JP7126733B2 - Neutron source for neutron capture therapy - Google Patents

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    • Y02E30/10Nuclear fusion reactors

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2011年6月27日に出願した米国仮特許出願第61/571,406号の優先権を主張する、2012年6月25日に出願した、現在は放棄された米国出願第13/532,447号の優先権を主張する、2017年5月2日に米国特許第9636524号として発行された、2014年2月26日に出願した米国出願第14/190,389号の優先権を主張する、2017年4月17日に出願した同時継続中の米国出願第15/488,983号の一部継続出願(CIP)である。本出願はまた、2018年10月24日に出願した米国特許出願第62/749,875号の優先権を主張するものである。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 61/571,406, filed June 27, 2011, filed June 25, 2012, now abandoned. U.S. Application No. 14/190, filed February 26, 2014, issued May 2, 2017 as U.S. Patent No. 9,636,524, claiming priority to U.S. Application No. 13/532,447, No. 15/488,983, filed Apr. 17, 2017, which claims priority to '389. This application also claims priority to U.S. Patent Application Serial No. 62/749,875, filed October 24, 2018.

本発明は、がんのためのボロン中性子捕捉療法のための装置および方法の技術的分野にある。 The present invention is in the technical field of devices and methods for boron neutron capture therapy for cancer.

ボロン中性子捕捉療法(BNCT)は、熱中性子が、がん腫瘍の破壊のためがん療法に使用されていることから、当該技術分野において新規ではない。これらの中性子は、がん部位に置かれているボロン-10と相互作用する。中性子がボロンと相互作用して分裂事象を作り出し、これによりアルファ粒子およびリチウム核が作成される。これらの大量のイオン化した粒子が次いで放出され、近くのがん腫瘍細胞の化学結合を破壊する。現在のところ、原子炉または加速器内で作成される中性子は、BNCT治療に好適な中性子エネルギースペクトルを成形する減速材を通過する。減速材、次いで患者の組織を通過する間、中性子は、衝突により低速化され、低エネルギー熱中性子になる。熱中性子は、がん部位においてボロン-10核と反応し、複合核(励起されたボロン-11)を形成し、次いでこれが、リチウム-7およびアルファ粒子に即座に崩壊する。アルファ粒子およびリチウムイオンの両方が、反応のごく近傍に、およそ5‐9ミクロメートルの範囲で、または大まかに1つの細胞直径の厚さで、密集したイオン化をもたらす。このエネルギーの放出が周囲のがん細胞を破壊する。この技術は、放射線損傷が短い範囲にわたって生じ、したがって正常な組織は免れ得るため、有利である。 Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is not new in the art as thermal neutrons are used in cancer therapy for the destruction of cancer tumors. These neutrons interact with boron-10 located at the cancer site. Neutrons interact with boron to create fission events that create alpha particles and lithium nuclei. These large amounts of ionized particles are then released, disrupting the chemical bonds of nearby cancer tumor cells. Currently, neutrons produced in nuclear reactors or accelerators pass through moderators that shape the neutron energy spectrum suitable for BNCT treatment. During their passage through the moderator and then the patient's tissue, the neutrons are slowed down by collisions and become low-energy thermal neutrons. Thermal neutrons react with boron-10 nuclei at cancer sites to form composite nuclei (excited boron-11), which then rapidly decay into lithium-7 and alpha particles. Both alpha particles and lithium ions provide dense ionization in the immediate vicinity of the reaction, in the range of approximately 5-9 micrometers, or roughly one cell diameter thick. This release of energy destroys surrounding cancer cells. This technique is advantageous because the radiation damage occurs over a short area, thus sparing normal tissue.

ガドリニウムも、その非常に高い中性子捕捉断面積が理由で、中性子捕捉療法(NCT)における捕捉剤として検討され得る。いくつかのガドリニウム化合物が、脳腫瘍を撮像するための造影剤として頻繁に使用されている。腫瘍は、ガドリニウムの大部分を吸収しており、ガドリニウムをNCTのための優れた捕捉剤にしている。したがって、GNTCも、本発明の実施形態における変形として検討され得る。 Gadolinium may also be considered as a trapping agent in neutron capture therapy (NCT) because of its very high neutron trapping cross section. Several gadolinium compounds are frequently used as contrast agents for imaging brain tumors. Tumors take up most of the gadolinium, making it an excellent sequestering agent for NCT. Accordingly, GNTC may also be considered as a variant in embodiments of the present invention.

中性子エネルギー範囲Eの以下の定義は、医療、商用、および科学的な応用のために中性子を作り出すおよび使用する分野における当業者によりしばしば使用されるものである:高速中性子(E>1MeV)、熱外中性子(0.5eV<E<1Mev)、および熱中性子(E<0.5eV)。 The following definitions of the neutron energy range E are those often used by those skilled in the art of producing and using neutrons for medical, commercial, and scientific applications: fast neutrons (E>1 MeV), thermal exo-neutrons (0.5 eV<E<1 Mev), and thermal neutrons (E<0.5 eV).

BNCTは、多形性膠芽腫(GBM)などの以前は治療不可能であったがんを治療する可能性を有する。米国では、脳腫瘍は、29歳未満の男性および20歳未満の女性における、がんに関連した死亡の2番目に多い原因である。GBMは、ほぼすべての場合に死に至り、現在まで効果的な治療は知られていない。原発性脳腫瘍に起因して、年間およそ13,000人が死亡している。 BNCT has the potential to treat previously untreatable cancers such as glioblastoma multiforme (GBM). Brain tumors are the second leading cause of cancer-related death in men under the age of 29 and women under the age of 20 in the United States. GBM is almost always fatal and to date there is no known effective treatment. Approximately 13,000 people die annually due to primary brain tumors.

グリア芽細胞が励起される場所で従来の薬が使用される場合、新たな腫瘍が、多くの場合は原発腫瘍部位から離れたところで、ほぼ例外なく再発する。したがって、効果的な放射線療法は、大容積を包含しなければならず、放射線は均一に分布されなければならない。従来の放射線治療は、通常、有害すぎてGBMに対しては役立たない。 When conventional drugs are used where glioblasts are excited, new tumors almost universally recur, often distant from the primary tumor site. Therefore, effective radiation therapy must encompass a large volume and the radiation must be evenly distributed. Conventional radiotherapy is usually too harmful to help GBM.

分布した腫瘍の場合、効果的な放射線療法は、大容積を包含しなければならず、放射線は均一に分布されなければならない。これは、肝臓がんの場合にも当てはまる。肝臓は、多くの原発性腫瘍からの転移の最もよく見られるターゲットである。原発性および転移性肝臓がんは通常、特に多数の個々の腫瘍の切除後に、死に至る。従来の放射線治療または化学療法に対する切除不可能な肝細胞がんの奏効率も非常に乏しい。しかしながら、最近の結果は、低エネルギー中性子により衝撃を与えられることになる、10B化合物による肝臓全体の熱中性子照射が、肝転移すべてを破壊するための一方法であり得ることを示す。 For distributed tumors, effective radiotherapy must encompass a large volume and the radiation must be evenly distributed. This is also the case for liver cancer. The liver is the most common target of metastases from many primary tumors. Primary and metastatic liver cancers are usually fatal, especially after resection of large numbers of individual tumors. Response rates for unresectable hepatocellular carcinoma to conventional radiotherapy or chemotherapy are also very poor. However, recent results indicate that thermal neutron irradiation of the whole liver with 10 B compounds, which become bombarded with low-energy neutrons, may be one way to destroy all liver metastases.

BNCTにおける最近の研究は、中性子捕捉療法が、多数の異なるがんを治療するために使用され得ることを示している。BNCTは、従来のガンマ放射線で以前に照射された部位で再発する手術不可能な局所進行性の頭頸部がんの治療において効果的かつ安全であることが分かっている。したがって、BNCTは、幅広いがんのために検討され得る。BNCTは、がん部位への線量がγ-放射線源により作り出されるものよりも大いに強化され得ることから、そのように将来有望である。これは、中性子-ボロン反応が短距離(5‐9um距離)放射線の放射を作り出すという事実の結果であり、結果的に、正常な組織は免れ得る。加えて、ボロンは、10以上もの高い腫瘍対脳濃縮比を達成することができ、それにより異常な組織を優先的に破壊する。 Recent studies in BNCT show that neutron capture therapy can be used to treat many different cancers. BNCT has been shown to be effective and safe in the treatment of inoperable, locally advanced head and neck cancers that recur in sites previously irradiated with conventional gamma radiation. Therefore, BNCT can be considered for a wide range of cancers. BNCT is so promising because the dose to the cancer site can be greatly enhanced over that produced by γ-radiation sources. This is a result of the fact that neutron-boron reactions produce short-range (5-9 um distance) radiation emissions, and as a result normal tissue can be spared. In addition, boron can achieve tumor-to-brain enrichment ratios as high as 10 or more, thereby preferentially destroying abnormal tissue.

BNCTは、中性子を作り出すために原子炉または加速器のいずれかを使用して試験されており、これは大半の臨床環境においては実用的または入手可能ではない。原子炉はまた、理想の中性子スペクトルを作り出さず、γ放射線で汚染される。 BNCTs have been tested using either nuclear reactors or accelerators to produce neutrons, which are not practical or available in most clinical settings. Nuclear reactors also do not produce ideal neutron spectra and are contaminated with gamma radiation.

融合発生装置は、重水素-重水素(DD)または重水素-三重水素(DT)反応から高速中性子を作り出し、一般に、加速器および原子炉よりも小さく安価である。こうして作り出された高速中性子は、例えば、水または他の水素を有する材料を使用して、熱または熱外中性子エネルギーへと減速または低速化されなければならない。 Fusion generators produce fast neutrons from deuterium-deuterium (DD) or deuterium-tritium (DT) reactions and are generally smaller and cheaper than accelerators and nuclear reactors. The fast neutrons thus produced must be moderated or slowed down to thermal or epithermal neutron energy using, for example, water or other hydrogen bearing materials.

融合中性子発生装置は、3つの基本構成要素:イオン源、電子シールド、およびターゲットを伴う加速構造体を有する。イオンは、現代の高電圧電源によって容易に送達され得る、40kVから200kVの高電位差を使用してイオン源から通常はチタンターゲットへ加速される。電子シールドは、通常、イオン源とチタンターゲットとの間に配設される。このシールドは、正D+イオンがチタンターゲットにぶつかるときに発生されている電子を反跳するように電圧バイアスされる。このことは、これらの電子がイオン源にぶつかり、電子加熱に起因してそれに損傷を与えることを防ぐ。 A fusion neutron generator has an acceleration structure with three basic components: an ion source, an electron shield, and a target. Ions are accelerated from the ion source, typically to a titanium target, using high potential differences of 40 kV to 200 kV, which can be easily delivered by modern high voltage power supplies. An electronic shield is typically disposed between the ion source and the titanium target. This shield is voltage biased to recoil electrons being generated when positive D+ ions strike the titanium target. This prevents these electrons from striking the ion source and damaging it due to electron heating.

ターゲットは、DまたはTイオンを容易に吸収し、水素化チタンを形成するチタンなどの重水素Dまたは三重水素T吸収材を使用する。後続のDまたはTイオンが、これらの埋め込まれたイオンにぶつかり、融合し、DD、DT、またはTT反応をもたらし、高速中性子を放出する。 The target uses a deuterium D + or tritium T + absorber such as titanium, which readily absorbs D + or T + ions to form titanium hydride. Subsequent D + or T + ions strike and fuse with these embedded ions, resulting in DD, DT, or TT reactions, emitting fast neutrons.

先行技術は、放射性三重水素および高加速力の必要性を伴うDT反応の使用が必要とされる融合発生装置を提案することを試みている。療法治療の妥当な時間内に療法のための十分な熱中性子を達成するには高収率の高速中性子/秒が必要とされた。熱外中性子流束を達成するためのこれらの先行技術スキームは、設計において連続的または平面的である:単一の高速中性子発生装置の後に減速材が続き、その後に患者が続く。残念ながら、中性子は頭部の片側から入っていくため、平面的な中性子照射システムは、高い表面または皮膚被ばく量、および脳内へより深いほど減少する中性子被ばく量を引き起こす。脳は、均一に照射されず、がん部位は、それらが平面ポートから離れるほど、より低い熱中性子吸収量を有する。 The prior art attempts to propose fusion generators that require the use of radioactive tritium and the DT reaction with the need for high acceleration forces. A high yield of fast neutrons/sec was required to achieve sufficient thermal neutrons for therapy within a reasonable time of therapy treatment. These prior art schemes for achieving epithermal neutron flux are continuous or planar in design: a single fast neutron generator followed by a moderator followed by a patient. Unfortunately, neutrons enter from one side of the head, so planar neutron irradiation systems result in high surface or skin doses and diminishing neutron doses deeper into the brain. The brain is not uniformly irradiated, and cancer sites have lower thermal neutron absorption the farther they are from the planar port.

