CN114344736B

CN114344736B - 一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统及方法

Info

Publication number: CN114344736B
Application number: CN202111517348.4A
Authority: CN
Inventors: 陆景彬; 张楚晗; 李成乾
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2041-12-09
Also published as: CN114344736A

Abstract

本申请实施例提供了一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统及方法，系统包括：一个或多个X射线产生装置，其经配置以提供X射线，所述X射线能量不低于氘光核反应阈值；肿瘤探测装置，其经配置以探测治疗对象肿瘤位置；控制装置，其经配置以调整所述一个或多个X射线产生装置；本申请实施例的放射治疗系统以及方法，能够利用体内光核反应进行肿瘤治疗，达到精准治疗的目的，减少正常细胞损伤。

Description

一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械的技术领域，特别地涉及一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统及方法。

背景技术

根据世界卫生组织(WHO)的2020年的《2020年世界癌症报告》，在未来的二十年中，全世界的癌症病例数可能会增加60％，癌症已经成为威胁人类健康的重大疾病之一。在目前的多种癌症治疗方法，硼中子俘获治疗方法(BNCT)是癌症治疗中非常有前景的新型肿瘤治疗方法。

硼中子俘获治疗方法的原理如下：由于含硼药物与肿瘤细胞具有强亲和力，含硼药物进入人体后会迅速聚集于肿瘤细胞内。在合适的血硼比下，通过热中子照射肿瘤部位1个小时左右，进入到肿瘤细胞中的热中子与药物的¹⁰B发生硼中子俘获核反应，释放出⁷Li粒子和α粒子，其射程分别是4.5μm和10μm。细胞的大小是2μm到200μm，因此，核反应的杀伤作用只针对肿瘤细胞以及少数紧邻细胞，对正常组织伤害较小。BNCT治疗方式时间短，只需照射一次，对于头部肿瘤效果良好，而且针对乏氧肿瘤细胞效果尤佳。

然而，BNCT治疗方法存在中子获取困难、热中子散射对人体伤害大、成本高昂等问题，难以得到广泛的推广和使用。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统，包括：一个或多个X射线产生装置，其经配置以提供X射线，X射线能量不低于氘光核反应阈值；肿瘤探测装置，其经配置以探测治疗对象肿瘤位置；控制装置，其经配置以调整一个或多个X射线产生装置；其中，X射线照射治疗对象肿瘤位置附近的硼氘化合物中的氘以发生如下的光核反应(I)：

g+d→n+p(I)；

其中g表示光子，d表示氘，n表示中子，p表示质子；

其中，光核反应(I)产生的中子被硼氘化合物中的¹⁰B俘获，发生如下的核反应(II)：

n+¹⁰B→¹¹B→⁷Li+α+0.478MeV(γ射线)(II)

其中，α表示α粒子。

可选地，X射线的能量大约为4.5MeV。可选地，X射线的能量不低于¹⁰B光核反应阈值。

可选地，X射线产生装置包括：线性加速器，其经配置以产生电子束以及对该电子束进行加速；靶材，其经配置以接受电子束并产生X射线；准直仪，其经配置将X射线准直。

可选地，肿瘤探测装置为CT、SPECT、SPECT-CT、PET、PET-CT、MRI设备中的一者或多者。

可选地，该系统进一步包括：γ射线探测装置，其经配置以探测光核反应(I)产生的中子与质子再次发生如下的光核反应(III)产生的γ射线：

n+p→d+2.25MeV(γ射线)(III)

其中，n表示中子，p表示质子，d表示氘。

可选地，该系统进一步包括：γ射线数据处理装置，其经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼浓度。

可选地，γ射线数据处理装置经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼分布。

可选地，γ射线数据处理装置包括：图像模块，其经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线重建瞬发γ射线区域的图像，其中所述图像中多个像素代表所述肿瘤位置的所述硼分布，所述多个像素的颜色深度代表所述肿瘤位置的所述硼浓度。

可选地，控制装置经配置以根据所述硼浓度调整所述X射线的剂量。

可选地，控制装置经配置以根据所述硼分布调整所述X射线的方向。

根据本发明的另一个方面，提出一种在肿瘤治疗装置中提供X射线的方法，包括：获得治疗对象肿瘤的位置；以及调整所述一个或多个X射线产生装置产生X射线，所述X射线能量不低于氘光核反应阈值，所述X射线的剂量足以利用光核反应(II)的杀伤作用或者利用所述X射线与光核反应(II)的共同杀伤作用对所述肿瘤位置的肿瘤杀伤；X射线照射所述治疗对象肿瘤位置附近的硼氘化合物中的氘以发生如下的光核反应(I)：

g+d→n+p(I)；

其中g表示光子，d表示氘，n表示中子，p表示质子；

n+¹⁰B→¹¹B→⁷Li+α+0.478MeV(γ射线)(II)

