CN1289623A - 快中子近距离自动遥控后装放射治疗设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一台内部装有快中子放射源的遥控近距离放射治疗设备,它与计算机系统,图像处理模拟定位系统配合,构成最新一代放射治疗系统设备,适用于腔内、管内、组织间插植、术中植管一术后放疗、敷贴等五类内照治疗技术。本机由人工智能专家治疗计划系统设计治疗方案,并由计算机控制中子源在各个管腔内的停留位置和停留时间,精确地控制照射剂量,将相邻正常组织辐射限制到最低水平,实现最理想的剂量分布,取得最佳的治疗效果。

Description

快中子近距离自动遥控后装放射治疗设备

本发明涉及一种放射性医疗设备，确切说涉及一种快中子近距离自动遥控后装肿瘤放射治疗医疗设备，以下简称近距离快中子刀设备。

当前癌症已成为威胁人类社会的第二号杀手。据资料统计，1985年全球有760万新病人，500万人死于癌症，其中发达国家与发展中国家各占50％；预期2000年将有1030万新病人，有710万人死于癌症；至2010年的病例数-欧洲将增加27％，北美增加44％，拉美增加101％，非洲增加116％；发展中国家癌症增加比发达国家多，主要是污染工业向发展中国家转移的结果；1985-2000年癌症病例的增加还与人口增加有关，届时全球人口由49亿增63亿；此外，还与人口老龄化有关，大于65岁的人口也将由6％增至6．8％；中国每年癌症患者就有190万以上，因此癌症的防治与研究在跨世纪之际，具有着十分重要的意义。人类对付癌症，目前公认的最主要的治疗手段之一是放射治疗。统计表明，有60％以上的癌症患者需要选择放射治疗为主要或辅助治疗方法。医院使用的直线加速器、X刀、γ刀、钴60外照机、各种射线的后装机等放射性治疗设备，已有一定程度的普及应用，在治疗肿瘤疾病方面已取得了一定效果。但理论研究和临床实践都证明，由于X射线和γ射线对恶性肿瘤内乏氧细胞的杀伤作用小，因而术后易复发，尤其是用于远距离照射治疗时，放射线穿透路径的正常组织损伤较大，这些设备的局限性就不可避免。而中子却不同，由于中子不带电，因此与核外电子几乎不发生作用，主要是同原子核发生三种类型的反应：弹性散射，非弹性散射和中子俘获。人体组织主要由C、H、O、N等元素组成，尤以H原子数目最多(约占70％)，中子与H原子核碰撞时放出能量最多，且快中子与H核的弹性散射几率最大，中子进入人体后主要发生中子与氢原子核的弹性散射和俘获过程，快中子能量的85～95％都是在弹性散射时交给反冲质子，放射性元素锎-252中子治疗，有90％以上的剂量是由反冲质子电离引起的，反冲质子是一种重带电粒子，产生致密电离效应。其次，中子穿过物质时能量降低变成热中子，热中子可被氢原子核俘获而激发，产生激发态的氘核，激发态是不稳的，当它跃迁回到基态时，即发出能量为2．2Mev的光子，在人体内产生非常高的深层组织的放射剂量，使恶性肿瘤内乏氧细胞死亡。热中子还能被人体内的氮原子核俘获，产生0．63Mev的质子。因为快中子作为能量直线传输的高能射线，其氧增比(OER)较低，即乏氧癌细胞对中子的抗性小，同时其相对生物效应系数(RBE)是伽玛射线的20倍。因此，中子治疗癌症的独特效果就在于它对亚致死性放射损伤恢复强的肿瘤，照射后使之不可能再修复，肿瘤复发的可能性极小，这就使得研究治癌技术，成为跨世纪从事放射生物和放射肿瘤学的前沿性研究的热门课题。遗憾的是，直至目前还没一种适用于医院临床治疗用的、方便的、商业化的中子刀设备，所谓中子刀设备，即是一种控制中子射线对患者肿瘤实施治疗的医疗设备。它是集核物理学、剂量学、放射生物学、放射肿瘤学、机械、电子、计算机等多学科于一体的高新技术产品，是面向二十一世纪医学前沿的大型综合医疗设备。