従来の平面的な中性子照射システム14およびその動作は、先行技術とラベル付けされた図1に示される。高速中性子22から熱中性子30への変換は、一連のステップにおいて起こる。まず、高速中性子22は、円筒状の高速中性子発生装置20によって作り出され、次いで減速手段18に入り、ここでそれらは、弾性散乱を受ける(減速材料の原子の核との衝突)。これが、高速中性子を熱外中性子24エネルギーへ下げる。熱外24および熱中性子30の混合物が、平面ポート16から放射され、次いで患者の頭部26に入る。熱外中性子24は、患者の脳内で依然としてさらに減速され、熱中性子へとさらに減速され、最終的には、腫瘍部位においてボロンによって捕捉される。核分裂反応が生じ、アルファ線およびLi-7イオンが放出され、腫瘍細胞を破壊する。 A conventional planar neutron irradiation system 14 and its operation is shown in FIG. 1, labeled Prior Art. Conversion of fast neutrons 22 to thermal neutrons 30 occurs in a series of steps. First, fast neutrons 22 are produced by the cylindrical fast neutron generator 20 and then enter the moderating means 18 where they undergo elastic scattering (collisions with the nuclei of the atoms of the moderating material). This lowers fast neutrons to epithermal 24 energies. A mixture of thermal 24 and thermal neutrons 30 is emitted from the planar port 16 and then enters the patient's head 26 . The epithermal neutrons 24 are still further moderated in the patient's brain, further moderated to thermal neutrons, and eventually captured by boron at the tumor site. A nuclear fission reaction occurs, releasing alpha rays and Li-7 ions, which destroy the tumor cells.

熱外および熱中性子は、コリメーティング手段28を形成する中性子吸収材料から形成される平面ポート16を通って患者の頭部に到達する。熱および熱外中性子は、患者の頭部に片側においてぶつかり、多くの中性子は逃げて、使用されない。1つの逃げている中性子38が代表として示される。これは、妥当な療法または治療時間(例えば、30分)の間に十分な熱中性子を作り出すためには大量の高速中性子が作り出されることを必要とする非効率的なプロセスである。 Epithermal and thermal neutrons reach the patient's head through a planar port 16 formed from a neutron absorbing material forming collimating means 28 . Thermal and epithermal neutrons hit the patient's head on one side and many neutrons escape and are not used. One escaping neutron 38 is shown representatively. This is an inefficient process requiring a large amount of fast neutrons to be produced to produce enough thermal neutrons for a reasonable therapy or treatment time (eg, 30 minutes).

高収率の高速中性子を達成するためには、平面的な中性子照射システム14は、極めて高い加速パワー(例えば、0.5から1.5メガワット)を有するDD融合反応、または同じ加速パワーでは中性子収率においておよそ100倍の増大を有するDT反応のいずれかを使用することを必要とする。 In order to achieve a high yield of fast neutrons, the planar neutron irradiation system 14 can be used for DD fusion reactions with very high acceleration power (e.g., 0.5 to 1.5 megawatts), or neutron It requires using any of the DT reactions with approximately a 100-fold increase in yield.

三重水素の使用は、多くの安全性および保守問題を有する。三重水素ガスは、放射性であり、一旦それが表面に触れると除去することは極めて困難である。高速中性子を作り出す技術において、これは、発生装置が密閉されること、および完全に密閉される真空を達成するための手段を有することを必要とする。発生装置ヘッドは、容易に保守されることができず、通常、その寿命は、2000時間未満に制限される。このことは、発生装置ヘッドが交換を必要とする前に治療され得る患者の数が少なくなることから、臨床動作のためのこの発生装置の可能な使用を低減させる。 The use of tritium has many safety and maintenance issues. Tritium gas is radioactive and extremely difficult to remove once it touches a surface. In the art of producing fast neutrons, this requires that the generator be hermetically sealed and have means for achieving a vacuum that is completely hermetically sealed. The generator head cannot be easily maintained and its life is usually limited to less than 2000 hours. This reduces the possible use of this generator for clinical operation, as fewer patients can be treated before the generator head requires replacement.

その一方で、DD融合反応の使用は、当業者が、粗引きおよびターボポンプを伴う活発にポンピングする真空手段を使用することを可能にする。その後、発生装置は、修理のために開けることができ、その寿命は延長される。このことが、DD融合反応中性子発生装置を臨床用途に最適にする。DD融合反応の欠点は、先行技術の方法によって必要とされる所望の中性子収率を達成するためには高加速力が必要とされることである。がん部位において適切な熱中性子流束を作り出す効率を改善することは、臨床および病院環境においてBNCTを達成するのに必要不可欠である。 On the other hand, the use of the DD fusion reaction allows one skilled in the art to use actively pumping vacuum means with roughing and turbopumps. The generator can then be opened for repair, extending its life. This makes the DD fusion reaction neutron generator optimal for clinical use. A drawback of the DD fusion reaction is that high acceleration forces are required to achieve the desired neutron yields required by prior art methods. Improving the efficiency of creating an adequate thermal neutron flux at the cancer site is essential to achieving BNCT in clinical and hospital settings.

Current Status of Neutron Capture Therapy(2001)IAEA-TECDOC-1223Current Status of Neutron Capture Therapy (2001) IAEA-TECDOC-1223 Yamamoto,O;Takuma,T;Fukuda,M;Nagata,S;Sonoda,T“Improving withstand voltage by roughening the surface of an insulating spacer used in vacuum,”IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION(2003)、10(4):550-556Yamamoto,O;Takuma,T;Fukuda,M;Nagata,S;Sonoda,T“Improving withstand voltage by roughening the surface of an insulating spacer used in vacuum,”IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION(2003)、10(4 ): 550-556

本発明の実施形態において、中性子発生装置であって、上面、下面、第1および第2の端、第1および第2の側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備える、中性子発生装置が提供される。イオン引き出しアイリスを通じて引き出されるイオンは、一次分離ウェルの下端部においてチタンターゲットに衝撃を与えるように加速されて、プレ減速材ブロックを通過しプレ減速材ブロックにより減速されるエネルギーのある中性子を作り出し、チタンターゲットから電気的に接地された要素までの表面に沿った任意の経路が、一次および二次分離ウェルによって必然的に最大限にされる。 In an embodiment of the invention, a neutron generator comprising: a top surface, a bottom surface, first and second ends, first and second sides, a first length, a first length substantially less than the first length. A pre-moderator block of moderator material having a width of 1 and a first thickness and one side to the top surface of the pre-moderator block adjacent the first end of the pre-moderator block with a vertical axis perpendicular to the top surface. a cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, the acceleration chamber being closed at an end of the pre-moderator block at a second end remote from the pre-moderator block A cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover, a vacuum pump engaging the acceleration chamber to bring the acceleration chamber to a medium high vacuum, and a top cover of the acceleration chamber on the vertical axis of the acceleration chamber. a plasma ion chamber opening into the acceleration chamber through an ion extraction iris passing through; a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber; a microwave energy source ionizing the gas in the plasma ion chamber; A cylindrical primary separation well centered on the axis and extending a substantial distance from the top surface into the pre-moderator block and within a first diameter of the acceleration chamber to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well. , a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well, and a water-cooled titanium target disk having a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber, the target disk being larger than the diameter of the separation well. also has a substantially smaller diameter and is positioned at the lower end of the isolation well and biased to a substantially negative DC voltage, covering all exposed surfaces of the water-cooled titanium target disk and the pre-moderator block. A neutron generator is provided comprising an electrically grounded metal cladding. ions extracted through the ion extraction iris are accelerated to bombard a titanium target at the lower end of the primary separation well, producing energetic neutrons that pass through and are moderated by the pre-moderator block; Any path along the surface from the titanium target to the electrically grounded element is necessarily maximized by primary and secondary isolation wells.

1つの実施形態において、プレ減速材ブロックの材料は、超高分子量ポリエチレン(UHMWPEまたはUHMW)、または高密度ポリエチレン(HDPE)、またはポリテトラフルオロエテン(PTFE)である。また、1つの実施形態において、一次および二次分離ウェルの表面は、連続曲線で形成され、高電圧フラッシュオーバに対する耐性を強化するために粗くされる。1つの実施形態において、本発生装置は、ターゲットを冷却する冷却水を提供する、プレ減速材ブロックの第2の端からチタンターゲットまでプレ減速材ブロックを縦に通る送水および戻り水チャネルをさらに備える。 In one embodiment, the material of the pre-moderator block is ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE or UHMW), or high density polyethylene (HDPE), or polytetrafluoroethene (PTFE). Also, in one embodiment, the surfaces of the primary and secondary separation wells are formed with continuous curves and are roughened to enhance resistance to high voltage flashover. In one embodiment, the generator further comprises water feed and return water channels longitudinally through the pre-moderator block from the second end of the pre-moderator block to the titanium target to provide cooling water for cooling the target. .

1つの実施形態において、中性子発生装置は、ターゲットを実質的な負のDC電圧にバイアスするために、プレ減速材ブロックを縦に通ってターゲットまで実現された高電圧バスバーに結合される、プレ減速材ブロックの第2の端における高電圧オスコネクタのためのメスソケットをさらに備える。また、1つの実施形態において、プレ減速材ブロックの第1および第2の側面の両方は、高さの少なくとも一部分について垂直から30度だけ内向きに角度付けされて、6つの中性子発生装置が、角度付けされた側面が完全に隣接して置かれることを可能にし、中心点の周りに閉じた環を形成する。また、1つの実施形態において、プレ減速材ブロックの第1および第2の側面の両方は、高さの少なくとも一部分について垂直から45度だけ内向きに角度付けされて、8つの中性子発生装置が、角度付けされた側面が完全に隣接して置かれることを可能にし、中心点の周りに閉じた環を形成する。 In one embodiment, the neutron generator is coupled to a high voltage busbar realized longitudinally through the premoderator block to the target to bias the target to a substantially negative DC voltage. Further comprising a female socket for a high voltage male connector at the second end of the block of material. Also, in one embodiment, both the first and second sides of the pre-moderator block are angled inwardly by 30 degrees from vertical for at least a portion of the height such that the six neutron generators are: Allowing the angled sides to lie perfectly adjacent, forming a closed ring around the center point. Also, in one embodiment, both the first and second sides of the pre-moderator block are angled inwardly by 45 degrees from vertical for at least a portion of the height such that the eight neutron generators are: Allowing the angled sides to lie perfectly adjacent, forming a closed ring around the center point.

本発明の別の態様において、ボロン中性子がん治療システムであって、被験者のための中央治療チャンバを有する二次減速材と、6つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、6つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、高さの少なくとも一部分に沿って30度だけ内向きに角度付けされた対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備える、ボロン中性子がん治療システムが提供される。6つの中性子発生装置は、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、中性子発生装置の角度付けされた側部が完全に隣接して、二次減速材の周りに位置付けられる。 In another aspect of the invention, a boron neutron cancer therapy system comprising a secondary moderator having a central treatment chamber for a subject and six substantially identical neutron generators, wherein six substantially substantially identical neutron generators each having a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposite sides angled inwardly by 30 degrees along at least a portion of a height, a first length; a pre-moderator block of moderator material having a first width substantially less than the first length and a first thickness; and at a first end of the pre-moderator block with a vertical axis perpendicular to the top surface A cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the upper surface of an adjacent pre-moderator block, the acceleration chamber A cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the moderator block, and a vacuum pump engaging the acceleration chamber perpendicular to the vertical axis to bring the acceleration chamber to a medium high vacuum. a plasma ion chamber opening into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the acceleration chamber; a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber; a cylindrical primary isolation well extending a substantial distance from the top surface into the pre-moderator block centered on the vertical axis of the acceleration chamber; a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well, to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well, and a water-cooled titanium with a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber. A water-cooled titanium target, wherein the target disk has a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, is positioned at the lower end of the isolation well, and is biased to a substantially negative DC voltage. A boron neutron cancer therapy system is provided comprising a disk and an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the premoderator block. The six neutron generators are positioned around the secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber and the angled sides of the neutron generators being fully adjacent.

1つの実施形態において、本システムは、減速材料の6つの略長方形のスペーシングブロックをさらに備え、1つのスペーシングブロックが、スペーシングブロックの側部が中性子発生装置の角度付けされた側面と完全に隣接して、各隣接する中性子発生装置の間に置かれる。また、1つの実施形態において、二次減速材は、中性子発生装置と中央治療チャンバとの間の全容積を充填するように成形される。1つの実施形態において、二次減速材は、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである。1つの実施形態において、二次減速材は、重水を充填された容器である。また、1つの実施形態において、二次減速材は、粒状の減速材料を充填された容器である。 In one embodiment, the system further comprises six generally rectangular spacing blocks of moderating material, one spacing block having a side of the spacing block aligned with an angled side of the neutron generator. and between each adjacent neutron generator. Also, in one embodiment, the secondary moderator is shaped to fill the entire volume between the neutron generator and the central treatment chamber. In one embodiment, the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. In one embodiment, the secondary moderator is a vessel filled with heavy water. Also, in one embodiment, the secondary moderator is a container filled with granular moderator material.

