重的问题，且可以有效避免氢脆和氦脆的问题，有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
另外，根据本发明上述实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，还包括：第一光子吸收体，用于吸收所述高Z转换靶转换所述高能电子时产生的透射的X射线；中子反射体，用于反射从所述中子慢化体中逃逸的光中子；中子吸收体，用于吸收所述设备内部的慢化中子；第二光子吸收体，用于吸收所述中子吸收体吸收慢化中子时产生的光子。
进一步地，还包括：交互设备，用于根据操作人员的第一交互动作生成控制指令。
进一步地，所述交互设备还用于根据操作人员的第二交互动作生成设置指令，所述控制器还用于根据操作人员的设置指令设置所述中子慢化体的慢化等级。
进一步地，所述电子加速器的前端设置有预设厚度的金属窗。
可选地，所述预设厚度可以为50μm。
进一步地，所述输入电子的电流大于或等于0.5mA，所述高能电子的电子能量的范围为20MeV-140MeV。
可选地，所述高Z转换靶可以为旋转中子转换靶或平动中子转换靶。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种如上述实施例所述的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法，包括以下步骤：接收操作人员的控制指令；根据操作人员的控制指令控制所述电子加速器产生高能电子，其中，所述电子加速器发射所述高能电子轰击所述高Z转换靶后得到所述光中子，所述光中子通过所述中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用所述慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
本发明实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法，利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗，有效避免治疗过程中电子加速器发热严重的问题，且可以有效避免氢脆和氦脆的问题，有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例所述的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的方框示意图；
图2为根据本发明实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的结构示意图
图3为根据本发明实施例的加速器能量与中子产额的关系曲线图；
图4为根据本发明实施例的旋转中子转换靶示意图；
图5为根据本发明实施例的平动中子转换靶示意图；
图6为根据本发明实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
硼中子俘获治疗技术的基本物理原理已经非常成熟，在使用的过程中，遇到的主要瓶颈难题之一便是中子源的问题，为了满足BNCT的需求，国际原子能机构对照射用中子束线的品质提出了要求，如下表所示：
其中，最关键的指标是超热中子注量率Φepi，为了实现这个指标，对中子源的产额就自然提出了高的要求，希望其要>1E14n/s或更大。
在现有各种射线源中，反应堆中子源和散裂中子源是产额最高的中子源，分别可以达到1E18n/s和1E17n/s的水平。但是这两类中子源由于建设成本和运行成本都太高，无法成为一种在医院使用的实用中子源，只能开展一些技术研究。而同位素源、中子发生器源的产额则太低，仅在1E10n/s以下的水平，无法满足要求。
相比之下，加速器类中子源能够满足要求，加速器类中子源有两种常见的形式，一种是加速强子的，一种是加速电子的，具体如下：
强子的类型可以是质子或氘核，也可以是其它更重的原子核。此类源目前得到了较为广泛的研究，并被多家研究单位选为BNCT的首选用源。它的好处是中子产生截面较大，中子产额也较大，γ本底较低。但是，在研究的过程中，发现了该类源存在较严重的技术问题。由于此类加速器只是把强子加速到了10MeV水平，此时质子、氘核等在靶物质内的射程很短，仅有mm量级，因此会在靶物质非常浅的深度内沉积大量的能量，这对靶的散热技术提出了巨大的挑战。此类中子源的中子产额在1/1000～1/100水平，为了获得1E14n/s的中子总产额，需要每秒钟射入转换靶1E17个10MeV质子，对应的总功率为100kW，这是非常困难的。此外，对于如以下公式所示的核反应：
在每次制造中子之后，都会产生质子和α粒子，这会在靶内形成氢原子和氦原子的沉积，导致氢脆和氦脆的问题，最终使得靶破裂。
电子的情况有所不同。在利用电子加速器来产生中子时，经历的反应过程如下式所示：
其中，e为电子加速器产生的高能电子，高能电子射向高原子序数靶后，产生高能轫致辐射γ，γ再与高Z靶发生巨偶极共振反应，后者因此被激发到高能态后放出中子，这些中子为快中子，快中子经慢化后得到超热中子。与强子类加速器相比，电子加速器的产额相当或更高，更关键的是，它的散热问题更易于解决，并且几乎没有氢脆和氦脆的问题。其中，
(1)不同于强子，电子是最小电离粒子，它在靶物质内的能量损失率比强子小2个量级，因此，电子的射程也会比强子大两个量级，即电子加速器所用到的靶的厚度在数cm或更大的水平上。由于同功率下的产额几乎相同，因此在同样的总中子产额的情况下，电子加速器的散热问题也就因为靶体积的变大所致的功率密度下降而变得容易了。
