CN116392731A - 一种bnct中子慢化准直系统超热中子能量调整方法和系统 - Google Patents
一种bnct中子慢化准直系统超热中子能量调整方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法和系统，涉及控制调节领域，包括：BNCT中子慢化准直系统的中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充；将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；将所建的三维模型导入有限元分析软件，输入液态慢化体的浓度参数，对三维模型进行有限元分析；根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量；本发明结合三维模型和有限元分析调整液态慢化体的浓度，从而实现调整中子能量至治疗所需的中子能量，准确便捷。
Description
技术领域
本发明涉及控制调节领域，特别是指一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法和系统。
背景技术
中子慢化准直系统是针对癌症患者的中子治疗装置的关键组成部分。在中子治疗中，超热中子是治疗成功的重要因素。目前，基于超热中子的BNCT治疗领域已被广泛研究。然而，超热中子的能量范围较窄，且在中子治疗中非常重要。而调整其能量可提高治疗效果，但目前该技术尚未得到很好地解决。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法和系统，首先将固体慢化体粉末与轻水混合制成液态慢化体，并结合三维模型和有限元分析结果调整模型中加载的液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析结果符合治疗需求，从而实现调整中子能量至治疗所需的中子能量，准确便捷。
本发明采用的技术方案，
一种用于BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整的方法，其中，BNCT中子慢化准直系统，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，超热中子能量的调整方法包括：
BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量。
具体地，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种。
具体地，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent。
具体地，在有限元分析之前，对三维模型施加约束条件，所述约束条件为治疗区域，所述治疗区域根据CT图像中肿瘤的位置确定。
本发明实施例另一方面提供一种用于BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整的系统，其中，BNCT中子慢化准直系统，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，超热中子能量的调整系统包括：
装置结构确定单元：BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
三维建模单元：将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
有限元分析单元：将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
浓度参数调整单元：根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
优化单元：反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量。
具体地，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种。
具体地，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent。
具体地，在有限元分析之前，对三维模型施加约束条件，所述约束条件为治疗区域，所述治疗区域根据CT图像中肿瘤的位置确定。
本发明在一方面提供一种电子设备，包括：存储器，处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种用于BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整的方法步骤。
本发明又一方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种用于BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整的方法步骤。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其中，BNCT中子慢化准直系统，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，超热中子能量的调整方法包括： BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，对三维模型进行有限元分析；根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量；本发明首先将固体慢化体粉末与轻水混合制成液态慢化体，并结合三维模型和有限元分析结果调整模型中加载的液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析结果符合治疗需求，从而实现调整中子能量至治疗所需的中子能量，准确便捷。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法；
图2本发明实施例提供的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统流程图；
图3为本发明实施例提供的一种电子设备示意图；
图4为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
本发明提出一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，首先将固体慢化体粉末与轻水混合制成液态慢化体，并结合三维模型和有限元分析结果调整模型中加载的液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析结果符合治疗需求，从而实现调整中子能量至治疗所需的中子能量，准确便捷。
BNCT中子源产生的是高通量（>1×109n/cm2.s）的混合辐射场，且它的中子能量范围很宽，同时包含热中子（<0.5eV）、超热中子和快中子成分。