本発明のさらに別の態様において、ボロン中性子がん治療システムであって、被験者のための中央治療チャンバを有する二次減速材と、8つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、8つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、高さの少なくとも一部分に沿って45度だけ内向きに角度付けされた対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備える、ボロン中性子がん治療システムが提供される。8つの中性子発生装置は、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、中性子発生装置の角度付けされた側面が完全に隣接して、二次減速材の周りに位置付けられる。 In yet another aspect of the invention, a boron neutron cancer treatment system comprising a secondary moderator having a central treatment chamber for a subject, eight substantially identical neutron generators, and eight substantially identical neutron generators each having a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposite sides angled inwardly by 45 degrees along at least a portion of the height, a first length; , a pre-moderator block of moderator material having a first width substantially less than the first length, and a first thickness; and a first end of the pre-moderator block with a vertical axis perpendicular to the top surface. a cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent to the pre-moderator block, the acceleration chamber comprising: A cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block and a vacuum engaging the acceleration chamber perpendicular to the vertical axis to bring the acceleration chamber to a moderately high vacuum. a pump, a plasma ion chamber that opens into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the acceleration chamber, a gas source that provides deuterium gas to the plasma ion chamber, and a plasma ion chamber. a cylindrical primary isolation well extending a substantial distance from the top surface into the premoderator block centered on the vertical axis of the acceleration chamber; a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well to a depth somewhat smaller in diameter than the substantial distance of the primary separation well, and water cooled with a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber. A water-cooled titanium target disk, the target disk having a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, positioned at the lower end of the isolation well and biased to a substantially negative DC voltage. A boron neutron cancer therapy system is provided that includes a target disk and an electrically grounded metal cladding that covers all exposed surfaces of the premoderator block. Eight neutron generators are positioned around the secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber and the angled sides of the neutron generators being fully adjacent.

1つの実施形態において、このシステムは、減速材料の8つの略長方形のスペーシングブロックをさらに備え、1つのスペーシングブロックが、スペーシングブロックの側部が中性子発生装置の角度付けされた側部と完全に隣接して、各隣接する中性子発生装置の間に置かれる。1つの実施形態において、二次減速材は、中性子発生装置と中央治療チャンバとの間の全容積を充填するように成形される。1つの実施形態において、二次減速材は、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである。1つの実施形態において、二次減速材は、重水を充填された容器である。また、1つの実施形態において、二次減速材は、粒状の減速材料を充填された容器である。 In one embodiment, the system further comprises eight generally rectangular spacing blocks of moderating material, one spacing block having a side of the spacing block with an angled side of the neutron generator. Fully contiguous and positioned between each adjacent neutron generator. In one embodiment, the secondary moderator is shaped to fill the entire volume between the neutron generator and the central treatment chamber. In one embodiment, the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. In one embodiment, the secondary moderator is a vessel filled with heavy water. Also, in one embodiment, the secondary moderator is a container filled with granular moderator material.

本発明のさらに別の態様において、ボロン中性子がん療法(BNCT)のためのボロン源を評価するための治療システムであって、被験者のための中央治療チャンバを有する略正方形の二次減速材と、4つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、4つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、対向する平行な側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備える、ボロン中性子がん療法(BNCT)のためのボロン源を評価するための治療システムが提供される。4つの中性子発生装置は、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、略正方形の二次減速材の周りに位置付けられる。 In yet another aspect of the invention, a treatment system for evaluating a boron source for boron neutron cancer therapy (BNCT), comprising a substantially square secondary moderator having a central treatment chamber for a subject and , four substantially identical neutron generators, each of the four substantially identical neutron generators having a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposing parallel sides, a first length a pre-moderator block of moderator material having a length, a first width substantially less than the first length, and a first thickness; A cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the end, the acceleration chamber comprising , a cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block, and engaging the acceleration chamber at right angles to the vertical axis to bring the acceleration chamber to a medium high vacuum. a vacuum pump; a plasma ion chamber that opens into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the acceleration chamber; a gas source that provides deuterium gas to the plasma ion chamber; a microwave energy source for ionizing gases in the chamber; a cylindrical primary separation well centered on the vertical axis of the acceleration chamber and extending a substantial distance into the premoderator block from the top surface; a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well, to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well, within a diameter of the A water-cooled titanium target disk, wherein the target disk has a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, is positioned at the lower end of the isolation well, and is biased to a substantially negative DC voltage. Treatment system for evaluating a boron source for boron neutron cancer therapy (BNCT) comprising a titanium target disk and an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of a premoderator block is provided. The four neutron generators are positioned around a generally square secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber.

このシステムの1つの実施形態において、二次減速材は、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである。1つの実施形態において、二次減速材は、重水を充填された容器である。また、1つの実施形態において、二次減速材は、粒状の減速材料を充填された容器である。 In one embodiment of this system, the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. In one embodiment, the secondary moderator is a vessel filled with heavy water. Also, in one embodiment, the secondary moderator is a container filled with granular moderator material.

本発明のさらにもう1つの態様において、ボロン中性子がん治療システムであって、中央治療チャンバを除いて液体または粒状の減速材料を充填され、平行な上面および下面を有する減速材チャンバと、複数の中性子発生装置と、中性子発生装置のための機械的に調節可能なキャリアとを備え、複数の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備え、中性子発生装置のための機械的に調節可能なキャリアは、各キャリアが、1つの中性子発生装置を支持し、中性子発生装置を中央治療チャンバの方へ、および中央治療チャンバから離れる方へ並進させること、ならびに中性子発生装置を、減速材チャンバの平行な上面および下面の平面に平行な平面において回転させることを可能にされる、ボロン中性子がん治療システムが提供される。モジュール式発生装置および機械的に調節可能なキャリアは、減速材チャンバの液体または粒状の減速材料に完全に浸漬される。 In yet another aspect of the present invention, a boron neutron cancer treatment system, the moderator chambers having parallel upper and lower surfaces filled with a liquid or particulate moderator material except for a central treatment chamber; a neutron generator and a mechanically adjustable carrier for the neutron generator, each of the plurality of neutron generators having a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposite sides, a first length; a pre-moderator block of moderator material having a length, a first width substantially less than the first length, and a first thickness; A cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the end, the acceleration chamber comprising , a cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block; a vacuum pump engaging the acceleration chamber to bring the acceleration chamber to a medium high vacuum; a plasma ion chamber opening into the acceleration chamber through an ion extraction iris through a top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the chamber; a gas source for providing deuterium gas to the plasma ion chamber; a source of ionizing microwave energy, a cylindrical primary separation well centered on the vertical axis of the acceleration chamber and extending a substantial distance from the top surface into the pre-moderator block; within a first diameter of the acceleration chamber; With a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well, and a water-cooled titanium target disk having a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber. a water-cooled titanium target disk, wherein the target disk has a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, is positioned at the lower end of the isolation well and is biased to a substantially negative DC voltage; Electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the premoderator block and mechanically adjustable carriers for the neutron generators, each carrier carrying one neutron generator. supporting and translating the neutron generator toward and away from the central treatment chamber and rotating the neutron generator in a plane parallel to the planes of the parallel upper and lower surfaces of the moderator chamber; thing A boron neutron cancer treatment system is provided that enables The modular generator and mechanically adjustable carrier are fully immersed in the liquid or particulate moderator material of the moderator chamber.

患者の脳内に熱中性子を導入するための平面幾何形状の断面図である(先行技術)。1 is a cross-sectional view of a planar geometry for introducing thermal neutrons into a patient's brain (prior art); FIG. 多数の高速中性子発生装置が、均一な熱中性子線量を患者の頭部内へ導入するために半球状の減速材の周りにどのように配置されるかの実施形態の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of an embodiment of how multiple fast neutron generators are arranged around a hemispherical moderator to introduce a uniform thermal neutron dose into a patient's head. 多数の高速中性子発生装置が、高中性子線量を患者の頭部内へ発展させるために本発明の実施形態においてどのように使用されるかの斜視図である。1 is a perspective view of how multiple fast neutron generators are used in an embodiment of the invention to develop a high neutron dose into a patient's head; FIG. 中性子照射システムの内部の内側の、患者の頭部を伴う図3の構成の断面図である。4 is a cross-sectional view of the arrangement of FIG. 3 with a patient's head inside the interior of the neutron irradiation system; FIG. 平面および半球状の減速材(放射状の源)幾何形状についての頭部(皮膚)の表面からの距離に応じての線量率(Gy equivalent/hr)のグラフである。FIG. 4 is a graph of dose rate (Gy equivalent/hr) as a function of distance from the surface of the head (skin) for planar and hemispherical moderator (radial source) geometries. 本発明の実施形態における半球状の(放射状の源)および平面の減速材幾何形状についての頭部(皮膚)の表面からの距離に応じての治療可能比のグラフである。FIG. 4 is a graph of the treatable ratio as a function of distance from the head (skin) surface for hemispherical (radial source) and planar moderator geometries in an embodiment of the present invention; FIG. 肝臓または身体の他の器官のための円筒状の中性子照射システムの実施形態の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of a cylindrical neutron irradiation system for the liver or other body organ; 肝臓または身体の他の器官のための円筒状の中性子照射システムの斜視図である。1 is a perspective view of a cylindrical neutron irradiation system for the liver or other organs of the body; FIG. 中性子発生装置が肝臓または身体の他の器官において熱中性子流束を最大限にするために独立して制御され得る、中性子照射システムの実施形態のうちの1つの断面図である。1 is a cross-sectional view of one of the embodiments of a neutron irradiation system in which the neutron generators can be independently controlled to maximize thermal neutron flux in the liver or other organs of the body; FIG. 互いに独立して制御され得る中性子発生装置を使用する照射システムの断面の簡略化した図である。1 is a simplified diagram of a cross-section of an irradiation system using neutron generators that can be controlled independently of each other; FIG. 単位cmでの肝臓の軸に沿った距離に応じての治療可能比のグラフである。FIG. 4 is a graph of the therapeutic ratio as a function of distance along the axis of the liver in cm. 単位cmでの肝臓の軸に沿った距離に応じての線量率のグラフである。FIG. 2 is a graph of dose rate as a function of distance along the axis of the liver in cm. 本発明の実施形態におけるモジュール式中性子発生装置の斜視図である。1 is a perspective view of a modular neutron generator according to an embodiment of the invention; FIG. ターボ真空ポンプの軸に直角に、加速チャンバの軸に沿って取られた図12Aのモジュールの斜視断面図である。Figure 12B is a perspective cross-sectional view of the module of Figure 12A taken along the axis of the acceleration chamber, perpendicular to the axis of the turbo vacuum pump; ターボ真空ポンプの軸に沿って取られた図12Aのモジュールの斜視断面図である。Figure 12B is a perspective cross-sectional view of the module of Figure 12A taken along the axis of the turbo vacuum pump; 本発明の実施形態における、減速材および患者のためのチャンバの周りに配置される6つのモジュール式発生装置の平面図である。FIG. 4 is a plan view of six modular generators arranged around a chamber for moderator and patient, in an embodiment of the present invention; 本発明の実施形態における、6つのモジュール式中性子発生装置を使用した図13のシステムの斜視図である。14 is a perspective view of the system of FIG. 13 using six modular neutron generators in an embodiment of the invention; FIG. 8つのモジュール式発生装置を使用しており、1つは照射システムが本発明の実施形態においてどのように組み立てられるかを示すために取り除かれた状態にある、円筒状の中性子照射システムの斜視図である。A perspective view of a cylindrical neutron irradiation system using eight modular generators, one removed to show how the irradiation system is assembled in an embodiment of the invention. is. 本発明の実施形態における、流体減速材を伴い、脳内のがん部位への線量を最大限にするように配置されるモジュール式発生装置の平面図である。FIG. 2 is a plan view of a modular generator with a fluid moderator and positioned to maximize dose to cancer sites in the brain, in an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における、8つのモジュール式中性子発生装置を伴う、ヘルメット減速材および中性子反射体の内側の人間の頭部(疑似)を伴う中心筒の簡略化されたほぼ図式の図である。1 is a simplified, almost schematic illustration of a central tube with eight modular neutron generators and a human head (pseudo) inside a helmet moderator and neutron reflector, in an embodiment of the present invention; FIG. 図14Aの14B-14Bの区切り線に沿って取られた簡略化されたほぼ図式の断面図である。14B is a simplified, substantially schematic cross-sectional view taken along the 14B-14B section line of FIG. 14A; FIG. 本発明の実施形態における、疑似(頭部)をまたぐ水平位置に応じての予測される水平線量当量率(Sv/hr)を示すグラフである。Fig. 10 is a graph showing the predicted horizontal dose equivalent rate (Sv/hr) as a function of horizontal position across the pseudo (head) in an embodiment of the present invention; 4つのモジュールを採用する小動物用中性子放射線システムのためのモジュールの斜視図である。1 is a perspective view of a module for a small animal neutron radiation system employing four modules; FIG. 図16Aの小動物用中性子照射システムの簡略化された上部平面図である。16B is a simplified top plan view of the small animal neutron irradiation system of FIG. 16A; FIG. 図16Aの小動物用中性子照射システムの簡略化された断面図である。16B is a simplified cross-sectional view of the small animal neutron irradiation system of FIG. 16A; FIG. 図16Aの小動物用中性子照射システムの分解平面図である。16B is an exploded plan view of the small animal neutron irradiation system of FIG. 16A. FIG.