其中，α表示α粒子。

可选地，该方法进一步包括：利用CT、SPECT、SPECT-CT、PET、PET-CT、MRI设备中的一者或多者得到治疗对象肿瘤位置图像。

可选地，该方法进一步包括：利用γ射线探测装置探测反应(II)和反应(III)产生的能量γ射线；其中，光核反应(I)产生的中子与质子再次发生如下的光核反应(III)：

n+p→d+2.25MeV(γ射线)(III)

其中，n表示中子，p表示质子，d表示氘。

可选地，该方法进一步包括：根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼浓度；以及根据所述硼浓度调整所述X射线的剂量。

可选地，该方法进一步包括：根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼分布；以及根据所述硼分布调整所述X射线的方向。

可选地，该方法进一步包括：根据所述γ射线探测装置探测的γ射线重建瞬发γ射线区域的图像，其中所述图像中多个像素代表所述肿瘤位置的所述硼分布，所述多个像素的颜色深度代表所述肿瘤位置的所述硼浓度。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的肿瘤治疗的原理性示意图；

图2是根据本发明一个实施例的脑部肿瘤治疗的核反应示意图；

图3是根据本发明一个实施例的包含体内光核反应的肿瘤治疗系统的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的控制装置的示意图；

图5是根据本发明一个实施例的肿瘤治疗系统中信号示意图；

图6是根据本发明一个实施例的在肿瘤治疗装置中提供X射线的方法的流程图；

图7是根据本发明一个实施例的另一种在肿瘤治疗装置中提供X射线的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种新的放射治疗系统以及方法，即利用体内光核反应进行肿瘤治疗，从而达到精准治疗的目的，减少正常细胞损伤。

图1是根据本发明一个实施例的肿瘤治疗的原理性示意图。如图所示，利用含硼氘化合物和肿瘤的特异性结合的特性，当治疗对象的身体中具有硼氘化合物后，硼氘化合物会聚集在肿瘤位置。在步骤110，将高能X射线照射到治疗对象肿瘤位置附近。在步骤120，当X射线能量达到氘光核反应阈值2.25MeV时，光子与氘发生光核反应产生中子和质子。进一步地，在步骤130，上述反应生成的中子与硼发生硼中子俘获。硼中子俘获后状态并不稳定，硼达到裂变阈值将发生硼裂变反应。在步骤140，硼裂变后生成α粒子和⁷Li粒子并释放0.478MeV能量的γ射线。如果X射线的能量足够高，在步骤150，当X射线能量达到硼裂变反应阈值时，硼也可直接发生硼裂变反应生成α粒子和⁷Li粒子并释放0.478MeV能量的γ射线。上述反应生成的α粒子和⁷Li粒子它们的射程分别是4.5μm和10μm，而细胞的大小是2μm到200μm，所以杀伤作用只针对肿瘤细胞，以及紧邻细胞，对正常组织伤害较小，因此可以在不损伤正常组织的情况下达到治疗效果。这与现有的利用热中子的硼俘获反应的优势相同。然而，由于本实施例中是利用X射线照射治疗对象体内肿瘤位置发生光核反应产生的中子来为后续硼中子俘获反应提供中子，所以不需要配置中子产生设备来照射肿瘤位置，因此，解决了硼中子俘获治疗设备中子获取困难、难以聚焦、热中子散射对人体伤害大、成本高昂等一系列问题。

另一方面，在本实施例中，在步骤160，光子与氘发生光核反应产生的质子和中子可以再次结合产生氘并释放2.25MeV能量的γ射线。在本发明的肿瘤治疗系统中可以有两种能量的γ射线生成。在步骤170，可以测量不同能量的硼裂变产生的0.478MeV能量的γ射线和质子与中子结合产生的2.25MeV能量的γ射线。根据两种γ射线在治疗对象肿瘤位置的分布和数量可以计算治疗对象肿瘤位置硼分布和硼浓度，从而调整能量X射线的角度和剂量，达到精准治疗的目的，减少正常细胞的损伤。

