CN2541932Y

CN2541932Y - 一种热中子俘获治疗装置

Info

Publication number: CN2541932Y
Application number: CN 02229865
Authority: CN
Inventors: 唐雪飞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2003-03-26
Anticipated expiration: 2012-04-04

Abstract

本实用新型涉及为硼中子俘获治疗(BNCT)提供热中子源的治疗装置，该装置通过在原有中子后装治疗机结构的基础上增加中子倍增装置，这种中子倍增装置通常可以将热中子通量放大几十至几百倍，可达到BNCT临床应用的要求，从而解决了现有为硼中子俘获治疗(BNCT)提供热中子源的治疗装置体积较庞大、造价较高、运行维护不易的技术问题。

Description

一种热中子俘获治疗装置

技术领域

本实用新型涉及硼中子俘获治疗(BNCT)装置，具体涉及为硼中子俘获治疗(BNCT)提供热中子源的热中子俘获治疗装置。

背景技术

硼中子俘获治疗(Boron Neutron Capture Therapy，简称BNCT)是当前肿瘤放疗研究的一大热点，被视为21世纪即将兴起的肿瘤放射治疗新技术。

硼中子俘获治疗的原理，可以用以中子轰击硼的同位素¹⁰B的原子核来说明：

¹⁰B+n→⁷Li+α

¹⁰B转变为能量为0.84MeV的⁷Li，产生一个动能为1.47MeV的α粒子，同时发射一个能量为0.477MeV的光子。

在天然硼中，¹⁰B的丰度占19.8％。¹⁰B俘获中子(尤其是热中子)的本领(反应截面)很大，比构成人体的主要原素的原子核¹H、¹²C、¹⁴N、¹⁶O分别高1.16×10⁴、1.13×10⁶、2.12×10³、2.13×10⁷倍。

上述核反应如果发生在肿瘤细胞内，由于α粒子射程较短(通常仅为几十个μm，与人体细胞尺寸差不多)，反冲核⁷Li能量较底，二者都几乎跑不出所在细胞，因此，它们的动能全部沉积在细胞中。由于α粒子是高LET射线，能引起细胞内分子的致密电脑和激发，产生数以万计的离子对，足以将肿瘤细胞杀死。为了只杀灭肿瘤细胞而不杀伤正常细胞，人们将¹⁰B结合到亲肿瘤药物中制成含硼药物(如流基十二硼烷二钠盐)，然后将该药物注入肿瘤患者体内，由于该药物分子具有亲肿瘤的特异性质，会自动浓集到肿瘤病灶处。此时，如将热中子束照射已经注射含硼药物的肿瘤病灶，肿瘤细胞因富集了含硼药物，会发生上述的硼中子俘获反应而被杀死；正常细胞因摄取含硼药物较少，上述硼中子俘获反应一般不会发生(或受到的剂量较少)，因而不会被杀死，这样就形成了治疗过程中的一种自动选择机制。

由于这种治疗方法药物的肿瘤特异性、中子的高穿透本领和核反应产物对癌细胞的强杀伤力等诸多优点于一体，可望在杀死癌细胞的同时，保护正常细胞不受过度的照射，因而是一种十分理想的肿瘤治疗技术，通称硼中子俘获治疗(英文简称BNCT)。硼中子俘获治疗不象常规的放射治疗是通过射线照射直接杀死癌细胞，而是用中子射线照射引起亲和了¹⁰B的肿瘤细胞发生核爆炸，产生α粒子间接杀死癌细胞。这种独特的治疗方式对形状复杂的肿瘤尤其有效。

硼中子俘获治疗通过发生在肿瘤细胞内的原子核反应来摧毁癌细胞，是一种双模式的治疗方法。简而言之，它的治疗原理是这样的：先给病人注射一种含硼的特殊化合物，这种化合物与癌细胞有很强的亲和力，进入人体后，迅速浓聚于癌细胞内，而在其它正常组织内分布很少。这时，用一束热中子射线进行照射，这种射线对人体的损伤不大，但中子射线与进入癌细胞的硼(主要是¹⁰B)发生核反应，释放出一种杀伤力极强的α射线。由于α射线的射程很短，只有一个癌细胞的长度，所以，只杀死癌细胞，不损伤周围的组织。这种有选择性地只杀死癌细胞(对形状复杂的肿瘤病灶也同样有效)，而不损伤正常组织的技术，就称为硼中子俘获治疗方法。