本发明的目的旨在：为各大、中医院用户提供一种迫切需要、又便于临床使用的、高LET射线快中子近距离自动遥控后装肿瘤放射治疗设备，即简称近距离快中子刀设备。

本发明的目的是通过实施如下技术方案来实现的：这种近距离快中子刀设备包括有中子源、屏蔽体、诊断床、主机、图像处理模拟定位系统、中子放射治疗计划系统，专用临床施源器系列、治疗机中央操作控制台等几大部分，以及装置它们的中央控制室、治疗室及源的地下贮存室等设施组成。

中子源采用锎-252同位素，它是一种可自发裂变放射出快中子的放射性源，其中子通量为10¹⁰n／s。

屏蔽体为复合快中子竖井型防护装置，它是一种复合含重金属适应于快中子和γ辐射防护的，在非工作状态下贮存中子源、由氢化物、硼、重金属等构成的复合防护体。

主机由机头和传动部件构成。机头为液压万向定位主机头，它由机械部件和光电部件构成。机械部件包括有两相步进电机，通道选择器，通道选择器弯管等主要组件，光电部件主要有通道检测红外对管与弯管支架及通道检测光电管支架、码盘，其作用是给源辩以可供选择运行的通道。机头的前盘、中盘和后盘则是机械锁定装置，对已选定的通道实施锁定。主机的传动部件包括有：a)源辩的步进电机驱动系统，它包括有驱动电机、电机驱动轮、张紧皮带和皮带轮，皮带张紧机构；b)源辩运动管路，包括不锈钢细导向管和叉口；c)源辩定位机构包括定位轮和定位臂；d)急停电机驱动齿轮。传动过程是由步进电机带动齿轮，进而带动源辩将中子源输出，每个电机驱动轮有源辩进出两个叉口，它们分别与不锈钢管路相连接，保证源辩在不锈钢管路中运动。源辩进入机头后，通过通道选择器部件作用，使源进入选择好的通道并通过施源器进入人体内的病灶部位，治疗结束后，通过驱动电机反向转动将源按原路收回。为安全可靠，整个传动系统由两套完全对称的机构组成，一套用于模拟源输出，以便探测送源通道是否畅通及检测设备工作状态是否正常，确认无误后收回模拟源，然后启动另一套机构送出真源。在机头内模拟源通道与真源通道合二为一。模拟源和放射性真源两套对称结构的区别，是在中子源一侧设计有一套急停电机驱动齿轮，在机器掉电时，若中子源不在储源罐中心，则由急停电机将其收到位。

图像处理模拟定位系统(C型转臂)包括有一个能提供完善、高质量几何影像的x光发生系统，一个能提供所有解剖部位影像的高级铯一碘化物影像增强的荧火检测系统，一个能提供高效能CCD摄像，并通过先进的对比和降噪处理的摄像仪，一个能提供给计算机对治疗状态下肿瘤位置的数字图像的处理系统，一个能提供由计算机控制的、灵敏的完成X光扫描移动的机电系统。

中子放射治疗计划系统包括有图像输入系统平台：PC机、网卡、扫描仪、图像数据接口，及治疗计划系统：SGI工作站、网卡收发器、硬盘库和激光打印机。治疗计划系统的任务是确定病灶靶区周围重要器官及组织的空间范围，给出锎-252中子源照射病灶靶区及其周围空间的剂量分布，并最终提出一个理想的治疗方案。

专用临床施源器系列是一种用来容纳源体并引导中子源进行方向的特制容器，治疗前由医生插入或置入病灶部位，已研制有43种规格尺寸的专用临床施源器。

中央控制室、治疗室及源的贮存室都要结合上述系统进行设计。

本发明的特征在于：1)中子源采用具有中子通量10¹⁰n／s的锎-252放射性源，2)锎-252中子源在非工作状态下贮存在治疗室地面下的防护装置内，3)主机由液压万向定位机头和传动机构组成。