(2)在强子反应中，由于库仑位垒的存在，靶核通常是轻核。轻核较低的库仑位垒在降低了强子入射的难度的同时，也减小了反应后出射重带电粒子的难度，这就使得在产生中子的同时，也不免会产生质子和α粒子，从而导致了氢脆和氦脆问题。对于电子加速器来说，情况是不同的，因为通常需要用到高Z靶来产生轫致辐射光子和中子，而高Z靶的库仑位垒很高，很大程度地抑制了反应后出射道中质子和更重带电粒子的存在，而仅仅保留中子出射道，这就使得该中子源免于受到氢脆和氦脆问题的困扰。
另外，随着电子加速器技术的进步，高功率、高能量的电子加速器以及可以进入实用，本发明提出另一种利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗的方案。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备、方法及存储介质，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备。
图1是本发明一个实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的方框示意图。
如图1所示，该基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备10包括：电子加速器100、高Z转换靶200、中子慢化体300和控制器400。
其中，电子加速器100用于对输入电子进行加速，并在加速后生成高能电子；高Z转换靶200用于将高能电子转换为高能X射线，并将高能X射线转换为光中子；中子慢化体300用于慢化光中子；控制器400用于根据操作人员的控制指令控制电子加速器产生高能电子，电子加速器发射高能电子轰击高Z转换靶后得到光中子，光中子通过中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
可以理解的是，本发明实施例可以利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗，有效避免治疗过程中电子加速器发热严重的问题，且可以有效避免氢脆和氦脆的问题，有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
在本实施例中，如图2所示，电子加速器100的前端设置有预设厚度的金属窗。其中，预设厚度可以为50μm，输入电子的电流大于或等于0.5mA，高能电子的电子能量的范围为20MeV-140MeV，
具体而言，电子加速器用来提供高能电子，电子加速器的内部为真空，前端设有金属窗，比如，可以是50μm的钛窗，也可以是其它能够提供真空密封但又尽可能薄的金属窗，对此不作具体限定。电子的能量不应低于20MeV，但也不应高于140MeV，太低则中子产额太低，太高则会产生π介子等。
其中，电子加速器的电子能量与功率选择如下：
如图3所示，单位功率下不同能量电子的中子产额，可以看出随着电子能量的提高，中子产额增加地很快，但是到了50MeV之后，产额逐渐出现了饱和现象。为了实现1E14n/s的中子产额，可以考虑优选50MeV/50kW。
当优选50MeV/50kW的电子加速器时，电子穿透钛窗的过程将会在其中沉积能量，每个电子沉积的能量为：
Edep＝1.667MeV/(g/cm2)×50×10-4cm×4.506g/cm3
＝37.6keV
则1mA(对应50kW)的电子导致的钛窗的热功率为：
W＝37.6keV×6.25×1015＝37.6(J/s)
对于钛窗来说，这个热功率是能够通过热传导而消除的。
对于钨靶来说，则50kW能量的大部分将沉积在其中，为了解决散热问题，在本实施例中，高Z转换靶200可以为旋转中子转换靶或平动中子转换靶，如图4和图5所示，该靶的周长或长度不小于0.5米，其它两个维度的尺寸仍然保持3cm或4cm。同时，上述的两种靶均可以在底部设置水散热装置，以提升散热效果。
在本实施例中，如图2所示，电子穿过窗后可以在空气中飞行，轰击前置的高Z转换靶。高Z转换靶兼具两个功能：(1)将高能电子转换为高能X射线；(2)将高能X射线转换为光中子。高Z转换靶以钨、钽为优选的靶材。其各方向的尺寸应大于光子的3倍自由程，对于钨来说，可以选择3cm等，对于钽来说，可以选择4cm等，对此不作具体限定。
进一步地，本发明实施例的设备10还包括：第一光子吸收体、中子反射体、中子吸收体和第二光子吸收。其中，第一光子吸收体，用于吸收高Z转换靶转换高能电子时产生的透射的X射线；中子反射体，用于反射从中子慢化体中逃逸的光中子；中子吸收体，用于吸收设备内部的慢化中子；第二光子吸收体，用于吸收中子吸收体吸收慢化中子时产生的光子。
可以理解的是，本发明实施例进一步通过第一光子吸收体、中子反射体、中子吸收体和第二光子吸收对设备内部的光子或中子进行吸收，降低辐射危害。
具体而言，如图2所示，在高Z转换靶的下方，有一个光子吸收体，及光子黑体，从高Z转换靶中逃逸的前冲光子(即X射线)将进入这个黑体，通过若干次反射后被光子吸收体吸收，从而不会对右侧的病人构成影响，减少设备光子本底。
中子慢化体的外边是中子反射体，用于将逃出中子慢化体的中子进行反射，避免其对外部公众的辐射安全造成影响。中子反射体可以由富含氢的材料构成，例如聚乙烯或水等，对此不作具体限定。
在中子反射体外边是中子吸收体(图2中黑色部分)，用于将慢化后的热中子进行吸收。这层材料可以用含硼或含锂的材料，例如硼砂或碳酸锂等，对此不作具体限定。
最外层则是光子吸收体，用于将中子吸收后产生的光子进行最后的吸收，保证公众的剂量安全。
进一步地，本发明实施例的设备10还包括：交互设备。其中，交互设备用于根据操作人员的第一交互动作生成控制指令。