BNCT的治疗原理和迄今取得的临床试验结果表明，BNCT具有很好的临床应用前景。硼中子俘获治疗系统目前主要用于治疗脑胶质瘤和黑色素瘤。脑胶质瘤是对病人威胁最大的一种恶性肿瘤。患这种瘤的病人多为青壮年，平均存活不到180天。由于其形状复杂，象树根一样生长在大脑中，运用手术、常规放疗、化疗等根本无法治疗这种肿瘤。运用硼中子俘获治疗脑胶质瘤，病人5年存活率可达58％，而用手术、化疗、常规放疗等方式病人5年存活率还不到3％。硼中子俘获治疗已被证实是目前治疗胶质瘤的最好方式。

美国于1994年开始硼中子俘获治疗的临床试验。目前，已进入了第二期临床试验。欧共体1987年组织了一个联合公关组，由欧共体国家的40个研究中心组织了一批一流的研究成员，从欧共体医疗保健计划直接得到财政支持，建立了研究中心，现在也已进入临床阶段。此外，全世界还有澳大利亚、芬兰、瑞典等30多个国家和地区广泛地开展了硼中子俘获治疗的理论和临床研究。虽然BNCT原理简单，但是至今仍难以在医院推广应用，也一直未有成型产品进入国际医疗市场，原因在于开展硼中子俘获治疗所需的高通量热中子源难以获得。

放射性核素中子源(如²¹⁰Po-Be、²³⁹Pu-Be等)由于中子产额较低，难以产生临床治疗所需的高通量热中子束；²⁵²Cf作为比较理想的一种同位素中子源，虽然已经被广泛用于放射治疗，但是其热中子产额与反应堆或加速器产生的热中子通量相比，仍然低2～3个数量级以上，不能满足临床BNCT的要求，仅能用于开展快中子治疗。

目前世界上用于BNCT的中子源基本都来自核反应堆。由于反应堆中子源的结构庞杂、造价极高、运行和维护费用昂贵，而且各国在核安全方面有严格的管制，因此，反应堆中子源无法在医院普及使用。国内目前仅有中科院兰州重离子研究所、清华大学等少数几家单位有条件利用小型反应堆作为中子源来开展BNCT的研究，但迄今都尚未获得实质性的进展。加速器中子源同样存在系统体积较庞大、造价较高、运行维护不易等困难，也难以在医院普及。

发明内容

本实用新型要解决的是现有的为硼中子俘获治疗(BNCT)提供热中子源的装置体积较庞大、造价较高、运行维护不易因而难以在医院推广的问题，目的是为临床广泛开展硼中子俘获治疗提供一种结构简单、成本低廉、操作简便、安全系数较高的新型热中子源。

为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种热中子俘获治疗系统，包括驱动机构、源绳、源绳运行管道、屏蔽罐、中子源等，源绳一端与驱动机构连接，另一端与中子源固定连接，驱动机构通过驱动源绳来驱动中子源在源绳运行管道内运行，其特征在于，还包括罐状的次临界中子倍增装置，该装置由核心向外围依次为能容纳中子源的激励源槽、由中子慢化剂填充构成的通量阱、由核裂变材料与中子慢化剂构成的核燃料层、由能防止中子泄露的物质构成的反射层、用于辐射安全防护的屏蔽层和外壳；次临界中子倍增装置内还设置有准直器，准直器一端插入通量阱，另一端经核燃料层、反射层、屏蔽层和外壳与外界相通；核燃料层内设置有热中子通量检测仪和能控制反应功率的控制棒；源绳运行管道贯穿屏蔽罐，与次临界中子倍增装置中的激励源槽相对接。