以下の説明において、その一部を形成する添付図面について参照がなされ、これは、本発明が実践され得る例示的な特定の実施形態により示される。他の実施形態が利用され得ること、および本発明の範囲から逸脱することなく構造的変更がなされ得ることを理解されたい。 In the following description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, and which are illustrated by way of illustrative specific embodiments in which the invention may be practiced. It is to be understood that other embodiments may be utilized and structural changes may be made without departing from the scope of the present invention.

がん部位への熱中性子の均一な送達
患者の頭部にわたって均一に分布される極めて高い熱中性子流束を達成するために、例えば、半球状の幾何形状が、本発明の1つの実施形態において使用される。この固有の幾何形状は、高速中性子源を減速材の周りに円をなして配置し、減速材の半径厚さは、最大熱中性子流束を患者の脳へ送達するように最適化される。この実施形態は、従来の平面的な中性子照射システムの必要とされる高速中性子収率および線間電圧入力電力の、1/20倍以内の均一な熱中性子線量を作り出す。この構成は、比較的安全な重水素-重水素(DD)融合反応(放射性三重水素なし)、および中程度の電力(50から100kW)で動作する商用の高電圧電源を使用することを可能にする。
Uniform Delivery of Thermal Neutrons to Cancer Sites To achieve an extremely high thermal neutron flux uniformly distributed over the patient's head, for example, a hemispherical geometry is used in one embodiment of the invention. used. This unique geometry positions the fast neutron source in a circle around the moderator, and the radial thickness of the moderator is optimized to deliver maximum thermal neutron flux to the patient's brain. This embodiment produces a uniform thermal neutron dose within 1/20 times the required fast neutron yield and line voltage input power of conventional planar neutron irradiation systems. This configuration allows the use of relatively safe deuterium-deuterium (DD) fusion reactions (no radioactive tritium) and commercial high voltage power supplies operating at moderate power (50 to 100 kW). do.

図2は、本発明の1つの実施形態による半球状の中性子照射システム36の断面図である。多数の高速中性子発生装置68が、半球状の減速材34を囲み、今度はこれが患者の頭部26を囲む。チタンターゲット52は、半球状の減速材34の外周に分布される。減速材34および高速中性子発生装置68を囲むのは、高速中性子反射体44である。 FIG. 2 is a cross-sectional view of a hemispherical neutron irradiation system 36 according to one embodiment of the invention. A number of fast neutron generators 68 surround the hemispherical moderator 34 which in turn surrounds the patient's head 26 . The titanium targets 52 are distributed around the hemispherical moderator 34 . Surrounding moderator 34 and fast neutron generator 68 is fast neutron reflector 44 .

減速材34においては、LiF、高密度ポリエチレン(HDPE)、および重水などの減速材料は、患者の頭部の周りに成形される半球状に成形される。照射目的のための半球状の減速材の最適な厚さは、材料の核構造および密度に依存する。 In moderator 34, a moderator material such as 7LiF , high density polyethylene (HDPE), and heavy water is molded into a hemisphere that is molded around the patient's head. The optimum thickness of the hemispherical moderator for irradiation purposes depends on the nuclear structure and density of the material.

図3は、患者の頭部が半球状の照射システム36内に挿入され、台54上の患者58の斜視図を示す。患者58は、その頭部が半球状の減速材34内に挿入され、台54の上に横たわっている。減速材を囲むのは、鉛またはビスマスなどの中性子反射材料44である。 FIG. 3 shows a perspective view of patient 58 on table 54 with the patient's head inserted into hemispherical illumination system 36 . A patient 58 lies on the table 54 with its head inserted into the hemispherical moderator 34 . Surrounding the moderator is a neutron reflecting material 44 such as lead or bismuth.

再び図2を参照すると、高速中性子22が、高速中性子発生装置68によって作り出される。発生装置68は、チタンターゲット52およびイオン源50からなる。イオンビームは、イオン源50によって作り出され、半球状の減速材34に埋め込まれているチタンターゲット52の方へ加速される。DD融合反応がターゲットにおいて生じ、2.5MeV高速中性子22を作り出す。 Referring again to FIG. 2, fast neutrons 22 are produced by fast neutron generator 68 . Generator 68 consists of titanium target 52 and ion source 50 . An ion beam is produced by an ion source 50 and accelerated toward a titanium target 52 embedded in a hemispherical moderator 34 . A DD fusion reaction occurs at the target, creating 2.5 MeV fast neutrons 22 .

高速中性子22は、減速材34に入り、ここで高速中性子22は、減速材原子の核との衝突により弾性散乱される。これが、それらをいくつかの衝突後に熱外中性子24エネルギーへと低速化する。これらの熱外中性子24は、患者の頭部26に入り、ここで熱外中性子24は、熱中性子30エネルギーへとさらに減速される。これらの熱中性子30は、次いで、がん部位においてボロン-10核によって捕捉され、融合事象および近位のがん細胞の死を結果としてもたらす。 The fast neutrons 22 enter the moderator 34 where the fast neutrons 22 are elastically scattered by collisions with the nuclei of the moderator atoms. This slows them down to epithermal 24 energies after a few collisions. These epithermal neutrons 24 enter the patient's head 26 where the epithermal neutrons 24 are further moderated to thermal neutron 30 energy. These thermal neutrons 30 are then captured by boron-10 nuclei at the cancer site, resulting in fusion events and death of proximal cancer cells.

高速中性子22は、チタンターゲット52から等方的にすべての方向に放射される。外向きに進む高速中性子42は、高速中性子反射体44によって反射し戻されるが(反射された中性子48)、内向きに進む高速中性子40は、熱外エネルギーへと減速され、患者の頭部26に入り、ここで中性子の熱エネルギーへのさらなる減速が生じる。 Fast neutrons 22 are emitted isotropically in all directions from the titanium target 52 . The outwardly traveling fast neutrons 42 are reflected back by the fast neutron reflector 44 (reflected neutrons 48), while the inwardly traveling fast neutrons 40 are decelerated into epithermal energy and the patient's head 26. , where further moderation of the neutrons to thermal energy occurs.

防護遮蔽体56のシェルも図2に示される。いくつかの実施形態において、これは、患者およびオペレータの両方を、中性子、x線、およびガンマ放射線に起因する過度な照射から遮蔽するのに必須であり得る。遮蔽体は、抑制することを希望する放射成分に応じて様々な材料で作製され得る。 The shell of protective shield 56 is also shown in FIG. In some embodiments, this may be essential to shield both the patient and operator from overexposure due to neutrons, x-rays, and gamma radiation. The shield can be made of various materials depending on the radiation component that it is desired to suppress.

いくつかの実施形態において、高速中性子反射体44は、鉛またはビスマスで作製される。高速中性子反射体はまた、半球状の中性子照射システム36からの放射されたガンマ線および中性子を低減させるために遮蔽手段として作用する。当業者が理解するように、ガンマ線吸収または他の中性子反射体手段が、不要かつ危険な放射線が患者58およびオペレータに到達するのを低減させるために、半球状の中性子照射システム36の周りに層で置かれ得る。 In some embodiments, fast neutron reflector 44 is made of lead or bismuth. The fast neutron reflector also acts as a shield to reduce emitted gamma rays and neutrons from hemispherical neutron irradiation system 36 . As those skilled in the art will appreciate, a gamma ray absorbing or other neutron reflector means is layered around the hemispherical neutron irradiation system 36 to reduce unwanted and dangerous radiation from reaching the patient 58 and operator. can be placed in

半球状の減速材34、高速中性子反射体44、および頭部26は、患者の頭部内に熱中性子を集中させるように一緒に作用する。患者の頭部および減速材34は、単一の減速材として連携して作用する。減速材料および幾何形状の注意深い選択により、熱中性子の均一な線量が、患者の頭部にわたって達成され得、ボロン薬剤が投与される場合、大きく均一な治療可能比が達成され得る。 Hemispherical moderator 34, fast neutron reflector 44, and head 26 act together to focus thermal neutrons within the patient's head. The patient's head and moderator 34 work together as a single moderator. With careful selection of moderating materials and geometry, a uniform dose of thermal neutrons can be achieved across the patient's head, and a large uniform therapeutic ratio can be achieved when the boron drug is administered.

本発明は、高速中性子およびガンマ線寄与を最小限にしながら、頭部への熱中性子の均一な線量をもたらす。この性能を打ち出すための高速中性子の必要量は、先行技術の平面的な中性子照射システム(図1を参照)のものと比較して低減される。 The present invention provides a uniform dose of thermal neutrons to the head while minimizing fast neutron and gamma ray contributions. The required amount of fast neutrons to deliver this performance is reduced compared to that of prior art planar neutron irradiation systems (see FIG. 1).

本発明の実施形態における半球状の中性子照射システム36の断面斜視図は、図4に示される。この断面図は、患者の頭部26および半球状の中性子照射システム36を直接通った放射状切断のものである。この実施形態に示されるように、チタンターゲット52を有するイオン源50からなる10個の高速中性子発生装置68は、半球状の減速材34および患者の頭部26を放射状に囲んでいる。この実施形態におけるチタンターゲット52は、減速材34を囲むチタンの連続したベルトである。チタンターゲットはまた、図2に示されていたように、区分され得る。この実施形態におけるイオン源は、高速中性子反射体44に埋め込まれる。 A cross-sectional perspective view of a hemispherical neutron irradiation system 36 in an embodiment of the invention is shown in FIG. This cross-sectional view is of a radial cut directly through the patient's head 26 and the hemispherical neutron irradiation system 36 . As shown in this embodiment, ten fast neutron generators 68 consisting of ion sources 50 with titanium targets 52 radially surround hemispherical moderator 34 and patient's head 26 . Titanium target 52 in this embodiment is a continuous belt of titanium that surrounds moderator 34 . Titanium targets can also be sectioned as shown in FIG. The ion source in this embodiment is embedded in a fast neutron reflector 44 .

患者の頭部26において最大熱中性子流束を達成するために減速材34に対して選択することができるいくつかの材料が存在する。HDPE、重水(DO)、グラファイト、LiF、およびAlFの性能が、モンテカルロ中性粒子(MCNP)シミュレーションを使用して分析された。一般には、患者の頭部(または他の身体部分もしくは器官)における最大熱流束を発生する、各減速材料について最適な厚さが存在する。熱中性子/(cm‐s)は、これらの材料について、減速材厚さdに応じて計算されたものであり、d=25cmであり、高速中性子反射体44は、d=50cm厚であり、鉛で作製される。本発明のすべての計算において見られるように、すべての高速中性子発生装置68からこのエリアにぶつかる高速中性子収率を合わせたものは、MCNPでは1011n/sになると仮定される。最適な厚さ、厚さの範囲、および最大熱中性子流束(E<0.5eV)は、様々な減速材料について表1に与えられる。これらは、減速材の全体寸法を決定するのを助けるために与えられるおよその値である。 There are several materials that can be selected for the moderator 34 to achieve maximum thermal neutron flux at the patient's head 26 . The performance of HDPE, heavy water (D2O), graphite, 7LiF , and AlF3 were analyzed using Monte Carlo neutral particle (MCNP) simulations. In general, there is an optimum thickness for each moderator material that produces maximum heat flux in the patient's head (or other body part or organ). Thermal neutrons/(cm 2 -s) were calculated for these materials as a function of moderator thickness d 3 , where d 4 =25 cm and fast neutron reflector 44 with d 1 =50 cm thick and made of lead. The combined fast neutron yield striking this area from all fast neutron generators 68 is assumed to be 10 11 n/s at MCNP, as seen in all calculations of the present invention. Optimal thicknesses, thickness ranges, and maximum thermal neutron fluxes (E<0.5 eV) are given in Table 1 for various moderating materials. These are approximate values given to help determine the overall dimensions of the moderator.