本发明近距离快中子刀设备的工作原理如下：

近距离快中子刀是一台内部装有快中子放射源的遥控近距离放射治疗设备，它与计算机系统、图像处理模拟定位系统相配合构成最新一代的放射治疗系统设备，适用于腔内、管内、组织间插植、术中植管-术后放疗、敷贴等五类内照射治疗技术。本机使用单颗微型高通量锎-252源，中子通量为10¹⁰n／s。由人工智能的专家治疗计划系统设计治疗方案，并由计算机控制放射源在各个管腔内的停留位置及停留时间，从而精确地控制照射剂量，并将相邻正常组织的辐射限制到最低水平，实现最理想的剂量分布，得到最佳的治疗效果。放射源在外径为φ3的柔性管或不锈钢穿刺针中运行，有6个通道可供选择为连续或单次工作，通道选择器在计算机控制下自动地引导中子源进入编号为X的通道的各个治疗导管内，允许医师对各种复杂的病例采用各种治疗方法。

本治疗系统包括安置在治疗室以外的放射治疗计划系统，它由计算机及相应外设和治疗计划软件构成。计算机采用相应的软件对不同病例治疗时，自动计算中子源应到达的治疗位置和在每一位置应停留的时间，计算时可以自动地补偿中子源的衰变，最后形成一个针对此病例的个体化治疗机参数文件。需要进行治疗时，在控制计算机上将指定病人的治疗机参数文件输入，控制计算机即按此方案进行治疗。

机电控制及传动输运装置：在治疗机内，除了驱动中子源工作的电子-机械系统外，还有一个平行设置的模拟源驱动系统。模拟源的形状、大小与中子源相同，驱动它的电子-机械系统也相同，模拟源在三个方面具有重要作用，以确保治疗过程对病人和医师的安全。

1)安全检查

利用模拟源运行治疗程序，可模拟放射源在治疗管中运行，对于在运动中可能受阻的所有连接部位的弯折与曲率小的区段进行检查。如果运行中受阻或者发现阻力太大，计算机自动停止模拟运动，并给予提示，待纠正通行不畅的部位后可继续运行，直到全部模拟运行完成，才能进行放射源运行。

2)模拟治疗

使用模拟源模拟治疗程序，同时用本系统配套的500mA图像处理C臂模拟定位系统，通过X光透视影像增强系统实现病人病灶器官及施源器在体内的三维重建，并观察是否符合程序规定的治疗位置与治疗时间。

3)测量

与X光透视影像增强系统相配合，利用模拟源的运行可以测量复杂病例，如穿刺时经皮出入口的距离、肿块的边界及特征部位的具体位置。

位置标准：治疗过程中的放射源的位置十分重要，规定它的定位误差在±1mm以内，这个定位系统完全不依赖驱动钢丝绳的精确长度，而是由一个光电检测系统控制，每次中子源定位均由软件予以效正，不必在机械上另行调整。

由于模拟源与中子源的驱动系统完全相同，且共用一套定位系统，所以可以利用模拟源对于中子源工作时在治疗导管内的精确性进行测定。具体方法是：利用专用程序驱动模拟源进入测长校准尺内以校准其执行指令的精度，测长校准尺是透明的，其中有供模拟源运行的管道，标尺与管道平行相邻排列。利用测长校准尺，医师可以了解中子源到达位置时的精确位置，以离开治疗机头部的距离毫米数表示。

本发明近距离快中子刀设备的治疗过程：

(1)、治疗前，须由医生将施源器消毒后，准确置入病灶部位。

(2)、病人携带置入的施源器进入治疗室治疗位置，由医生开动近距离快中子刀设备上定位设备进行X光扫描，以获取制订治疗计划所需的图像。

(3)、病人本身勿需移动，病人资料及图象数据直接通过定位设备，经一系列模数转换输入到微机，医生随即在SGI工作站完成治疗计划，并将治疗计划输入电气控制系统。

(4)、治疗开始，医生接通已安置好的施源器，并使之固定，然后关好治疗室防护门，启动电气控制系统，首先进行模拟治疗，确认送源通道畅通无阻后，收回模拟源；将真源送入施源器，依次停留在各个驻留点，并驻留相应的时间。完成治疗计划设计的全部治疗数据。