所述的控制棒与一驱动电机连接，在驱动电机的驱动下，控制棒插入核燃料层的深度可调。

所述的准直器的形状选自中空的圆桶形、方锥形、圆锥型或喇叭型。

所述的屏蔽罐与中子倍增装置全埋或半埋于地下。

所述的屏蔽罐与中子倍增装置可连接成一体。

所述的中子源为²⁵²Cf；核裂变材料为²³⁵U或²³⁹Pu，控制棒由金属镉制成，中子慢化剂选自聚乙烯、水和石蜡，防止中子泄露的物质选自金属Be和石墨，屏蔽层材料选自含硼石蜡和含硼聚乙烯，准直器材料选自铅和贫化铀，外壳材料选自铸铁、不锈钢、其它金属或合金材料。

在采用上述技术方案后，由于将已有的以²⁵²Cf作为中子源的中子后装治疗机主机，与以²³⁵U或²³⁹Pu为核裂变材料的次临界中子倍增装置相结合，这种装置不仅能将²⁵²Cf发出的热中子的通量放大几十至几百倍，可以满足硼中子俘获治疗临床应用的要求，而且具有整体结构相对简单、造价相对低廉、运行维护容易、安全系数较高的优势，从而解决了现有的为BNCT提供热中子源的治疗装置体积庞大、造价较高、运行维护不易的难题，为向国内外医院广泛推广应用BNCT提供了切实的可能性。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，一种热中子俘获治疗系统，包括驱动机构1、源绳2、源绳运行管道3、屏蔽罐4、中子源5、罐状的次临界中子倍增装置6和治疗床7，源绳2一端与驱动机构1连接，另一端与中子源5固定连接，驱动机构1通过驱动源绳2来驱动中子源5在源绳运行管道3内运行，次临界中子倍增装置6由核心向外围依次为：能容纳中子源5的激励源槽61、由中子慢化剂填充构成的通量阱62、由核裂变材料与中子慢化剂构成的核燃料层63、由能防止中子泄露的物质构成的反射层64、用于安全防护的屏蔽层65和外壳66；次临界中子倍增装置6内还设置有准直器67，它一端插入通量阱62，另一端经核燃料层63、反射层64、屏蔽层65和外壳66与外界相通；核燃料层63内设置有热中子通量检测仪60和能控制反应功率的控制棒68；源绳运行管道3经贯穿屏敲罐4，进入次临界中子倍增装置6的通量阱62内与激励源槽61对接；控制棒68与一驱动电机69连接，在驱动电机69的作用下控制棒68插入核燃料层的深度可调；驱动机构1内部设置有步进电机、紧急回源电机、手动回源装置。

屏蔽罐4与中子倍增装置6可埋于地下，四周用混凝土浇注，这样可以提高辐射防护效果，缩小屏蔽层体积，降低成本。

中子源为²⁵²Cf；核裂变材料为²³⁵U或²³⁹Pu；控制棒由金属镉制成；中子慢化剂为聚乙烯或水或石蜡；防止中子世露的物质为金属Be或石墨；屏蔽层材料为含硼石蜡或含硼聚乙烯，屏蔽罐内的防护材料与此相同；准直器材料为铅或贫化铀；外壳材料为铸铁或不锈钢或其它金属或合金。

中子倍增的形成机制：

治疗时，中子源在源绳的驱动下进入激励源槽，中子源自发裂变发射的中子轰击核裂变材料²³⁵U或²³⁹Pu等，使后者发生核裂变反应，由于1个中子使²³⁵U裂变，能平均产生2.5个中子，因此发出成倍增加的中子；这些新生中子再去轰击核裂变材料，又会产生更多的中子，即出现所谓“链式反应”；由于核裂变材料的装料量保证低于临界质量(指产生不可控制“链式反应”所需质量)，因此，上述发生在核燃料层的“链式反应”不能自行持续下去，每个中子只能引发较短的一段“链式反应”，从而保证整个系统内的中子数目保持在一个基本恒定的水平。在反射层的作用下，大部分中子进入通量阱并得到慢化，其间的热中子通量与中子源相比，可以有数倍至数百倍的放大。这就是“中子倍增”效应。

