CN115300812A - 一种中子束格栅照射系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种中子束格栅照射系统，靶材将强流带电粒子束流转换为高能中子束流，利用慢化体与高能中子束流发生相互作用，从而使所述高能中子束流损失部分能量，慢化到超热中子能量范围，得到超热中子，形成超热中子束流，将通过多缝部件的超热中子束流转换形成强度呈格栅分布的中子束流，多缝部件只允许预期部分的可见皮肤等正常组织暴露于照射野中，使得正常组织受照射体积变小，整体正常组织的放射损伤反应变小。因此，本申请可在大幅减少正常组织受照射体积显著提高皮肤等正常组织耐受剂量阈值，使得肿瘤靶区达到高剂量分布而正常组织远未达到耐受阈值剂量，从而更好地保护皮肤等正常组织，提高治疗增益。

Description

一种中子束格栅照射系统

技术领域

本申请涉及医疗治疗的技术领域，特别是涉及一种中子束格栅照射系统。

背景技术

近年来，恶性肿瘤已成为我国居民的首要死亡原因。手术、放疗和化疗是治疗癌症的三大手段之一。放射治疗因为其具有损伤较小、治疗痛苦小、患者较易接受等优点，成为使用最广泛的治疗手段之一，其中硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy，BNCT)的放射治疗方式效果最为理想。

在加速器驱动的硼中子俘获治疗系统中，中子照射方法是通过普通的静电质子加速器将带电粒子束加速，带电粒子束加速至足以克服靶材料原子核库伦斥力的能量，轰击靶材产生中子束流，中子束流通过特定束流整形装置后获取一定的中子强度，最终中子束流通过准直器进行集中汇流，照射到人体靶区，但此种中子束照射方式照射时皮肤剂量很快达到耐受剂量阈值，照射时间变短，导致肿瘤所受剂量无法更高。

因此，如何提高皮肤耐受剂量和肿瘤的照射剂量，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

基于上述问题，本申请提供了一种中子束格栅照射系统，能够减小正常组织受照射体积，提高宽场准直模式皮肤耐受剂量和肿瘤的照射剂量。

一种中子束格栅照射系统，所述系统包括：靶材、慢化体以及多缝部件；

所述靶材的出口对准所述慢化体；所述慢化体的出口对准所述多缝部件；

所述靶材，用于将强流粒子束流转换为高能中子束流；

所述慢化体，用于与所述高能中子束流发生相互作用，从而使所述高能中子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流；其中，所述超热中子能量范围大于第一阈值小于第二阈值；

所述多缝部件，用于将通过的所述超热中子束流转换形成格栅型中子束流，同时将未通过的所述超热中子束流进行吸收。

可选地，所述慢化体材料为氟化物、重水、聚乙烯以及石墨中的一种或多种。

可选地，还包括：

屏蔽反射体，所述屏蔽反射体包裹在所述慢化体与所述靶材的外部；

所述屏蔽反射体，用于防止所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去以及反射所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子。

可选地，所述屏蔽反射体包括屏蔽体和反射体；

所述屏蔽体，用于防止所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去；

所述反射体，用于将所述慢化体与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子反射回所述慢化体，使得所述超热中子通量提高。

可选地，所述屏蔽体为含硼聚乙烯。

可选地，所述反射体材料为聚四氟乙烯、氧化铍、氧化铝以及铅中的一种或多种。

可选地，还包括：

过滤体，所述慢化体的出口对准所述过滤体；

所述过滤体，用于过滤所述慢化体在形成超热中子束流时散射出的热中子、快中子和γ射线，以得到纯净且均匀分布的超热中子束流。

可选地，所述过滤体包括热中子过滤体、快中子过滤体以及γ射线过滤体；

所述热中子过滤体，用于过滤所述热中子；

所述快中子过滤体，用于过滤所述快中子；

所述γ射线过滤体，用于过滤所述γ射线。

可选地，所述热中子过滤体的材料为锂、硼以及镉中的一种或多种。

可选地，所述快中子过滤体的材料为镍。

可选地，所述γ射线过滤体的材料为铅、铋中的一种或多种。

可选地，所述多缝部件具体用于，将通过的所述均匀分布的超热中子束流形成格栅型粒子束流。

可选地，所述多缝部件材料为含锂的聚乙烯聚合物或含硼的聚乙烯聚合物。

可选地，所述多缝部件包括出束狭缝和吸收体；

所述出束狭缝与所述吸收体间隔排列；

所述出束狭缝，用于通过所述超热中子束；

所述吸收体，用于吸收所述超热中子束流，同时降低所述超热中子束流的通量和注量。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供一种中子束格栅照射系统，利用靶材将强流粒子束流转换为高能中子束流，再利用慢化体与高能中子束流发生非弹性碰撞，从而使高能中子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流，最后将通过多缝部件的所述超热中子束流转换形成格栅型粒子束流。多缝部件只允许预定部分的可见皮肤等正常组织暴露于照射野中，正常组织受照射体积变小，以使存活下来的正常组织越多，整体正常组织的放射损伤反应越小。因此，本申请可在大幅减少正常组织受照射体积显著提高皮肤等正常组织耐受剂量阈值，使得肿瘤靶区达到高剂量分布而正常组织远未达到耐受阈值剂量，从而更好地保护皮肤等正常组织，提高治疗增益。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种中子束格栅照射系统的结构图；