(5)、治疗结束后，打印出来实际治疗过程全部数据，并将病人的全部诊断、治疗资料存入硬盘库。

(6)、治疗结束后取出施源器，对病人再次消毒并送回病房。

本发明近距离快中子刀设备的优点：

人类对付癌症，目前最主要的手段之一仍是放射治疗。当前，继伽玛刀、X刀之后，无创伤治疗领域正在兴起一股近距离快中子刀治癌热。快中子是当今研究最深入的直线传输的高能射线，从放射生物特性来看，快中子束与X射线、伽玛射线相比有4方面优点：

(1)、快中子的OER(氧增比)低，即乏氧癌细胞对中子抗性小。

(2)、快中子的RBE(相对生物效应)高，细胞存活曲线肩曲比X射线小，深部剂量分布理想，通过调整能量可使最高剂量区与肿瘤区吻合。

(3)、快中子照射后没有或很少有亚致死损伤修复，也没有潜在致死性损伤修复。

(4)、细胞增殖期不同时期，细胞对中子放射敏感性差别较小。近距离放射治疗的主要特点，在于能将很高的射线剂量比较集中分布在肿瘤靶区内。由于射线的剂量大小与距离平方成反比例定律的原理，距肿瘤稍远的正常组织内射线剂量迅速下降，因此，近距离放射方法可提高肿瘤靶区的根治剂量，同时避免肿瘤以外的正常组织和器官免受射线损伤，这是远距离放射治疗所不能及之处。因为射线从体外放射源射入体内深部肿瘤，必须先通过正常组织，放射范围越大，越容易损伤肿瘤区以外的正常组织和器官。根据研究，已知肿瘤近中心处常占有1-5％或多达10％的乏氧癌细胞，乏氧癌细胞对X线和γ线不太敏感，常需能杀灭富氧癌细胞剂量几倍的剂量才能杀灭乏氧癌细胞，体积越大的癌灶，常需很高的剂量才能获得局部控制，只有近距离放射方法能解决这问题，提高癌症的局部控制率。

本装置系统具有结构紧凑，防护性能好等优点，置中子源于治疗室地下防护装置内存放，既有利防护，扩大了治疗室空间，又便于提取中子源对患者病灶进行治疗。在图像处理模拟定位系统中，将X光发射系统(X光球管)，准直器及影像增强器同装于诊断床位上，病人在床上勿需移动，就可将病人的资料及图像数据直接通过定位设备，经转换输入微机，医生随即在SGI工作站完成治疗计划，并输入电气控制系统，大大方便了医生实施治疗。

本发明有以下附图：

图1为近距离快中子刀后装机结构侧视图；

图2为近距离快中子刀后装机结构正视图；

图3右图为治疗室和中央控制室及其设备俯视图，左图为治疗室正视图。

图中标记：1为中子源，2为防护装置，3为地下防护装置的复合防护顶盖板，4为源辩驱动系统，5为液压机头，6为影像增强器，7为万向定位架，8为诊断床，9为准直器，10为X光球管，11为电控系统，12为C型转臂，13为传动系统。

实施例：

治疗(屏蔽)机房40平方米、中央控制机房20平方米、治疗计划机房20平方米、治疗准备机房20平方米、诊候厅60平方米、工作人员房间60平方米，要求：

A、后装治疗室四周墙体均为连续浇注的高密度混凝土墙，不允许有缝隙存在。

B、后装治疗室房顶要采用钢筋混凝土浇注，厚度1000mm以上。

C、后装治疗室混凝土墙体要求深入地平面300mm以下。

D、过线地沟应留出100mm以上直径的穿线孔，或不设置地沟，而以两根内径50mm以上圆弧状弯管相距30厘米以上埋入地下，两端分别在治疗室和控制室内。过线地沟或过线弯管的位置于治疗室和控制室隔墙的墙角，过孔位置在地平面300mm以下。