图2是根据本发明一个实施例的脑部肿瘤治疗的核反应示意图。在本实施例中，利用X射线1照射肿瘤位置10，其中X射线1携带的光子穿过人体头骨11与氘核2发生光核反应生成质子3和中子4。中子4和硼5发生硼中子俘获反应后再裂变，生成α粒子6、⁷Li粒子7并释放0.478MeV能量的γ射线8，其中，α粒子6和⁷Li粒子7能量沉积于肿瘤，造成电离损伤杀死肿瘤。未和硼发生裂变反应的中子4和质子3生成氘2并释放2.25MeV能量的γ射线9。另一方面，高能量的X射线1'可以直接与硼发生裂变反应生成α粒子6、⁷Li粒子7并释放0.478MeV能量的γ射线8，其中，α粒子6和⁷Li粒子7也能够对肿瘤杀伤做出贡献，从而提高治疗效果。

图3是根据本发明一个实施例的包含体内光核反应的肿瘤治疗系统的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的包含体内光核反应的肿瘤治疗系统30包括：X射线产生装置310、机架312、机台313、肿瘤探测装置314、诊疗床316和控制装置317。X射线产生装置310用于产生X射线，其中X射线的能量不低于氘光核反应的阈值。在一些实施例中，X射线产生装置310安装于机架312上，机架312安装于机台313上。由此，机台313承载X射线产生装置310和机架312，形成本实施例肿瘤治疗系统的主体结构。诊疗床316靠近X射线产生装置310放置，以供治疗对象使用。

肿瘤探测装置314用于探测治疗对象的肿瘤位置，并提供给控制装置317。控制装置317根据治疗对象的肿瘤位置调整X射线产生装置310，使得X射线产生装置310产生的X射线能够聚焦于肿瘤位置。另一方面，控制装置317也可以调整X射线产生装置310所产生X射线的能量、强度等相关参数。在一些实施例中，肿瘤探测装置314包括：肿瘤位置成像装置341和肿瘤探测辐射源342。肿瘤探测辐射源342产生探测射线，例如低剂量的X射线。肿瘤位置成像装置341探测经过肿瘤位置的探测射线，以获得肿瘤位置的图像。控制装置317控制X射线产生装置310产生X射线并聚焦于位于诊疗床316上的治疗对象的肿瘤位置。X射线的光子与治疗对象的肿瘤位置附近聚集硼氘化合物的氘发生光核反应生成中子和质子。在光核反应中生成的中子被¹⁰B俘获，发生中子俘获反应。进一步地，¹⁰B发生裂变反应生成⁷Li粒子和α粒子。⁷Li粒子和α粒子将能量沉积于肿瘤细胞，造成电离损伤，并释放0.478MeV能量的γ射线。

在一些实施例中，X射线发生装置310产生的X射线能量为大约4.5MeV。此时，氘光反应截面相对较大，产生中子的效果好，从而可以为后续硼中子俘获反应提供较多的中子，达到较好的肿瘤杀伤效果。

在一些实施例中，X射线发生装置310产生的X射线能量不低于¹⁰B光核反应阈值。这样，在氘光反应之外，X射线还可以和¹⁰B可以直接发生光核反应，生成⁷Li粒子和α粒子。通过氘光核反应和随后的硼中子俘获和裂变反应以及直接的¹⁰B光核反应，能够释放更多⁷Li粒子和α粒子杀伤肿瘤细胞，增强肿瘤治疗效果。

在一些实施例中，X射线发生装置310包括线性加速器3101，其经配置以产生电子束以及对该电子束进行加速；靶材(图中未示出)，其经配置以接受电子束并产生所述X射线；准直仪3102，其经配置将所述X射线准直。控制装置317可以控制线性加速器3101来调整X射线发生装置310射出X射线的剂量，并且，控制装置317还可以控制准直仪3102来调整X射线发生装置310射出X射线的方向。利用线性加速器加速电子产生X射线能量更高，强度更强，而且防护也更为容易。

在一些实施例中，肿瘤探测装置314可以为电子计算机断层扫描(ComputedTomography，简称CT)、SPECT、SPECT-CT、PET、PET-CT、MRI设备中的一者或多者。上述这些设备均可以探测显示治疗对象肿瘤位置，为X射线产生装置310的对准提供方向。