图2为本申请实施例提供的另一种中子束格栅照射系统的结构图；

图3为本申请实施例提供的又一种中子束格栅照射系统的结构图；

图4为本申请实施例提供的另外一种中子束格栅照射系统的结构图；

图5为本申请实施例提供的一种多缝部件的转换图；

图6为本申请实施例提供的一种多缝部件出束口正向视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在加速器驱动的硼中子俘获治疗系统中，中子照射方法是通过加速器将带电粒子束加速，所述带电粒子束加速至足以克服靶材料原子核库伦斥力的能量，轰击靶材，通过发生核反应以产生中子束流，中子束流通过特定束流整形装置后整形慢化到热中子(E<0.5eV)和超热中子(0.5eV<E<10keV)能量范围并获取一定的中子强度，最终中子束流通过准直器进行集中汇流，照射到人体靶区。经过慢化体、过滤体处理后的中子束是一个各向同性的发散束，为了控制其束流形状、方向和大小，减少出束口外的不需要的中子和未屏蔽的γ射线，还需要设置准直体。准直体通常为大面积中空前向锥口式设计，出束口再无其他精细调制部件。此种中子束照射方式使得中子束流均匀分布，致使束流射野中所有可见皮肤均暴露于照射野中，由于大面积均匀照射时皮肤的耐受剂量阈值较低(通常为12.5Gy)，因此在宽场准直模式下实施中子照射时皮肤剂量很快达到耐受剂量阈值，照射时间变短，导致肿瘤所受剂量无法更高。

为了解决这一问题，在本申请实施例提供了一种中子束格栅照射系统，靶材将强流粒子束流转换为高能中子束流，再利用慢化体与所述高能中子束流发生相互作用，从而使所述高能中子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流，最后将通过多缝部件的所述超热中子束流转换形成格栅型粒子束流。这样，到达了大幅减少正常组织受照射体积显著提高皮肤等正常组织耐受剂量阈值的效果。如此，可以使得肿瘤靶区达到高剂量分布而正常组织远未达到耐受阈值剂量，从而更好地保护皮肤等正常组织，提高治疗增益。由此可见，根据本申请提供的中子束格栅照射系统，相对于现有技术中准直体通常为大面积中空前向锥口式设计，利用多缝部件可以大幅减少正常组织受照射体积显著提高皮肤等正常组织耐受剂量阈值，从而更好地保护皮肤等正常组织，提高治疗增益。

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，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

参见图1，图1为本申请实施例提供的一种中子束格栅照射系统的结构图。如图1所示该照射系统包括靶材110、慢化体120、多缝部件130。靶材110 的出口对准慢化体120；慢化体120的出口对准多缝部件130。

靶材110用于将强流粒子束流转换为高能中子束流。带电粒子束流通过轰击靶材110消耗成为高能中子束流，靶材110是与带电粒子相互作用产生中子的反应靶。在打靶产生中子时，需要考虑到靶的材料，常用强流粒子束流轰击锂靶或铍靶来产生高能中子束流。

其中，强流是指单位时间内出来的粒子数比一般的多得多。

慢化体120用于与所述高能中子束流发生相互作用，从而使所述高能中子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子。慢化体120可以和高能中子束流发生核反应等相互作用，从而使高能中子损失部分能量，将其慢化到热中子能量范围或超热中子能量范围，同时不会产生过量的热中子、快中子以及γ射线。其中，热中子能量范围为小于0.5电子伏，超热中子能量范围为大于0.5电子伏小于10K电子伏。

慢化体120主要考虑以下几种材料：氟化物(如氟化镁、氟化铝、氟化钙等)、重水、聚乙烯、石墨等。因此，慢化体材料可以需要满足以下条件：快中子散射截面大，超热中子的散射截面小，快中子、超热中子和热中子的吸收截面小，使得与慢化体120发生相互作用的高能中子束流尽可能多的慢化到超热中子能量范围，得到大量的超热中子，同时使得慢化过程中或慢化结束后不会产生过量的热中子、快中子以及γ射线，从而提高高能中子束流的利用率。