其中，第一交互动作可以是操作人员的语音动作、按键动作等，比如，可以通过触发开始按键控制设备开始工作。交互设备可以例如具有输入功能的智能显示屏等。
进一步地，交互设备还用于根据操作人员的第二交互动作生成设置指令，控制器还用于根据操作人员的设置指令设置中子慢化体的慢化等级。
其中，第一交互动作可以是操作人员的语音动作、按键动作等，比如，可以通过触发设置按键设置中子慢化体的慢化等级。
可以理解的是，高Z转换靶所产生的光中子将在中子慢化体中进行慢化，慢化体可以由操作人员根据病人的情况来进行设计，以使其能谱满足治疗的需求；经过慢化体慢化之后的出射中子将用于照射病人进行治疗。
根据本发明实施例提出的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备，利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗，有效避免治疗过程中电子加速器发热严重的问题，且可以有效避免氢脆和氦脆的问题，有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法。
图6是本发明一个实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法的流程图。
如图6所示，该基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法包括以下步骤：
在步骤S101中，接收操作人员的控制指令；
在步骤S102中，根据操作人员的控制指令控制电子加速器产生高能电子，其中，电子加速器发射高能电子轰击高Z转换靶后得到光中子，光中子通过中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
需要说明的是，前述对基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备实施例的解释说明也适用于该实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法，利用高功率、高能量的电子加速器来实现硼俘获中子治疗，有效避免治疗过程中电子加速器发热严重的问题，且可以有效避免氢脆和氦脆的问题，有效提升低硼中子俘获治疗过程中的中子源输出的稳定性，提升治疗效果及使用体验。
本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现如上述实施例的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备，其特征在于，包括：
电子加速器，用于对输入电子进行加速，并在加速后生成高能电子；
高Z转换靶，用于将所述高能电子转换为高能X射线，并将所述高能X射线转换为光中子；
中子慢化体，用于慢化所述光中子；以及
控制器，用于根据操作人员的控制指令控制所述电子加速器产生高能电子，所述电子加速器发射所述高能电子轰击所述高Z转换靶后得到所述光中子，所述光中子通过所述中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用所述慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
第一光子吸收体，用于吸收所述高Z转换靶转换所述高能电子时产生的透射的X射线；
中子反射体，用于反射从所述中子慢化体中逃逸的光中子；
中子吸收体，用于吸收所述设备内部的慢化中子；
第二光子吸收体，用于吸收所述中子吸收体吸收慢化中子时产生的光子。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
交互设备，用于根据操作人员的第一交互动作生成控制指令。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述交互设备还用于根据操作人员的第二交互动作生成设置指令，所述控制器还用于根据操作人员的设置指令设置所述中子慢化体的慢化等级。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子加速器的前端设置有预设厚度的金属窗。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述预设厚度为50μm。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的设备，其特征在于，所述输入电子的电流大于或等于0.5mA，所述高能电子的电子能量的范围为20MeV-140MeV。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的设备，其特征在于，所述高Z转换靶为旋转中子转换靶或平动中子转换靶。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收操作人员的控制指令；
根据操作人员的控制指令控制所述电子加速器产生高能电子，其中，所述电子加速器发射所述高能电子轰击所述高Z转换靶后得到所述光中子，所述光中子通过所述中子慢化体慢化后生成慢化中子，并利用所述慢化中子对待治疗人员进行照射治疗。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求9所述的基于高能电子加速器的硼中子俘获治疗设备的控制方法。
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