在一些实施例中，肿瘤治疗系统30还可以包括γ射线探测装置320，其经配置以探测X射线光核反应治疗过程中产生的γ射线。如图所示，γ射线探测装置320安装在治疗床316一侧。由于在X射线的照射下，治疗对象肿瘤位置发生多种核反应并释放出多种γ射线，包括：硼裂变反应释放0.478MeV能量的γ射线以及质子中子结合释放2.25MeV能量的γ射线。所以，利用γ探测装置320可以探测产生的两种γ射线，并能够以此来判断肿瘤位置的硼浓度和硼分布，从而可以进一步调整X射线发生装置310射出X射线的剂量和方向，达到精准治疗的效果。

在一些实施例中，γ射线探测装置320可以包括两个探测器，分别放置在诊疗床316的两侧。如本领域技术人员所理解的，能满足对γ射线的探测需求的现有γ射线探测装置都可以应用在本实施例中，在此不做限制。

在一些实施例中，如图3所示，肿瘤治疗系统30还包括与γ射线探测装置320连接的γ射线数据处理装置321，其接收来自γ探测装置320探测到的γ射线位置和数量信息并将这些信息转换成肿瘤位置的硼分布和硼浓度，进一步地，γ射线数据处理装置321将硼浓度和硼分布信息传递给控制装置317。控制装置317能够以此为依据调整X射线发生装置310。

图4是根据本发明一个实施例的控制装置的示意图。如图所示，控制装置317包括接收装置410、计算装置411和转换装置412。接收装置410接收来自肿瘤探测装置314和/或γ射线探测装置320的信息。计算装置411根据这些信息计算X射线能量、剂量、角度等参数以及X射线发生装置310各个部分的调整量。转换装置412将这些信息转换为调整信号，发送给X射线发生装置310，从而实现对X射线发生装置的控制。

图5是根据本发明一个实施例的肿瘤治疗系统中信号示意图。如图所示，肿瘤探测装置314检测治疗对象肿瘤位置并将肿瘤位置传递给控制装置317，控制装置317控制X射线产生装置310产生X射线束照射治疗对象510的肿瘤位置。利用γ射线探测装置320检测治疗对象的肿瘤位置发出的γ射线并将γ射线探测信息传递给γ射线数据处理装置321。γ射线数据处理装置321根据γ射线探测信息计算肿瘤位置的硼分布和硼浓度。控制装置317来自接收关于硼分布和硼浓度的信息，并转换成X射线产生装置310的控制信号，调整X射线产生装置310产生的X射线束的剂量和方向，从而达到较好的治疗效果。

基于与上述的体内光核反应的肿瘤治疗系统相同的技术构思，图6是根据本发明一个实施例的在肿瘤治疗装置中提供X射线的方法的流程图。如图所示，该方法可以包括以下如下步骤：在S601、获得治疗对象肿瘤位置。在一些实施例中，可选地，可以利用CT、SPECT、SPECT-CT、PET、PET-CT、MRI设备中的一者或多者得到治疗对象肿瘤位置图像。

在S602，调整一个或多个X射线产生装置产生X射线，X射线能量不低于氘光核反应阈值，X射线的剂量足以利用核反应(II)的杀伤作用或者利用X射线与核反应(II)的共同杀伤作用对肿瘤位置的肿瘤杀伤；其中，X射线照射治疗对象肿瘤位置附近的硼氘化合物中的氘以发生如下的光核反应(I)：

g+d→n+p(I)

其中，g表示光子，d表示氘，n表示中子，p表示质子。

其中，光核反应(I)产生的中子被硼氘化合物中的10B俘获，发生如下的核反应(II)：

n+10B→11B→7Li+α+0.478MeV(γ射线)(II)

其中，α表示α粒子。

在一些实施例中，在S602，根据S601中获取的治疗对象肿瘤位置，调整一个或多个X射线产生装置发射X射线的方向，使得产生的X射线能够照射肿瘤位置附近的硼氘化合物；其中，硼氘化合物可以在S602之前注射至治疗对象体内，从而在X射线的照射发生上述光核反应(I)和核反应(II)。

在一些实施例中，X射线能量不低于氘光核反应阈值，从而保证能够发生上述光核反应(I)。示例性地，氘光核反应阈值可以为2.3MeV，优选为4.5Mev。需要说明的是，X射线的能量和剂量都要根据治疗的实际需要设定，以能够保证X射线的剂量足以利用核反应(II)的杀伤作用或者利用X射线与核反应(II)的共同杀伤作用对肿瘤位置的肿瘤进行处理。

图7是根据本发明一个实施例的另一种在肿瘤治疗装置中提供X射线的方法的流程图，如图所示，本实施例的方法还可以包括以下步骤：S703、利用γ射线探测器探测反应(II)和反应(III)产生的能量γ射线；其中，光核反应(I)产生的中子与质子再次发生如下的光核反应(III)：

n+p→d+2.25MeV(γ射线)(III)