E、通风装置必须避开治疗室外的人群活动范围，设置高度在2500mm以上，通风孔最好设置为曲径形式。

F、治疗室铅屏蔽门的上、下、左、右，以及门缝，均不允许有直通治疗室的缝隙存在，屏蔽门有效当量要求为10mm，治疗室门上方要安装红绿指示灯和碰撞开关。

G、治疗室内壁覆以2-4cm的聚乙烯和含硼、石蜡板材。

装置性能数据：

(1)、治疗位置

按治疗机参数文件规定，中子源在治疗管内可以到达48个治疗位置中的任一位置并停留规定的时间。若选用驻留位置间距为2．5mm，则总的可治疗区域宽达12cm，若选用驻留位置间距为5mm，则总的可治疗区域宽达24cm。

(2)、放射源

锎-252，园柱形，外径3mm，活性区长8mm，中子通量为10¹⁰n／s。

(3)、辐射保护

按照ICRP(国际原子能辐射防护委员会)与IEC(国际电工委员会)的要求，离治疗机表面1米处空气中的最大射线辐射剂量不超过1uGy／h(0．1R／hour)。

(4)、通道数：共6通道，每通道最大出源长度可达1000mm。

(5)、治疗用附件

可以配用适用于人体各部位治疗的多种附件，包括柔性与钢性管，针接头及异形管。

(6)、电源要求

220V±10％，50±2Hz交流供电，功耗约为2500VA。

(7)、环境条件

室温10-35℃，相对湿度30-75％。

(8)、重量

治疗机本体约为2000kg。

安装布置：

治疗室中央置长度2200mm的诊断床8，在其一侧的前端装置C型转臂12，该转臂顶部装有X光球管10及准直器9，对准着诊断床8的前部，X光球管10距地面2000mm，距诊断床面1000mm，影像增强器6固定于C型转臂12下端，电控系统11可以调控转臂12使X光球管10一准直器9能在竖直平面内移动，并可控制影像增强器6调节其在诊断床8下的位置，使X光影像在影像增强器6上显示更清晰，影像增强器6顶面距诊断床面300mm，中子源1装置在U型不锈钢金属管内，通过源辩(钢丝绳)接到驱动电机4齿轮上，U型管的另一端连接液压万向定位机头5和7，而整个U型管置于治疗室地面下的防护装置2中，防护装置中盛水，其底深1200mm。