Figure 0007126733000001
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治療可能比の計算も重要であり、問題となっている器官(脳、肝臓)および患者の体重に依存する。HDPEは、最も高い流束を与えるが、それは、LiFと比較して低い治療可能比を与える。設計者は、中性子照射システムのための最適な幾何形状を決定するために、これに類似した計算を行うことが期待される。 Calculation of the therapeutic ratio is also important and depends on the organ in question (brain, liver) and the weight of the patient. HDPE gives the highest flux, but it gives a lower therapeutic ratio compared to 7LiF . Designers are expected to perform similar calculations to determine the optimal geometry for their neutron irradiation system.

MCNPシミュレーションが、患者58に対する送達線量および治療可能比を決定し、それを平面的な中性子照射システムと比較するために使用された。1つのシミュレーションにおいて、減速材34は、厚さがd=25cmである7LiFからなる。減速材の内径(頭部のための穴)は、d=25cmである。半球状の高速中性子反射体44と半球状の減速材34との間の間隔は、d=10cmである。頭部は、28cm×34cmであると仮定される。高速中性子反射体44は、1つの実施形態においては、d=20cm厚の鉛で作製される。dの値が厚いほど腫瘍線量率が増大する。10cmの厚さでは、腫瘍線量率は、50cmの厚さにおける値の約半分である。高速中性子発生装置68は、1011n/秒の全収率を放射すると仮定される。チタンターゲット52を合わせたものは、1401cmの全中性子放射エリアを与える。 MCNP simulations were used to determine the delivered dose and therapeutic ratio for patient 58 and compare it to a planar neutron irradiation system. In one simulation, the moderator 34 consists of 7LiF with a thickness d 3 =25 cm. The inner diameter of the moderator (hole for the head) is d 4 =25 cm. The distance between the hemispherical fast neutron reflector 44 and the hemispherical moderator 34 is d 2 =10 cm. The head is assumed to be 28cm x 34cm. The fast neutron reflector 44 is made of lead with d 1 =20 cm thickness in one embodiment. Thicker values of d1 increase the tumor dose rate. At 10 cm thickness, the tumor dose rate is about half of the value at 50 cm thickness. Fast neutron generator 68 is assumed to emit a total yield of 10 11 n/sec. The combined titanium target 52 gives a total neutron emission area of 1401 cm 2 .

MCNPシミュレーションにおいて、BPA(ボロノフェニルアラニン)が、送達薬剤として使用された。腫瘍中のボロンの濃度は、68.3μg/gmであったが、健康な組織は、19μg/gmであった。Gy equivalent/hrでの計算された中性子線量率は、皮膚から頭部の中心までの距離に応じて図5にプロットされる。計算された線量率は、ガンマ放射線療法に使用されるもの、典型的にはセッション当たり1.8から2.0Gyに匹敵する。同じ被ばく量の場合、3Gy equivalent/hrの速度で、セッションの長さは、30から40分になる。これらのセッション時間は、患者が経験するのに妥当であるとみなされる。 In MCNP simulations, BPA (boronophenylalanine) was used as the delivery agent. The concentration of boron in tumor was 68.3 μg/gm, while healthy tissue was 19 μg/gm. The calculated neutron dose rate in Gy equivalent/hr is plotted in FIG. 5 as a function of the distance from the skin to the center of the head. Calculated dose rates are comparable to those used for gamma radiotherapy, typically 1.8 to 2.0 Gy per session. For the same dose, at a rate of 3 Gy equivalent/hr, the session length would be 30 to 40 minutes. These session times are considered reasonable for the patient's experience.

このシミュレーションについて、半球状の中性子照射システムについての治療可能比は、皮膚から頭蓋骨の中心までの距離に応じて図6にプロットされる。治療可能比は、送達された腫瘍線量を健康な組織への最大線量で割ったものと定義される。3よりも大きい治療可能比は、がん療法にふさわしいとみなされる。 For this simulation, the treatable ratio for the hemispherical neutron irradiation system is plotted in FIG. 6 as a function of the distance from the skin to the center of the skull. The therapeutic ratio is defined as the delivered tumor dose divided by the maximum dose to healthy tissue. A therapeutic ratio greater than 3 is considered suitable for cancer therapy.

従来の平面的な中性子照射システムは、等価の線量率および治療可能比を達成するためには、より大きい高速中性子収率(1012から1013n/s)を必要とする。図5では、図1の平面的な中性子照射システム14が、同じ高速中性子源(1011n/s)を使用した、本発明の1つの実施形態における半球状の中性子照射システム36(図2、図3、図4)のものと比較される。図5から分かるように、半球状の中性子照射システム(図5では放射状の源と呼ばれる)は、従来の平面的な中性子照射システム14のものの約20倍の線量率を達成する。平面的な幾何形状は、同じ結果を達成するためには、2×1012n/sの高速中性子源を必要とする。実際、DD融合発生装置が使用される場合、平面的な源は、ウォールプラグ電力において20倍の増大、または2.0MWという、ひどく大きい電力要件を必要とする。 Conventional planar neutron irradiation systems require higher fast neutron yields (10 12 to 10 13 n/s) to achieve equivalent dose rates and treatable ratios. In FIG. 5, the planar neutron irradiation system 14 of FIG. 3 and 4). As can be seen from FIG. 5, the hemispherical neutron irradiation system (referred to as the radial source in FIG. 5) achieves a dose rate approximately twenty times that of the conventional planar neutron irradiation system 14. A planar geometry would require a fast neutron source of 2×10 12 n/s to achieve the same result. In fact, if a DD fusion generator is used, a planar source would require a 20-fold increase in wall-plug power, or a prohibitively large power requirement of 2.0 MW.

加えて、図5から分かるように、頭部中央をわたる±5cmの距離上で、半球状の中性子照射システム36は、被ばく量における10%未満の変動を有する。最大治療可能比を維持することが望まれ、および腫瘍が脳にわたって分布されていることがあるGBMの治療には、均一な線量率が極めて重要である。 Additionally, as can be seen from FIG. 5, over a distance of ±5 cm across the center of the head, the hemispherical neutron irradiation system 36 has less than 10% variation in dose. A uniform dose rate is crucial for the treatment of GBM, where it is desired to maintain the maximum therapeutic ratio and where the tumor may be distributed throughout the brain.

本発明の実施形態における半球状の中性子放射線システム36はまた、脳にわたってより均一な治療可能比(図6)を与える。この比は、放射状の源についてはより均一であり、平面的な源(図1)の高速中性子収率の1/20しか必要としない。 The hemispherical neutron radiation system 36 in embodiments of the present invention also provides a more uniform therapeutic ratio (FIG. 6) across the brain. This ratio is more uniform for the radial source, requiring only 1/20 the fast neutron yield of the planar source (Fig. 1).

代替の実施形態においては、他の材料が、半球状の減速材34のために使用され得る。当業者が知っているように、高密度ポリエチレン(HDPE)、重水(DO)、グラファイト、およびLiFも使用され得る。加えて、材料の組み合わせ(例えば、40%Alおよび60%AlF)も使用され得る。異なる厚さdの減速材が、中性子流束を最適化して、最も高い治療可能比を与えるために使用され得る。 In alternate embodiments, other materials may be used for the hemispherical moderator 34 . High density polyethylene (HDPE), heavy water ( D2O ), graphite, and 7LiF can also be used, as those skilled in the art know. Additionally, combinations of materials (eg, 40% Al and 60% AlF 3 ) can also be used. Moderators of different thickness d1 can be used to optimize the neutron flux to give the highest treatable fraction.

用語「中性子発生装置または源」は、中性子の発生のための広範なデバイスを網羅することが意図される。最も安価かつ最も小型の発生装置は、水素の同位体(例えば、三重水素および重水素)を、適度の加速エネルギーを使用して一緒に加速することにより、融合することによって中性子を作り出す「融合中性子発生装置」である。これらの融合中性子発生装置は、小型であり、方向づけされた中性子ビームを作り出すことができる線形加速器と比較して比較的安価である。 The term "neutron generator or source" is intended to cover a wide range of devices for the generation of neutrons. The cheapest and most compact generators produce neutrons by accelerating isotopes of hydrogen (e.g., tritium and deuterium) together using modest acceleration energies, thereby creating neutrons by fusing "fusion neutrons." generator”. These fusion neutron generators are compact and relatively inexpensive compared to linear accelerators that can produce directed neutron beams.

他の実施形態は、円筒状のターゲットにおいて中性子を発生するために使用されるプラズマイオン源の選択に依存する。これらは、(1)ループRFアンテナを使用したRF駆動のプラズマイオン源、(2)マイクロ波駆動の電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマイオン源、(3)RF駆動のらせんアンテナプラズマイオン源、(4)多重カスププラズマイオン源、および(5)ペニングダイオードプラズマイオン源である。すべてのプラズマイオン源は、高速中性子発生のための重水素または三重水素イオンを作成するために使用され得る。 Other embodiments rely on the choice of plasma ion source used to generate neutrons at a cylindrical target. These are: (1) an RF-driven plasma ion source using a loop RF antenna; (2) a microwave-driven electron cyclotron resonance (ECR) plasma ion source; (3) an RF-driven helical antenna plasma ion source; ) a multiple cusp plasma ion source, and (5) a Penning diode plasma ion source. All plasma ion sources can be used to create deuterium or tritium ions for fast neutron generation.

肝臓および他のがん部位のための円筒状の照射システム
図7Aおよび図7Bは、肝臓76などの、患者58の他の器官および部分を照射するために円筒状の幾何形状を使用する本発明の別の実施形態を示す。図7Aは、円筒状の中性子照射システム62の断面図であり、図7Bは、同じ実施形態の斜視図である。この実施形態では、8つの高速中性子発生装置68が円筒状の減速材46を囲む。これらの発生装置68はすべて、それらの高速中性子を減速材の表面において放射する。円筒状の高速中性子反射体44は、円筒状の減速材46を囲む。
Cylindrical Irradiation System for Liver and Other Cancer Sites FIGS. 7A and 7B show the present invention using a cylindrical geometry to irradiate other organs and parts of patient 58, such as liver 76. 2 shows another embodiment of FIG. 7A is a cross-sectional view of a cylindrical neutron irradiation system 62 and FIG. 7B is a perspective view of the same embodiment. In this embodiment, eight fast neutron generators 68 surround cylindrical moderator 46 . All these generators 68 emit their fast neutrons at the surface of the moderator. A cylindrical fast neutron reflector 44 surrounds a cylindrical moderator 46 .

半球状の減速材34の場合のように、円筒状の減速材62は、LiF、高密度ポリエチレン(HDPE)、および重水など、よく知られている減速材料からなり得る。これらは、患者を囲む円筒状に成形される。中性子捕捉目的のための円筒減速材の最適な厚さは、材料核構造および密度に依存する。 As with hemispherical moderator 34, cylindrical moderator 62 may consist of well-known moderator materials such as 7 LiF, high density polyethylene (HDPE), and heavy water. These are shaped like a cylinder that surrounds the patient. The optimal thickness of cylindrical moderator for neutron capture purposes depends on the material core structure and density.

この実施形態では、融合中性子発生装置は、高速中性子を供給するために使用される。高速中性子発生装置68は、前と同じようにチタンターゲット52およびイオン源50からなる。チタンターゲットは、円筒状の減速材46と連続的である。イオンビーム60は、チタンターゲット52へのDC高電圧(例えば、100kV)を使用して加速され、このチタンターゲット52において高速中性子がDD融合反応から作り出される。高速中性子は、減速材上のチタンターゲット52から等方的に放射され、一部は高速中性子反射体44へと外に移動し、その他は内向きに移動して、熱外または熱エネルギーへと即時に減速される。反射されたものは、円筒状の減速材46へと戻り、ここでそれらは、熱外および熱エネルギーへ減速されて、最終的に患者58へと向かう。 In this embodiment, a fusion neutron generator is used to provide fast neutrons. Fast neutron generator 68 consists of titanium target 52 and ion source 50 as before. The titanium target is continuous with a cylindrical moderator 46 . The ion beam 60 is accelerated using a DC high voltage (eg, 100 kV) to a titanium target 52 where fast neutrons are produced from the DD fusion reaction. Fast neutrons are emitted isotropically from the titanium target 52 on the moderator, some migrate outward to the fast neutron reflector 44, and others migrate inward to extrathermal or thermal energy. immediately decelerated. Those reflected return to the cylindrical moderator 46 where they are moderated into extrathermal and thermal energy and ultimately directed to the patient 58 .