用于治疗癌症的超热中子能量在0 .5 eV～10 keV的范围，治疗癌症的深度是由超热中子能量决定的。超热中子能量越高，治疗癌症的深度将会越深。但是，我们必须将超热中子能量控制在范围之内，需要根据治疗癌症的类型来设定超热中子能量。由于中子慢化准直系统所采用的材料一般都是固态慢化体，固态慢化体和尺寸一旦确定，超热中子能量在某个范围内不再发生变化；为了可以治疗不同深度的癌症，就需要调整固态慢化体的材料和尺寸，因此需要制备多种材料和尺寸的固态慢化体，且无法实现精确的调整。
因此，本发明实施例创新性地将固态慢化体粉末混合于轻水中，通过调整液态慢化体的浓度，来实现超热中子能量的调整，具体调整方法结合三维模型和有限元分析，能够更为便捷和准确。
如图1，为本发明实施例提供的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，
本发明采用的技术方案，
一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其中，所述BNCT中子慢化准直系统是用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，
中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统主要是将高能中子慢化成超热中子。我们在设计时采用了将中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统形成一个有机的整体结构。中子慢化是指中子与介质原子核碰撞，引起中子能量减少而减速的现象，慢化层用来慢化中子源产生的快中子；反射层用来将散射出去的热中子反射到孔道内，增加热中子数量；设计慢化系统时：一般采用慢化层+反射层的组合。慢化层用来慢化中子源产生的快中子，反射层用来将散射出去的热中子反射到孔道内，增加热中子数量。中子准直：是中子源射出的中子通过中子准直系统实现准直效果。中子屏蔽：从中子屏蔽的角度看，中子在物质中的减弱可以分为两个过程：首先是快中子通过与物质的非弹性散射与弹性散射，使得中子慢化变成热中子；第二步是热中子被物质俘获吸收。通过优化设计中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统形成了无缝连接的有机整体。
超热中子能量的调整方法包括：
S101：BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
其中中央区域是平行并同心于BNCT中子慢化准直系统的圆柱结构，直径小于BNCT中子慢化准直系统的直径，具体中央区域的直径大小可根据实际需求而定，过程中不再进行材料和大小的更改。
具体地，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种；本发明实施例中选用的是固态的氟化镁，作为硼中子俘获治疗为主的选择性癌症治疗用慢化剂使用的中子减速材料。可选择氟化镁使中子束减速为10 Kev以下的功能良好，是中子减速材料中最适合的材料；当然也可以采用聚四氟乙烯、氟化铝、氧化铝和氟化混合物铝中的任何一种；本发明实施例中是将固态的氟化镁制成粉末状并混合于轻水，形成液态慢化体。
S102：将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模，三维建模软件包括但不限于Solidworks。
S103：将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
将所建的三维模型导入有限元分析软件中，具体地，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent，定义液态慢化体和变形陶瓷装置整体结构材料参数，以及边界参数，如边界尺寸大小角度等，并进行网格划分，对网格划分后的三维模型加载数据，加载液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，然后有限元分析，从而分析结果的获取BNCT中子慢化准直器超热中子能量的结果。
S104：根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
S105：反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量相同。
如图2，本发明实施,提供一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统框架图，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成。
中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统主要是将高能中子慢化成超热中子。我们在设计时采用了将中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统形成一个有机的整体结构。中子慢化是指中子与介质原子核碰撞，引起中子能量减少而减速的现象，慢化层用来慢化中子源产生的快中子；反射层用来将散射出去的热中子反射到孔道内，增加热中子数量；设计慢化系统时：一般采用慢化层+反射层的组合。慢化层用来慢化中子源产生的快中子，反射层用来将散射出去的热中子反射到孔道内，增加热中子数量。中子准直：是中子源射出的中子通过中子准直系统实现准直效果。中子屏蔽：从中子屏蔽的角度看，中子在物质中的减弱可以分为两个过程：首先是快中子通过与物质的非弹性散射与弹性散射，使得中子慢化变成热中子；第二步是热中子被物质俘获吸收。通过优化设计中子慢化、中子准直、中子屏蔽系统形成了无缝连接的有机整体。
超热中子能量的调整系统包括，包括：
装置结构确定单元201：BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
其中中央区域是平行并同心于BNCT中子慢化准直系统的圆柱结构，直径小于BNCT中子慢化准直系统的直径，具体中央区域的直径大小可根据实际需求而定，过程中不再进行材料和大小的更改。
具体地，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种；本发明实施例中选用的是固态的氟化镁，作为硼中子俘获治疗为主的选择性癌症治疗用慢化剂使用的中子减速材料。可选择氟化镁使中子束减速为10 Kev以下的功能良好，是中子减速材料中最适合的材料，当然也可以采用聚四氟乙烯、氟化铝、氧化铝和氟化混合物铝中的任何一种；本发明实施例中将固态的氟化镁熔化形成液态慢化体，并混合于轻水。
三维建模单元202：三维建模单元：将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模，三维建模软件包括但不限于Solidworks。