多缝部件130将通过的所述超热中子束流转换形成符合空间分割分布要求的束流，如格栅型中子束流。多缝部件130通过具有一定开块比的形状如格栅型结构，将通过的所述超热中子束流转换形成符合空间分割分布要求的束流，如格栅型中子束流。如图5，多缝部件130只允许没有碰到多缝部件吸收体134的超热中子束流131通过多缝部件出束狭缝135以形成特异分布的格栅型中子束流133，而碰到多缝部件中吸收材料的超热中子束流被降低通量和注量。多缝部件130可以使得预定部分的(通常为50％)可见皮肤等正常组织暴露于照射野中，正常组织受照射体积变小。其中，多缝部件130一般采用含锂或含硼的聚乙烯聚合物构成。多缝部件130出射超热中子束流131 的一侧为出束口。多缝部件130中非阴影部分均为多缝部件吸收体134，多缝部件130中阴影部分均为多缝部件出束狭缝135。

其中，超热中子束流131横向主轴上的强度分布136呈近似高斯分布(中间较高，两边逐渐降低)。

其中，格栅型中子束流133横向主轴上的强度分布137具有连续波峰波谷形状的强度分布。

其中，吸收体排布可以为长条形栅栏、三角形间隔分布、黑白棋盘格分布等，原则上吸收体的排布只需要满足能形成具有一定开块比的形状，符合空间分割分布的要求。

其中，多缝部件出束口可以为圆形或规则多边形。此实施例中，图6多缝部件出束口正向视图展示的是多缝部件出束口的一种具体构型，多缝部件的吸收材料固定于出束口及准直体支撑支架601上，按照一定的排布形成了多缝部件的吸收体602，只允许超热中子束流从多缝部件出束狭缝603照射出去。

本申请提供的一种中子束格栅照射系统，靶材将强流粒子束流转换为高能中子束流，接着慢化体与靶材转换完成的高能中子束流发生相互作用，使得高能中子束流损失部分能量，将高能中子束流慢化到热中子能量范围或超热中子能量范围，最后多缝部件将通过多缝部件的超热中子束流转换形成格栅型粒子束流。因此，本申请大幅减少正常组织受照射体积显著提高皮肤等正常组织耐受剂量阈值，从而更好地保护皮肤等正常组织，提高治疗增益。

参见图2，基于上述图1对应的实施例，本申请实施例提供的中子束格栅照射系统还可以包括屏蔽反射体240。靶材产生的中子在方向和能量上呈各向异性分布，在穿过慢化体时会向各个方向发散，若不将此中子进行利用则会造成能源的浪费以及多缝部件出束口处热中子或超热中子通量小的问题，因此，在慢化体与靶材的外部还可以包裹屏蔽反射体：

屏蔽反射体240将粒子束流轰击靶材210换为高能中子束流过程中散射出的中子屏蔽在屏蔽反射体240内部，并将其反射回慢化体220，慢化体220 与屏蔽反射体240反射的中子发生非弹性碰撞，从而使所述高能中子束流损失能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流。

其中，屏蔽反射体240，通常指具有辐射防护屏蔽作用及中子混合束流过滤、反射作用的材料装置。

其中，屏蔽反射体具体可以包括屏蔽体241和反射体242：

屏蔽体241，用于防止所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去。

反射体242，用于将所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子反射回所述慢化体，使得所述超热中子通量提高。

其中，屏蔽体241在反射体242外侧，且屏蔽体241的常用材料有含硼聚乙烯(硼的质量分数为10％)作为中子的吸收屏蔽体。

其中，反射体242在屏蔽体241内侧，且反射体242常用材料有聚四氟乙烯、氧化铍、氧化铝以及铅中的一种或多种。在选用以上材料的情况下，反射体在合适的中子能量区间内有较高的弹性散射截面和较低的吸收截面。

如果在粒子束流轰击靶材210转换为高能中子束流过程中靶材210散大量或部分中子，则可以利用屏蔽反射体240将其反射回慢化体220进行慢化，以此提高中子利用率，使得多缝部件230出束口处热中子或超热中子通量尽可能高。

参见图3，基于上述图1对应的实施例，本申请实施例提供的中子束格栅照射系统还可以包括过滤体340。慢化体320的出口对准过滤体340，在经过慢化体的慢化后或慢化过程中，会产生热中子、快中子以及γ射线，产生的产生热中子、快中子以及γ射线会被人体的表浅组织吸收并沉积能量，在治疗深部肿瘤时，这些表浅组织所受的剂量需要避免，因而需要过滤体对热中子、快中子以及γ射线进行过滤：

过滤体340将慢化体320在形成超热中子束流时散射出的热中子、快中子和γ射线这些不需要的束流成分进行过滤，以得到相对纯净的超热中子束流，多缝部件330将通过的均匀的相对纯净的超热中子束流形成格栅型中子束流。