円筒状の中性子照射システム62は、従来の平面的な中性子照射システムと比較して、患者の身体(例えば、肝臓)の一区域の均一な照明を可能にする。脳の場合、身体自体が減速プロセスの部分として作用し、円筒状の減速材46から入ってくる熱外中性子を熱平衡化する。 Cylindrical neutron irradiation system 62 allows uniform illumination of an area of a patient's body (eg, liver) compared to conventional planar neutron irradiation systems. In the case of the brain, the body itself acts as part of the moderation process, thermally equilibrating incoming epithermal neutrons from the cylindrical moderator 46 .

当業者が理解するように、咽喉および頸部腫瘍などの他のがんは、システム36などの半球状の中性子照射システムによって効果的に照射され得る。減速材の厚さおよび材料含有量は、患者に入る中性子の所望のエネルギーを最大限にするように調節され得る。例えば、咽頭および頸部腫瘍の場合、減速材は、身体の表面近くの腫瘍の熱中性子照射を最大限にするために重水素化ポリエチレンまたは重水(DO)で作製され得る。中性子のより深い貫通のためには、減速材をAlFで作製して、熱外中性子を作り出す場合がある。これらは、肝臓に到達して、その器官の均一な照明を作り出すのに最適である。 As those skilled in the art will appreciate, other cancers such as throat and neck tumors can be effectively irradiated with a hemispherical neutron irradiation system such as system 36 . Moderator thickness and material content may be adjusted to maximize the desired energy of neutrons entering the patient. For example, for pharyngeal and neck tumors, moderators can be made of deuterated polyethylene or heavy water ( D2O) to maximize thermal neutron irradiation of tumors near the surface of the body. For deeper neutron penetration, the moderator may be made of AlF3 to create epithermal neutrons. These are best suited to reach the liver and create a uniform illumination of that organ.

セグメント化された減速材
さらに別の実施形態において、セグメント化された減速材を有する高速中性子源は、肝臓または他のがん部位にわたって均一な線量を達成するために個々に移動され得る。この幾何形状は、以前の線形設計の必要とされる高速中性子収率および線間電圧入力電力の、1/10から1/20倍で均一な熱中性子線量を作り出す。これもまた、比較的安全な重水素-重水素(DD)融合反応(放射性三重水素なし)、および中程度の電力(≦100kW)で動作する市販の高電圧電源の使用を可能にする。
Segmented Moderators In yet another embodiment, fast neutron sources with segmented moderators can be moved individually to achieve uniform doses over liver or other cancer sites. This geometry produces a uniform thermal neutron dose at 1/10 to 1/20 times the required fast neutron yield and line voltage input power of previous linear designs. This also allows for relatively safe deuterium-deuterium (DD) fusion reactions (no radioactive tritium) and the use of commercially available high voltage power supplies operating at moderate power (≦100 kW).

本発明の実施形態におけるセグメント化された中性子照射システム70は、図8に示される。各々がくさび形の減速材74を有する10個の高速中性子発生装置68が、患者58を囲む。各減速材の正確な形状は、様々であり得、他の幾何形状のものであってもよい。各発生装置および減速材の対は、肝臓、器官、または身体部分にわたる中性子流束の均一性を達成するために、他のものとは独立して移動され得る。 A segmented neutron irradiation system 70 in an embodiment of the invention is shown in FIG. Surrounding the patient 58 are ten fast neutron generators 68 each having a wedge-shaped moderator 74 . The exact shape of each moderator may vary and may be of other geometries. Each generator and moderator pair can be moved independently of the others to achieve neutron flux uniformity across the liver, organ, or body part.

くさび形の減速材74の間には、さらなる減速材料(「フィラー減速材料」72)が挿入されて、大きな単一の減速材を形成する。「フィラー」減速材料72は、AlFなどの重水または動力付き減速材料であり得る。減速材料のパイ形状のフィラーもまた、くさび形の減速材74の間の空間内へ適合され得る。中性子は容易に散乱することから、中性子減速効率の過度の損失なしに、くさび形の減速材74とパイ形状のフィラーとの間には何らかの空間が存在し得る。 Additional moderator material ("filler moderator material" 72) is inserted between the wedge-shaped moderators 74 to form a single large moderator. The "filler" moderating material 72 can be heavy water or powered moderating material such as AlF3 . Pie-shaped fillers of moderator material may also be fitted into the spaces between the wedge-shaped moderators 74 . Since neutrons scatter easily, there may be some space between the wedge-shaped moderator 74 and the pie-shaped filler without excessive loss of neutron moderation efficiency.

各高速中性子発生装置68からの中性子収率および各高速中性子発生装置68の位置は、肝臓または身体部分にわたる均一性を達成するために調節され得る。発生装置の位置および中性子収率は、患者の身体内の特定の場所において所望の放射線量を達成するように変更され得る。がんは身体のいかなる部分にも位置し得ることから、この恩恵は、がん部位における線量を最適化するのに特に有用であり得る。 The neutron yield from each fast neutron generator 68 and the position of each fast neutron generator 68 can be adjusted to achieve uniformity across the liver or body part. The position and neutron yield of the generator can be varied to achieve a desired radiation dose at a particular location within the patient's body. Since cancer can be located anywhere in the body, this benefit can be particularly useful in optimizing dose at the cancer site.

高速中性子/減速材システム全体を囲んでいるのは、円筒状の高速中性子反射体44である。高速中性子は、高速中性子発生装置68によって作り出され、減速材74に入り、ここで高速中性子は、減速材原子の核との衝突により弾性散乱され、これが、何回かの衝突後にそれらを熱外エネルギーへと低速化する。他の実施形態と同様に、これらの熱外中性子は、患者58および肝臓76に入り、それらは、熱中性子エネルギーへとさらに減速される。 Surrounding the entire fast neutron/moderator system is a cylindrical fast neutron reflector 44 . Fast neutrons are produced by fast neutron generator 68 and enter moderator 74, where they are elastically scattered by collisions with the nuclei of moderator atoms, which after several collisions expel them. Slow down into energy. As with other embodiments, these epithermal neutrons enter the patient 58 and liver 76 where they are further moderated to thermal neutron energy.

様々な実施形態における本発明は、高速中性子およびガンマ線寄与を最小限にしながら、熱中性子の均一な線量を肝臓、器官、または身体部分に提供する。この性能を打ち出すための必要とされる高速中性子の数(例えば、2×1011n/s)は、ここでも、先行技術の平面的な中性子照射システムに必要とされるもの(例えば、2×1013n/s)と比較して低減される。 The present invention in various embodiments provides a uniform dose of thermal neutrons to the liver, organ, or body part while minimizing fast neutron and gamma ray contributions. The required number of fast neutrons (eg, 2×10 11 n/s) to hammer out this performance is again that required for prior art planar neutron irradiation systems (eg, 2× 10 13 n/s).

セグメント化された設計の別の実施形態が図9に示される。中性子照射システム78の形状は、楕円形であり、内側の楕円形減速材96に埋め込まれた分布したターゲットとして示される6つの高速中性子源を伴う。高速中性子22は、等方的にすべての方向に放射される。外向きに移動するそれらの高速中性子22は、高速中性子反射体44によって反射して戻されるが(矢印48を参照)、内向きに進む高速中性子22は、熱外エネルギーへと減速され、肝臓76に入り、ここで中性子の熱エネルギーへのさらなる減速が生じる。内側の楕円形減速材96、外側の楕円形減速材98、反射体44、および患者の身体58は、熱中性子を減速させ、患者の肝臓76内に集中させるように一緒に作用する。減速材および高速中性子源90、92、94の注意深い位置付けにより、均一な線量が、患者の肝臓にわたって達成され得、ボロン薬剤が腫瘍に投与されることにより、優れた治療可能比が達成され得る。 Another embodiment of a segmented design is shown in FIG. The shape of the neutron irradiation system 78 is elliptical with six fast neutron sources shown as distributed targets embedded in an inner elliptical moderator 96 . Fast neutrons 22 are emitted isotropically in all directions. Those outwardly traveling fast neutrons 22 are reflected back by the fast neutron reflector 44 (see arrow 48), while inwardly traveling fast neutrons 22 are slowed down to epithermal energy, the liver 76 , where further moderation of the neutrons to thermal energy occurs. The inner elliptical moderator 96 , the outer elliptical moderator 98 , the reflector 44 , and the patient's body 58 act together to slow down and focus the thermal neutrons in the patient's liver 76 . Through careful positioning of moderators and fast neutron sources 90, 92, 94, a uniform dose can be achieved over the patient's liver, and boron agents administered to tumors can achieve excellent therapeutic ratios.

図9における楕円形の中性子照射システム78は、楕円形減速材96の内側の患者58の簡略化した断面図である。この断面図は、患者の胴体および減速材および高速中性子発生装置システムを直接通った放射状切断のものである。視覚的な単純性を維持するため、チタンターゲットのみが示され、イオン源は示されない。したがって、6つの高速中性子源は、3つの平坦なチタンターゲット90、92、94によって代表される。残りの高速中性子発生装置は示されない。他の構成要素(例えば、プラズマイオン源)は、分析において無視される。くさび形の減速材74(図8で使用される)も図9には示されない。 Elliptical neutron irradiation system 78 in FIG. 9 is a simplified cross-sectional view of patient 58 inside elliptical moderator 96 . This cross-section is of a radial cut directly through the patient's torso and moderator and fast neutron generator system. To maintain visual simplicity, only the titanium target is shown and not the ion source. The six fast neutron sources are therefore represented by three flat titanium targets 90,92,94. The remaining fast neutron generators are not shown. Other components (eg plasma ion source) are ignored in the analysis. The wedge-shaped moderator 74 (used in FIG. 8) is also not shown in FIG.

中性子照射システムの単純なシミュレーションでは、ターゲット90、92、94は、高速中性子源であり、楕円形材料96(例えば、AlF、LiF)内に配置される。減速材料96、高速中性子反射体44、および患者の身体58の効果は、中性子が中性子照射システムにおいてどれくらい速く熱中性子へ変換されたかを決定するために、モンテカルロN粒子(MCNP5)輸送コードを使用して計算された。 In a simple simulation of a neutron irradiation system, targets 90, 92, 94 are fast neutron sources and are placed within an elliptical material 96 (eg, AlF3 , LiF). The effects of the moderating material 96, the fast neutron reflector 44, and the patient's body 58 used the Monte Carlo N-particle (MCNP5) transport code to determine how quickly neutrons were converted to thermal neutrons in a neutron irradiation system. calculated by

被ばく量計算は、肝臓の中心軸に沿って行われた。高速中性子源(チタンターゲット)は、面積が2cm×2cmであり、各々が、1011/N n/sを作り出し、Nは源の数である。人間の身体58寸法は、主軸に沿って35.5cm、および短軸に沿って22.9cmである。内側の楕円形減速材96は、LiFで作製され、10cm厚である一方、外側の減速材98は、AlFで作製され、40cm厚である。高速中性子反射体44は、50cm厚の鉛で作製される。ボロン-10濃度は、健康な組織では19.0μg/g、腫瘍では68.3μg/gである。6つの源は、単位cmで、(-15,18.06,0)、(-15,-18.06,0)、(-17,17,0)、(-17,-17,0)、(0,15.85,0)、(0,-15.85,0)に位置する。これらの測定は、点(-15,0,0)から(-5,0,0)まで肝臓76の軸に沿って行われる。x方向において、最初の2つの源90は、図9に示される肝臓の左端を中心とし、2つの源92は、身体の端を中心とし、第3の2つ94は、原点の上下に位置する。原点は、図9では小十字+として肝臓の平面において身体の中心に示される。 Dose calculations were performed along the central axis of the liver. The fast neutron sources (titanium targets) are 2 cm x 2 cm in area and each produce 10 11 /N n/s, where N is the number of sources. The human body 58 dimensions are 35.5 cm along the major axis and 22.9 cm along the minor axis. The inner elliptical moderator 96 is made of 7 LiF and is 10 cm thick, while the outer moderator 98 is made of AlF 3 and is 40 cm thick. The fast neutron reflector 44 is made of 50 cm thick lead. Boron-10 concentration is 19.0 μg/g in healthy tissue and 68.3 μg/g in tumor. The six sources are in cm, (-15,18.06,0), (-15,-18.06,0), (-17,17,0), (-17,-17,0) , (0,15.85,0), (0,-15.85,0). These measurements are taken along the axis of liver 76 from points (-15,0,0) to (-5,0,0). In the x-direction, the first two sources 90 are centered on the left edge of the liver shown in FIG. 9, the two sources 92 are centered on the body edge, and the third two 94 are located above and below the origin. do. The origin is shown in FIG. 9 as a small cross + at the center of the body in the plane of the liver.