其中，n表示中子，p表示质子，d表示氘。

具体地，上述光核反应(III)可以产生2.25MeV能量的γ射线，该2.25MeV能量的γ射线与上述核反应(II)产生的0.478MeV能量的γ射线能够被γ射线探测器探测到。在一些实施例中，还可以根据γ射线探测器探测的γ射线重建瞬发γ射线区域的图像，探测的γ射线例如可以包括2.25MeV能量的γ射线和0.478MeV能量的γ射线，其中图像中多个像素代表肿瘤位置的硼分布，多个像素的颜色深度代表肿瘤位置的硼浓度。

在一些实施例，本实施例的方法还可以包括以下步骤：S704、根据γ射线探测器探测的γ射线确定肿瘤位置的硼浓度；以及S705、根据硼浓度调整X射线的剂量。

在一些实施例中，可以根据γ射线探测器探测的2.25MeV能量的γ射线和0.478MeV能量的γ射线的数量和强度，确定肿瘤位置的硼浓度。当硼浓度高于第一预设的硼浓度时，减小X射线的剂量，避免正常细胞的死亡，减少副作用。当硼浓度低于第二预设浓度时，增加X射线的剂量，使X射线能够对肿瘤细胞起到有效的杀伤作用。

些实施例，本实施例的方法还可以包括以下步骤：S706、根据γ射线探测器探测的γ射线确定肿瘤位置的硼分布；以及，S707、根据硼分布调整X射线的方向。

在一些实施例中，利用基于SPECT原理的重建算法对瞬发γ射线区域的图像进行断层图像求解，便可重建得到产生0.478MeV能量的γ射线和2.25MeV能量的γ射线的位置。利用硼和肿瘤细胞的亲和力，硼氘化合物富集在肿瘤位置。当获得治疗对象肿瘤位置的硼分布后，如果硼分布的位置与肿瘤位置并不完全重合，可以调整X射线对准方向，使其指向硼氘化合物富集的肿瘤细胞附近，从而提高针对肿瘤细胞的杀伤作用，减少正常细胞的损伤。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。

Claims

1.一种包含体内光核反应的肿瘤治疗系统，包括：

一个或多个X射线产生装置，其经配置以提供X射线，所述X射线能量不低于氘光核反应阈值；

肿瘤探测装置，其经配置以探测治疗对象肿瘤位置；

控制装置，其经配置以调整所述一个或多个X射线产生装置；

其中，所述X射线照射所述治疗对象肿瘤位置附近的硼氘化合物中的氘以发生如下的光核反应(I)：

g+d→n+p(I)

其中，g表示光子，d表示氘，n表示中子，p表示质子；

n+¹⁰B→¹¹B→⁷Li+α+0.478MeVγ射线(II)

其中，α表示α粒子；

所述系统进一步包括：

γ射线探测装置，其经配置以探测光核反应(I)产生的中子与质子再次发生如下的核反应(III)产生的γ射线：

n+p→d+2.25MeVγ射线(III)

其中，n表示中子，p表示质子，d表示氘；

γ射线数据处理装置，其经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼浓度；

其中所述γ射线数据处理装置经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线确定所述肿瘤位置的硼分布。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述X射线的能量为4.5MeV。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述X射线的能量不低于¹⁰B光核反应阈值。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述的X射线产生装置包括：

线性加速器，其经配置以产生电子束以及对该电子束进行加速；

靶材，其经配置以接受电子束并产生所述X射线；

准直仪，其经配置将所述X射线准直。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述肿瘤探测装置为CT、SPECT、SPECT-CT、PET、PET-CT、MRI设备中的一者或多者。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述γ射线数据处理装置包括：图像模块，其经配置以根据所述γ射线探测装置探测的γ射线重建瞬发γ射线区域的图像，其中所述图像中多个像素代表所述肿瘤位置的所述硼分布，所述多个像素的颜色深度代表所述肿瘤位置的所述硼浓度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中控制装置经配置以根据所述硼浓度调整所述X射线的剂量。

8.根据权利要求1所述的系统，其中控制装置经配置以根据所述硼分布调整所述X射线的方向。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述X射线产生装置经配置以产生有效剂量的X射线足以利用核反应(II)的杀伤作用或者利用所述X射线与核反应(II)的共同杀伤作用对所述肿瘤位置的肿瘤杀伤。