其中，过滤体材料在热中子和快中子能量范围内有较高的吸收截面，而在超热中子能量范围内有较小的吸收截面，可以大幅度减少热中子和快中子通量和注量，而对超热中子通量和注量的影响较小。

其中，过滤体340具体可以包括热中子过滤体341、快中子过滤体342以及γ射线过滤体343：

热中子过滤体341，用于过滤所述热中子。

快中子过滤体342，用于过滤所述快中子。

γ射线过滤体343，用于过滤所述γ射线。

其中，热中子过滤体341的材料为锂、硼以及镉中的一种或多种。

其中，快中子过滤体342的材料为镍。

其中，γ射线过滤体343的材料为铅、铋中的一种或多种。

如果在慢化体320慢化后或慢化过程中，产生热中子、快中子以及γ射线，则可以利用过滤体340将热中子、快中子和γ射线这些不需要的束流成分进行过滤，以得到相对纯净的超热中子束流。

参见图4，基于上述图1对应的实施例，本申请实施例提供的中子束格栅照射系统还可以同时包括屏蔽反射体和过滤体。

本申请实施例提供了一种中子束格栅照射系统，靶材410的出口对准慢化体420，慢化体420的出口对准过滤体450，过滤体450的出口对准多缝部件430，屏蔽体441与反射体442共同构成屏蔽反射体440，屏蔽反射体440 包裹在靶材410与慢化体420的外部。靶材410将粒子束流转换为高能中子束流。慢化体420与高能中子束流发生相互作用，从而使所述强流带电粒子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流，其中，超热中子能量范围大于第一阈值小于第二阈值，多缝部件430将通过的均匀超热中子束流转换形成格栅型中子束流。另外，还可以利用屏蔽反射体440的屏蔽体441防止慢化体420在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去以及利用屏蔽反射体440的反射体442 反射慢化体420在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子，利用过滤体450过滤慢化体420在形成超热中子束流时散射出的热中子、快中子和γ射线，到均匀的超热中子束流。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种中子束格栅照射系统，其特征在于，包括：靶材、慢化体以及多缝部件；

所述靶材的出口对准所述慢化体；所述慢化体的出口对准所述多缝部件；

所述靶材，用于将强流粒子束流转换为高能中子束流；

所述慢化体，用于与所述高能中子束流发生相互作用，从而使所述高能中子束流损失部分能量，将其慢化到超热中子能量范围，以得到超热中子，形成超热中子束流；其中，所述超热中子能量范围大于第一阈值小于第二阈值；

所述多缝部件，用于将通过的所述超热中子束流转换形成格栅型中子束流，同时将未通过的所述超热中子束流进行吸收。

2.根据权利要求1所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述慢化体材料为氟化物、重水、聚乙烯以及石墨中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，还包括：

屏蔽反射体，所述屏蔽反射体包裹在所述慢化体与所述靶材的外部；

所述屏蔽反射体，用于防止所述慢化体与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去以及反射所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子。

4.根据权利要求3所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述屏蔽反射体包括屏蔽体和反射体；

所述屏蔽体，用于防止所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子辐射出去；

所述反射体，用于将所述慢化体在与所述高能中子束流发生相互作用时散射出的中子反射回所述慢化体，使得所述超热中子通量提高。

5.根据权利要求4所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述屏蔽体为含硼聚乙烯。

6.根据权利要求4所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，

所述反射体材料为聚四氟乙烯、氧化铍、氧化铝以及铅中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，还包括：

过滤体，所述慢化体的出口对准所述过滤体；

所述过滤体，用于过滤所述慢化体在形成超热中子束流时散射出的热中子、快中子和γ射线，以得到纯净且均匀分布的超热中子束流。

8.根据权利要求7所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述过滤体包括热中子过滤体、快中子过滤体以及γ射线过滤体；

所述热中子过滤体，用于过滤所述热中子；

所述快中子过滤体，用于过滤所述快中子；

所述γ射线过滤体，用于过滤所述γ射线。

9.根据权利要求8所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，

所述热中子过滤体的材料为锂、硼以及镉中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，

所述快中子过滤体的材料为镍。

11.根据权利要求8所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，

所述γ射线过滤体的材料为铅、铋中的一种或多种。

12.根据权利要求7所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述多缝部件具体用于，将通过的所述均匀分布的超热中子束流形成格栅型粒子束流。

13.根据权利要求1所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述多缝部件材料为含锂的聚乙烯聚合物或含硼的聚乙烯聚合物。

14.根据权利要求1所述的中子束格栅照射系统，其特征在于，所述多缝部件包括出束狭缝和吸收体；

所述出束狭缝与所述吸收体间隔排列；

所述出束狭缝，用于通过所述超热中子束；

所述吸收体，用于吸收所述超热中子束流，同时降低所述超热中子束流的通量和注量。

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