図10は、肝臓の軸に沿った距離に応じてプロットされる、大きい単一の線量についての治療可能比、および多数の小さい線量についての治療可能比(健康な組織への光子線量は含まれない)を示す。光子線量は、被ばく間にいくらかの時間量が存在する場合は無視され得る。身体の健康な細胞の多くは、被ばく間に自己修復および回復することができる。予測される治療可能比は、多数の被ばくへの分割があるとき、これらの2つの曲線の間である。このシミュレーションでは、ここでもBPAが、腫瘍では68.3μg/gm、および健康な組織では19μg/gmでのボロンの濃度で、送達薬剤として使用された。 Figure 10 shows the therapeutic ratio for a large single dose and for multiple small doses (photon dose to healthy tissue is not included) plotted as a function of distance along the axis of the liver. not available). Photon dose can be ignored if there is some amount of time between exposures. Many of the body's healthy cells are able to self-repair and recover during exposure. The predicted therapeutic ratio is between these two curves when there is a split into multiple exposures. In this simulation, BPA was again used as the delivery agent with a boron concentration of 68.3 μg/gm in tumor and 19 μg/gm in healthy tissue.

図11は、x次元に沿って約±6%の変動を伴って、腫瘍に対する極めて均一な被ばく量を有するという目標が達成されたことを示す。計算された線量率は、ガンマ放射線療法に使用されるもの、典型的には、合計中性子収率を2×1011から3×1011n/sに増大させる場合、1時間当たり1.8から2.0Gy equivalentに匹敵する。したがって、およそ2×1011から3×1011n/sで、治療可能比および腫瘍に対する均一な被ばく量を得ることが可能である。30から40分のおよそ10から20回の治療が必要とされ、良好な治療可能比、被ばく量の均一性、および治療間の健康な組織の修復の機会を伴う。 FIG. 11 shows that the goal of having a very uniform dose to the tumor was achieved, with a variation of approximately ±6% along the x dimension. Calculated dose rates are those used for gamma radiotherapy , typically from 1.8 to Equivalent to 2.0 Gy equivalent. Therefore, it is possible to obtain a therapeutic ratio and a uniform dose to the tumor at approximately 2×10 11 to 3×10 11 n/s. Approximately 10 to 20 treatments of 30 to 40 minutes are required, with good treatability ratios, dose uniformity, and chances of healthy tissue repair between treatments.

繰り返しになるが、平面的な中性子照射システムは、それらを駆動するためには高い高速中性子収率を必要とする。発明者らに知られている1つの先行技術システムにおいては、3×1013n/sの高速中性子源が、~1‐2時間の現実的な治療時間を得るために必要とされる。収率1014n/sを有するD-T中性子源を使用すると、許容できる治療時間が得られた(単一ビームで30から72分、および異なる方向の3つのビームで63から128分)。しかしながら、これらは、現実的なウォールプラグ電力では達成することが不可能な収率である。半球状および円筒状の中性子照射システムのための50から100kWの代わりに、DT発生装置を伴う平面的な幾何形状では、適切な収率を達成するために最低でも0.5MWかかる。これらは、クリニックおよび病院にとっては高電力である。 Again, planar neutron irradiation systems require high fast neutron yields to drive them. In one prior art system known to the inventors, a fast neutron source of 3×10 13 n/s is required to obtain a realistic treatment time of ˜1-2 hours. Acceptable treatment times were obtained using a DT neutron source with a yield of 10 14 n/s (30 to 72 min for a single beam and 63 to 128 min for three beams in different directions). However, these are yields impossible to achieve with realistic wall plug power. Instead of 50 to 100 kW for hemispherical and cylindrical neutron irradiation systems, planar geometries with DT generators take a minimum of 0.5 MW to achieve adequate yields. These are high power for clinics and hospitals.

当業者が知っているように、咽喉および頸部腫瘍などの他のがんは、中性子照射システムによって効果的に照射され得る。減速材の厚さおよび材料含有量は、患者に入る中性子の所望のエネルギーを最大限にするように調節され得る。例えば、咽頭および頸部腫瘍では、減速材は、身体の表面近くの腫瘍の熱中性子照射を最大限にするために重水素化ポリエチレンまたは重水(DO)で作製され得る。中性子のより深い貫通のためには、減速材をAlFで作製して、熱外中性子を作り出す。これらは、肝臓に到達して、その器官の均一な照明を作り出すのに最適である。 As those skilled in the art know, other cancers such as throat and neck tumors can be effectively irradiated with a neutron irradiation system. Moderator thickness and material content may be adjusted to maximize the desired energy of neutrons entering the patient. For example, in pharyngeal and neck tumors, moderators can be made of deuterated polyethylene or heavy water ( D2O) to maximize thermal neutron irradiation of tumors near the surface of the body. For deeper neutron penetration, the moderator is made of AlF3 to create epithermal neutrons. These are best suited to reach the liver and create a uniform illumination of that organ.

モジュール式発生装置
導入
図8および図9に示されるように、多数のモジュール式発生装置が、減速材料に閉じ込められ得、がん腫瘍の場所において熱中性子流束を最大限にするように配置され得る。高速2.5MeV中性子は、あまりに多くの中性子が、がんへの進行時に健康な組織による捕捉により失われることなくがん部位へ貫通するエネルギー(通常、熱外)へ低速化(減速)されなければならない。これらのモジュール式発生装置は、独立した中性子源として作用し、各々が、それぞれ個々のビームのエネルギー、方向、および強度の調節により最適化され得る。モジュール式発生装置は、ある部位を、特定の被験者の構成要素の場所および構造に適合させるように構成され得る。これは、がん腫瘍の場所にも当てはまる。
Modular Generators Introduction As shown in Figures 8 and 9, a number of modular generators can be enclosed in moderating material and arranged to maximize the thermal neutron flux at the site of the cancer tumor. obtain. Fast 2.5 MeV neutrons must be slowed down (moderated) to an energy (usually exothermic) that penetrates into the cancer site without too many neutrons being lost to capture by healthy tissue during progression to cancer. must. These modular generators act as independent neutron sources and each can be optimized by adjusting the energy, direction and intensity of each individual beam. Modular generators can be configured to match a site to the location and structure of a particular subject's component. This also applies to the location of cancer tumors.

中性子のエネルギーもまた、減速材料を加えること、または減じることによって調節され得る。これは、中性子源と統合された固定ビーム線を通常有する単一ビームLINACまたは原子炉を用いるよりも容易に行われ得る。先行技術において、何らかの調節が行われ得るが、はるかに小さい本発明の実施形態におけるDD融合発生装置は、方向、強度、および減速においてより多くの自由度を有し得る。これは、医師が中性子放射線を患者のがんに合わせて調整するのを支援するという追加の便益を有する。 Neutron energies can also be adjusted by adding or subtracting moderating materials. This can be done more easily than with single beam LINACs or nuclear reactors, which usually have a fixed beam line integrated with the neutron source. In the prior art, some adjustments may be made, but the DD fusion generator in the much smaller embodiments of the present invention may have more degrees of freedom in direction, strength and deceleration. This has the added benefit of helping the physician tailor the neutron radiation to the patient's cancer.

線形加速器および原子炉との比較
本発明の様々な実施形態におけるモジュール式発生装置はまた、がん照射システムの機械的構造を形成し得、およびその部分であり得る。これは、中性子源をがん部位および病気のある身体部分のできる限り近くに移動させ、中性子源の効率的な使用を結果としてもたらすという追加の便益を有する。中性子は、モジュール式発生装置から4π立体角に放射されているため、がん部位に近いほど、よりいっそうの高速中性子流束が利用されている。線形加速器(LINAC)は、いくらかコリメーションされるが、がん部位から遠く、この利点を提供することができない。
Comparison to Linear Accelerators and Nuclear Reactors Modular generators in various embodiments of the present invention may also form the mechanical structure of, and be part of, a cancer irradiation system. This has the added benefit of moving the neutron source as close as possible to cancer sites and diseased body parts, resulting in efficient use of the neutron source. Since the neutrons are emitted in a 4π solid angle from the modular generator, a higher flux of fast neutrons closer to the cancer site is utilized. Linear accelerators (LINAC) are somewhat collimated, but are far from the cancer site and cannot provide this advantage.

数メートル長以上であり得、大きいマイクロ波電源を含み得る線形加速器と比較して、本発明の実施形態におけるDD融合源は、1メートル長未満であり、ソリッドステートのマイクロ波源または小さい安価な単一の電子レンジマグネトロンのいずれかであり得る小型マイクロ波源を備える。本発明の実施形態における加速器構造体は、小型であり、また、中性子ビーム調整の第1の段階を作り出すために5‐10cmの高密度ポリエチレン(HDPE)または15‐20cmのポリテトラフルオロエテン(PTFE)テフロンからのみ追加するプレ減速材118を含む。これらの実施形態におけるプレ減速材は、いくつかの図を参照して以下に教示されるように、各モジュール式発生装置の統合された部分である。代替の実施形態において、AlF、MgFLiF、およびFluental(商品名)などの他のプレ減速材料が使用され得る。 Compared to linear accelerators, which can be several meters long or longer and can include large microwave power sources, the DD fusion source in embodiments of the present invention is less than one meter long and can be a solid-state microwave source or a small inexpensive unit. Equipped with a miniature microwave source, which may be any one of the microwave oven magnetrons. The accelerator structure in embodiments of the present invention is compact and uses 5-10 cm of high density polyethylene (HDPE) or 15-20 cm of polytetrafluoroethene (PTFE) to create the first stage of neutron beam conditioning. ) includes a premoderator 118 that is added only from Teflon. The pre-moderator in these embodiments is an integral part of each modular generator, as taught below with reference to several figures. In alternate embodiments, other pre-moderation materials such as AlF3 , MgF2 , 7LiF , and Fluental(TM) may be used.

中性子生成のための、より小さく非毒性のあまり複雑でないターゲット
本発明の実施形態におけるモジュール式DD融合発生装置118は、中性子を作り出すために小さいチタンターゲット(例えば、水冷式の銅フィンに支えられた直径5cmのチタンのディスク)を使用する。ターゲットは、モジュール式発生装置と呼ばれる、本出願における装置の統合された部分であるプレ減速材上に直接支持される。従来の技術におけるリニアック(Linac)および他の方法は、複雑な冷却および回転を必要とする、より大きな、または毒性の、ターゲットを使用する。例えば、Neutron Therapeuticsにより使用される中性子源は、2.6MeV静電陽子加速器、および中性子を発生するための回転式の固体リチウムターゲットを有する。その先行技術のプロセスにおいて、リチウムは、放射性および毒性になり、空気にさらされると、それは崩壊する。この先行技術の源は、大型加速器によって作り出される強力な2.8MeV陽子ビーム内で回転される大型Liディスクを収容する大型ターゲットチャンバを有する。リチウム車輪(wheel)は、直径およそ2メートルであり、機械的ロボット工学手段によって除去されるパイ形状の区域に分割されている。本発明の実施形態において、Tiターゲットは、比較的小さい直径(~5cm)であり、典型的には、6‐8つのねじによりプレ減速材ブロックに装着され、Viton「O」リングによりブロックに密閉される。本発明の実施形態におけるTiターゲットは、容易に手動で除去および交換され得る。それらはまた、長い寿命を有し、4000時間以上も故障なしに試験されている。
Smaller, non-toxic, less complex target for neutron production Modular DD fusion generator 118 in embodiments of the present invention is supported by a small titanium target (e.g., water-cooled copper fins) to produce neutrons. A 5 cm diameter titanium disc) is used. The target is supported directly on the pre-moderator, which is an integral part of the apparatus in this application, called the modular generator. Linac and other methods in the prior art use larger or toxic targets that require complex cooling and rotation. For example, the neutron source used by Neutron Therapeutics has a 2.6 MeV electrostatic proton accelerator and a rotating solid state lithium target for generating neutrons. In that prior art process, lithium becomes radioactive and toxic and when exposed to air it decays. This prior art source has a large target chamber containing a large Li disk that is rotated within an intense 2.8 MeV proton beam produced by a large accelerator. The lithium wheel is approximately two meters in diameter and is divided into pie-shaped sections that are removed by mechanical robotic means. In embodiments of the present invention, the Ti target is relatively small diameter (~5 cm) and is typically attached to the premoderator block by 6-8 screws and sealed to the block by a Viton "O" ring. be done. The Ti target in embodiments of the invention can be easily manually removed and replaced. They also have a long lifespan and have been tested for over 4000 hours without failure.

原子炉は、熱い炉心を維持するためにかなりの量の遮蔽(水およびコンクリート)ならびに冷却システムを伴う大型構造体である。炉は、第一に、エネルギー増幅器を使用してエネルギーが上昇されなければならない熱中性子を提供し、次いで中性子ビームは、最小のガンマ放射線を有する熱外中性子を作り出すためにIAEA基準へ向上されなければならない。 Nuclear reactors are large structures with a significant amount of shielding (water and concrete) and cooling systems to maintain a hot core. The reactor first provides thermal neutrons whose energy must be stepped up using an energy amplifier, then the neutron beam must be stepped up to IAEA standards to produce epithermal neutrons with minimal gamma radiation. must.