(9)、安全防护措施

中子源的精确定位是中子刀的重要安全保证。

本机设有模拟源系统，用于检查中子源在治疗导管与穿刺针内机械运动的可靠性，并用来判断中子源在±1mm内精确定位的能力。

通过对模拟源试运行的连续监测，可以确保治疗导管中没有弯折与过小的曲率以保证中子源能顺利通过，同时还用来对治疗过程作模拟。

换源操作也可用模拟源进行模拟换源操作。

治疗过程，可由操作者以多种方式中断。

病人在危急情况下，也可以中断治疗过程。

任何情况下的治疗中断都可以准确无误地进行中断恢复。

中子源运动时位置的重现性为±1mm。

用光电器件检测通道选择器的定位、联接与插头的紧锁情况，未接好治疗管前中子源不会运行。

所有插头与导管的联接均采用保证安全的结构方式。

连续地核对与显示中子治疗已经经过时间和剩余时间。

用微处理机控制机件的工作与治疗过程，系统有完善的自诊断功能，对于任何不正常现象均发生警报。

治疗室门有联锁开关，如果未收回中子源而开启治疗室门，中子源则自动收回。

系统配有中子源掉电复位控制电机，由蓄电池供电，可使中子刀掉电时始终控制中子源停留在源库内。

必要时可以用手动方式收回中子源，此动作可以在短至几秒钟的时间内完成。

治疗导管顶端都是封闭的。

本发明近距离快中子刀设备的应用范围：

(1)、适合快中子治疗的肿瘤类型：

A：亚致死性放射损伤恢复力强的肿瘤；

B、放疗后肿瘤再充氧过程差的肿瘤或乏氧细胞比例高的肿瘤；

C、分化程度很高的肿瘤；

D、生长缓慢的肿瘤。

(2)、近距离快中子刀治疗临床用范围：

目前，经临床确认有良好疗效的癌症种类有：

妇科恶性肿瘤：子宫颈癌、子宫内膜癌、阴道癌。头颈部肿瘤：鼻咽癌、肋腺癌、口腔癌、扁桃体癌。神经系统肿瘤：胶质细胞癌。胸部肿瘤：乳腺癌、食管癌、肺癌。泌尿生殖系统肿瘤：膀胱癌、前列腺癌、男性尿道癌。消化系统肿瘤：肛门和直肠癌。皮肤癌、软组织肉瘤等其他适应症。3、近距离快中子刀的临床治疗方法A：腔内放射治疗B：管内放射治疗利用人体自身的天然腔体和管道内，放置施源器和放射源进行治疗。例如鼻咽腔、食管腔、直肠腔、子宫体腔、阴道等。C：组织内插植放射治疗以往常用226Ra针，按肿瘤的面积和厚度，将226Ra针若干枚直接插入瘤体组织内进行治疗。常用于皮肤癌、舌体癌、口底癌等较表浅的肿瘤。现代技术是先用模板和空心长针，按预定计划，然后将细长的施源器导管(特制的空心塑料管)插入空心针中，抽去空心长针，保留放源导管于指定位置，然后自由动遥控后装设备，将微小252Ra中子源送入施源器导管中进行放射治疗。其应用范围已用于治疗前列腺癌、膀胱癌、乳腺癌、胰腺癌、脑胶质瘤等许多种癌症。

D：手术中置管作手术后放射治疗

先作手术，至少作探查手术，争取作减瘤(debuking)手术或肿瘤全部切除术。在手术中，用空心导针插入瘤体或瘤床，按肿瘤大小，估算空心导针需要的数量，各空心导针之间隔为1cm，再插入施源细管，抽去金属空心导针，保留并固定施源细管，将施源细管引出并留置在腹壁切口处，固定后，缝合手术切口，手朮24-28小时后可作中子近距离放射治疗，治疗完成后，可抽去施源细管。适用于治疗胰腺癌、胆管癌、膀胱癌等。

E、敷贴放射治疗

先制作肿瘤部位的模型，在塑胶模型上埋放施源管，将此模型敷贴在肿瘤处，固定后，进行放射治疗。适用于解剖结构复杂的软腭癌、硬腭癌、牙龈癌以及皮肤癌、阴茎癌等。

Claims (10)

1、一种装置在屏蔽的治疗室和中央控制室的近距离快中子刀设备，包括有中子源(1)、屏蔽体(2)、诊断床(8)、治疗主机、图像处理模拟定位系统、中子放射治疗计划系统、专用临床施源器系列及治疗机中央操作控制台等部分组成，其特征在于：a、中子源(1)采用具有中子通量10¹⁰n／s的锎-252放射性源，b、锎-252中子源在非工作状态下贮存在治疗室地面下的屏蔽体(2)内，c、治疗主机由液压万向定位机头(5)和传动机构(7)组成。

2、按照权利要求1所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：中子源地下屏蔽体(2)为一种复合快中子竖井型防护装置(2)。

3、按照权利要求2所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：竖井型防护装置内盛水作中子慢化防护剂。

4、按照权利要求3所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：图像处理模拟定位系统中，X光球管(10)、准直器(9)及影像增强器(6)同装于诊断床位(8)上，可将病人资料与图像数据输入微机。

5、按照权利要求4所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：图像处理模拟定位系统中X光球管由C型转臂作支撑，并且随C型转臂在竖直平面内移动而调节与诊断床的位置。

6、按照权利要求5所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：影像增强器与C型转臂的下端固连在一起，调节影像增强器顶面使之处于诊断床下一个最佳的X光透视距离。

7、按照权利要求6所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：机头中的通道选择器设有6个源辩通道。

8、按照权利要求7所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：机头具有由前盘、中盘和后盘构成的机械锁定通道码盘。

9、按照权利要求8所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：其传动机构中具有中子源和模拟源两套相同的驱动系统，它们在机头内，模拟源通道与中子源通道合二为一。

10、按照权利要求9所述的近距离快中子刀设备，其特征在于：模拟源和中子源两套系统的区别，是在中子源一侧设计有一套急停电机驱动齿轮，在机器掉电时，若中子源不在储罐中心，则由急停电机将其收到位。

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