有限元分析单元203：将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
将所建的三维模型导入有限元分析软件中，具体地，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent，定义液态慢化体和变形陶瓷装置整体结构材料参数，以及边界参数，如边界尺寸大小角度等，并进行网格划分，对网格划分后的三维模型进加载数据，即为液态慢化体的浓度参数，然后有限元分析，从而分析结果的获取BNCT中子慢化准直器超热中子能量的结果。
浓度参数调整单元204：根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
优化单元205：反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量。
图3所示，本发明实施例提供了一种电子设备300，包括存储器310、处理器320及存储在存储器320上并可在处理器320上运行的计算机程序311，处理器320执行计算机程序311时实现本发明实施例提供的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法。
由于本实施例所介绍的电子设备为实施本发明实施例中所采用的设备，故而基于本发明实施例中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本发明实施例中的方法不再详细介绍，只要本领域所属技术人员实施本发明实施例中的方法所采用的设备，都属于本发明所欲保护的范围。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。
如图4所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质400，其上存储有计算机程序411，该计算机程序411被处理器执行时实现本发明实施例提供的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法；
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明提供了一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其中，BNCT中子慢化准直系统，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，超热中子能量的调整方法包括：BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，对三维模型进行有限元分析；根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量的结果和癌症所需的超热中子能量；本发明首先将固体慢化体粉末与轻水混合制成液态慢化体，并结合三维模型和有限元分析结果调整模型中加载的液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析结果符合治疗需求，从而实现调整中子能量至治疗所需的中子能量，准确便捷。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其中，所述BNCT中子慢化准直系统是用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，其特征在于，超热中子能量的调整方法包括：
BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量相同。
2.根据权利要求1所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其特征在于，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其特征在于，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent。
4.根据权利要求1所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整方法，其特征在于，在有限元分析之前，对三维模型施加约束条件，所述约束条件为治疗区域，所述治疗区域是根据CT图像中肿瘤的位置确定。
5.一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统，其中，所述BNCT中子慢化准直系统是用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽的结构系统，中子慢化材料为液态慢化体，所述液态慢化体是固态慢化体粉末混合于轻水构成，其特征在于，超热中子能量的调整系统包括，包括：
装置结构确定单元：BNCT中子慢化准直系统分为中央区域和边界区域，其中中央区域由固态慢化体填充，边界区域由液态慢化体填充，所述BNCT中子慢化准直系统用于中子慢化、中子准直、中子屏蔽；
三维建模单元：将固态慢化体和BNCT中子慢化准直系统作为整体结构，与液态慢化体进行三维建模；
有限元分析单元：将所建的三维模型导入有限元分析软件中，并进行网格划分，输入液态慢化体的浓度参数，所述液态慢化体的浓度参数为固态慢化体粉末与轻水的质量比例，对三维模型进行有限元分析；
浓度参数调整单元：根据有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量，调整液态慢化体的浓度参数，重新对三维模型进行有限元分析；
优化单元：反复调整液态慢化体的浓度参数，直至有限元分析输出的超热中子能量结果和癌症所需的超热中子能量相同。
6.根据权利要求5所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统，其特征在于，所述固态慢化体为氟化镁、聚四氟乙烯、氟化铝、碳化硼中的一种或几种。
7.根据权利要求5所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统，其特征在于，有限元分析软件包括ANSYS、ABAQUS或Fluent。
8.根据权利要求5所述的一种BNCT中子慢化准直系统超热中子能量调整系统，其特征在于，在有限元分析之前，对三维模型施加约束条件，所述约束条件为治疗区域，所述治疗区域根据CT图像中肿瘤的位置确定确定。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4之一所述的方法步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4之一所述的方法步骤。
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Also Published As
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