在通量阱内产生高通量热中子后，通过准直器引导和屏蔽(主要过滤γ射线)，将热中子引至装置外表面，形成热中子束流，然后，使之照射肿瘤患者的病灶部位，这些病灶此前已经注射含硼药物，从而开始硼中子俘获治疗过程。

热中子俘获治疗系统的安全机制：

由于金属镉(Cd)的中子吸收截面较大，能大量吸收热中子，因此通常用镉作成控制棒。在系统出现核反应功率突然急剧上升而热中子通量检测仪显示热中子通量快速增大有可能引发“核爆”的时候，将控制棒迅速插入核燃料层，使其间热中子数量快速下降，缓解“链式反应”的密度，从而保证整个系统的安全。

中子源由源绳在步进电机的控制下，沿源绳运行管道往返输送，即中子源到达通量阱时将启动治疗，中子源离开通量阱后自动结束治疗，从而实现次临界中子倍增装置的“开、关”功能。

驱动机构内部还设置有紧急回源电机和手动回源装置，在出现步进电机失灵，或出现阻源或卡源等故障时，可启用功率较大的紧急回源电机将中子源收回至屏蔽罐内；如紧急回源电机也失灵，还可启用手动回源装置，强行将中子源拉回屏蔽罐内。这些应急装置可大大提高系统的安全系数。

Claims

1.一种热中子俘获治疗系统，包括驱动机构(1)、源绳(2)、源绳运行管道(3)、屏蔽罐(4)、中子源(5)等，源绳(2)一端与驱动机构(1)连接，另一端与中子源(5)固定连接，驱动机构(1)通过驱动源绳(2)来驱动中子源(5)在源绳运行管道(3)内运行，其特征在于，还包括罐状的次临界中子倍增装置(6)，次临界中子倍增装置(6)由核心向外围依次为能容纳中子源(5)的激励源槽(61)、由中子慢化剂填充构成的通量阱(62)、由核裂变材料与中子慢化剂构成的核燃料层(63)、由能防止中子泄露的物质构成的反射层(64)、用于辐射安全防护的屏蔽层(65)和外壳(66)；中子倍增装置(6)内还设置有准直器(67)，它一端插入通量阱(62)，另一端经核燃料层(63)、反射层(64)、屏蔽层(65)和外壳(66)与外界相通；核燃料层(63)内设置有热中子通量检测仪(60)和能控制反应功率的控制棒(68)；源绳运行管道(5)贯穿屏蔽罐(4)与次临界中子倍增装置(6)中的激励源槽(61)相对接。

2.如权利要求1所述的热中子俘获治疗系统，其特征是，所述的控制棒(68)与一驱动电机(69)连接，在驱动电机(69)的作用下控制棒(68)插入核燃料层的深度可调。

3.如权利要求1或2所述的热中子俘获治疗系统，其特征是，所述的准直器(67)的形状选自中空的圆桶形、方锥形、圆锥形或喇叭形。

4.如权利要求1或2所述的热中子俘获治疗系统，其特征是，所述的屏蔽罐(4)与中子倍增装置(6)全埋或半埋于地下。

5.如权利要求1或2所述的热中子俘获治疗系统，其特征是，所述的屏蔽罐(4)与中子倍增装置(6)可连接成一体。

6.如权利要求1或2所述的热中子俘获治疗系统，其特征是，所述的中子源为²⁵²Cf，核裂变材料为²³⁵U或²³⁹Pu，控制棒由金属镉制成，中子慢化剂选自聚乙烯、水和石蜡，防止中子泄露的物质选自金属Be和石墨，屏蔽层材料选自含硼石蜡和含硼聚乙烯，准直器材料选自金属铅和贫化铀，外壳材料选自铸铁、不锈钢、其它金属或合金材料。