健康な組織への貫通および最小の損傷のために中性子エネルギーを最適化すること
3cm以上の、被験者における深さにある腫瘍の場合、減速材の目標は、人間のターゲット内へ最低でも数センチメートル貫通するのに十分なエネルギーを提供すると同時に人間の組織により損害を与えるより高いエネルギーを回避するために、エネルギーを皮膚において約10keVにクラスタさせる中性子ビームを提供することである。熱外エネルギーへの高変換は、HDPE内でおよそ5cmの厚さにおいて生じるが、それはまた、高収率の熱中性子、および健康な組織を皮膚のところで損傷することができる2.2MeVガンマ線を作り出す。
Optimizing Neutron Energy for Penetration and Minimal Damage to Healthy Tissue For tumors at depths in subjects greater than 3 cm, moderator targets should be at least a few centimeters into the human target. To provide sufficient energy to penetrate while avoiding higher energies that are more damaging to human tissue, the goal is to provide a neutron beam that clusters the energy at about 10 keV in the skin. High conversion to epithermal energy occurs in HDPE at a thickness of approximately 5 cm, but it also produces a high yield of thermal neutrons and 2.2 MeV gamma rays that can damage healthy tissue at the skin. .

モジュール式発生装置
本発明の実施形態において、モジュール式発生装置は、非常に重要な構成要素である。モジュール式発生装置は、先行技術においては別個の機能であった多数の機能を組み合わせる。これらの統合された機能は、中性子生成およびビーム調整の両方を含む。図12Aは、本発明の実施形態における個々のモジュール式発生装置118の斜視図である。
Modular Generator In embodiments of the present invention, the modular generator is a very important component. Modular generators combine a number of functions that were separate functions in the prior art. These integrated functions include both neutron production and beam conditioning. FIG. 12A is a perspective view of an individual modular generator 118 in an embodiment of the invention.

図12Bは、イオンビーム発生および格納のための加速チャンバ100の軸に沿って取られた、およびモジュール式発生装置118の部分であるターボ真空ポンプ124の軸に対して直角の、図12Aのモジュール式発生装置118の断面である。図12Cは、加速チャンバ100の軸に沿って、およびターボ真空ポンプ124の軸に沿って取られた、図12Bの断面に対して直角の、図12Aのモジュール式発生装置118の断面である。各モジュール式発生装置118は、他のモジュール式発生装置とは独立して動作することができ、各々が、中性子を発生するためのすべての必要な構成要素を保有する。さらに、様々なモジュール式発生装置は、以下の可能な詳細に説明されるような隣接する発生装置またはスペーシング減速材など、プロジェクトの他の構築ブロックに係合するように成形されるプレ減速材を有し得る。 FIG. 12B shows the module of FIG. 12A taken along the axis of the acceleration chamber 100 for ion beam generation and storage and perpendicular to the axis of the turbo vacuum pump 124, which is part of the modular generator 118. 3 is a cross-section of the equation generator 118. FIG. 12C is a cross-section of the modular generator 118 of FIG. 12A taken along the axis of the acceleration chamber 100 and along the axis of the turbo vacuum pump 124, perpendicular to the cross-section of FIG. 12B. Each modular generator 118 can operate independently of the other modular generators, each possessing all the necessary components to generate neutrons. In addition, various modular generators are pre-moderators shaped to engage other building blocks of the project, such as adjacent generators or spacing moderators as described in possible detail below. can have

図12A、図12B、および図12Cに見られるように、各モジュール式発生装置118は、エネルギーのある中性子のエネルギーを減速させることで知られている材料で作製されるプレ減速材108を備える。大半の実施形態において、プレ減速材は、特定の目的のためにかなり複雑な形状を伴う、材料の固体ブロックである。モジュール式発生装置118は、3つの重要な要素:(1)重水素イオン源102、(2)加速チャンバ100であって、これを通じて重水素イオンが加速され得る、加速チャンバ100、および(3)重水素イオンによって衝撃を与えられて高エネルギー中性子を作り出すチタンターゲット106(図12Bおよび図12Cに示される)を有する。重水素イオン源102は、ケーブル178によって接続される、装着されたマイクロ波源160、およびマイクロ波スラグ同調器172を有する。重水素ガスは、加速チャンバの上端においてプラズマイオンチャンバ174内へゆっくりと漏出し、ここでマイクロ波エネルギーがガスをイオン化し、重水素D+イオンを作成する。 As seen in FIGS. 12A, 12B, and 12C, each modular generator 118 includes a premoderator 108 made of materials known to moderate the energy of energetic neutrons. In most embodiments, the pre-moderator is a solid block of material with a rather complex shape for a specific purpose. Modular generator 118 comprises three key elements: (1) deuterium ion source 102, (2) acceleration chamber 100 through which deuterium ions can be accelerated, and (3) It has a titanium target 106 (shown in FIGS. 12B and 12C) which is bombarded by deuterium ions to produce high energy neutrons. The deuterium ion source 102 has an attached microwave source 160 and a microwave slug tuner 172 connected by a cable 178 . The deuterium gas slowly leaks into the plasma ion chamber 174 at the top of the acceleration chamber, where microwave energy ionizes the gas to create deuterium D+ ions.

ガスは、マイクロ波エネルギーによってイオン化され、重水素(D+)イオンが作成され、イオン引き出しアイリス138を通って出て加速チャンバ100内へ、および電子抑制シュラウド180を通って加速され、この電子抑制シュラウド180は、逆流電子がプラズマ源内へ戻るように加速され、これにより装置に損傷を与え得ることがないようにする。電子は、加速チャンバ内に作成されている重水素ガス内のD+イオンの衝突によって作成されている。 The gas is ionized by microwave energy to create deuterium (D+) ions, which are accelerated out through ion extraction iris 138 into acceleration chamber 100 and through electron suppression shroud 180, which 180 prevents backflow electrons from being accelerated back into the plasma source and thereby potentially damaging the device. Electrons are created by collisions of D+ ions in the deuterium gas created in the acceleration chamber.

重水素イオンは、正に帯電され、ターゲット106は、120kVから220kVのレベルまで負に帯電され、D+イオンは、負にバイアスされたターゲット106に強力に引き付けられる。加速チャンバ100は、約10-6トールの1つの実施形態において中程度の真空を提供するターボ真空ポンプ124に接続され、Dイオンの散乱を、それらが引き出しアイリス138からターゲット106へ進む際に最小限にする。チタンターゲット106は、プレ減速材108の、UHMW、HDPE、またはテフロンであり得るプレ減速材料内に埋め込まれたチャンバの底において、一次(primary)電気絶縁ウェル181内に位置付けられる。一次電気絶縁ウェルを囲む二次(secondary)電気絶縁ウェル182がさらに存在する。一次および二次電気絶縁ウェル内の減速材料の表面は、いかなる表面電荷も任意の方向をとる湾曲経路をたどらせる波型の絶縁体として見られ得る。目的は、電子がターゲットから加速チャンバ100壁または任意の接地要素へ進むことを防ぐため、およびその表面経路内での表面電気破壊またはフラッシュオーバを回避するために、非常に長い表面経路を提供することである。当業者が知っているように、ウェルは、電気絶縁経路を形成する。追加の波形またはウェルが、経路を長くするために追加され得る。 Deuterium ions are positively charged, target 106 is negatively charged to levels of 120 kV to 220 kV, and D+ ions are strongly attracted to negatively biased target 106 . Acceleration chamber 100 is connected to a turbo vacuum pump 124 that provides a moderate vacuum in one embodiment of about 10 −6 Torr to scatter D 1 + ions as they travel from extraction iris 138 to target 106 . Minimize. Titanium target 106 is positioned in a primary electrically insulating well 181 at the bottom of the chamber of premoderator 108 embedded in the premoderator material, which can be UHMW, HDPE, or Teflon. There is also a secondary electrical isolation well 182 surrounding the primary electrical isolation well. The surface of the moderating material in the primary and secondary electrical isolation wells can be viewed as a corrugated insulator that allows any surface charge to follow a curved path in any direction. The purpose is to provide a very long surface path to prevent electrons from traveling from the target to the acceleration chamber 100 wall or any grounded elements and to avoid surface electrical breakdown or flashover within that surface path. That is. As those skilled in the art know, wells form electrically insulating pathways. Additional corrugations or wells can be added to lengthen the path.

プレ減速材108は、ターゲットへおよびターゲットからの高電圧バスバー122および流体冷却チャネル120を有する。高電圧は、高電圧バスバーに接続される高電圧レセプタクル130を介して導入される。プレ減速材108は、HV絶縁体として、および高い負バイアスにおけるターゲット106のための機械的支持として作用する。プレ減速材108は、プレ減速材プラスチックを通じた高電圧破壊を最小限にするために、接地電位にある金属クラッディング140を有する。動作中、イオンビーム内のDイオンは、チタンターゲット106に引き付けられ、ここで高速(2.5MeV)中性子が、結果として生じるDD融合反応において作り出される。 The pre-moderator 108 has high voltage busbars 122 and fluid cooling channels 120 to and from the target. High voltage is introduced through a high voltage receptacle 130 connected to the high voltage busbar. Premoderator 108 acts as a HV insulator and as a mechanical support for target 106 at high negative bias. The premoderator 108 has a metal cladding 140 at ground potential to minimize high voltage breakdown through the premoderator plastic. During operation, D + ions in the ion beam are attracted to the titanium target 106, where fast (2.5 MeV) neutrons are created in the resulting DD fusion reaction.

図13Aは、6つのモジュール式発生装置118のアセンブリを例証しており、プレ減速材108は、同様に減速材料で作製されるスペーサ128によって離間される。図13Bは、図13Aの構成を斜視図で示す。図13Cは、1つのモジュール式発生装置118がアセンブリから除去された、図13Bの構成を示す。図13Dは、モジュール式発生装置が、がん部位の最大照射に位置付けられるように並進および回転機構に搭載され得る構成を示すより図式的な例証である。図13A-図13Dに示されるように、本発明の実施形態におけるモジュール式発生装置は、プレ減速材を伴う照射中性子源の完全な移動可動なシステムを形成するようにアレイで構成され得る。例えば、図13A-図13Cに示されるように、アレイの最も単純な構成において、モジュール式発生装置は、人間の胴体または身体部分の周りに円を形成し得る。モジュール式発生装置は、図13Dでは人間の脳として例証される身体部分146を中心としない場合があるがん部位148への中性子流束を最大限にするために、被験者の周りの3次元アレイ内へ移動され得る。したがって、身体の外形、形状、およびサイズ、ならびにがんの場所および分布に応じて、モジュール式発生装置は、がんへの線量を最大限にし、他の身体部分への線量を最小限にするために、形状および腫瘍位置に適合するように移動され得る。図13Dを参照すると、モジュール式発生装置118の回転150および並進151は、モジュール式発生装置118に装着される電気モータにより達成され得る。 FIG. 13A illustrates an assembly of six modular generators 118, with pre-moderators 108 spaced apart by spacers 128, also made of moderator material. FIG. 13B shows the configuration of FIG. 13A in perspective view. Figure 13C shows the configuration of Figure 13B with one modular generator 118 removed from the assembly. FIG. 13D is a more schematic illustration showing a configuration in which the modular generator can be mounted on a translation and rotation mechanism so that it is positioned for maximum irradiation of the cancer site. As shown in FIGS. 13A-13D, modular generators in embodiments of the invention can be configured in an array to form a complete mobile system of irradiation neutron sources with premoderators. For example, as shown in Figures 13A-13C, in the simplest configuration of the array, the modular generators may form a circle around the human torso or body part. Modular generators are arranged in a three-dimensional array around the subject to maximize neutron flux to a cancer site 148 that may not be centered on a body part 146 illustrated as the human brain in FIG. 13D. can be moved in. Therefore, depending on body contour, shape, and size, and cancer location and distribution, modular generators maximize dose to cancer and minimize dose to other body parts For this reason, it can be moved to match the shape and tumor location. Referring to FIG. 13D , rotation 150 and translation 151 of modular generator 118 may be accomplished by electric motors attached to modular generator 118 .

プレ減速材の7つの機能
チタンターゲットがプレ減速材上にあるため(減速の第1の段階)、ターゲットから入ってくる高速中性子は、プレ減速材に直ちに入り、熱または熱外エネルギーへ素早く減速される。プレ減速材はまた、機械的支持、高電圧供給、およびチタンターゲットへの冷却流体輸送を提供する。これを達成し得る例示的なプレ減速材料は、テフロンおよびHDPEである。テフロンおよびHDPEの両方は、図12Cに示されるように、HVおよび冷却流体をTiターゲットへ輸送するために使用されるべきHVバスバー122および水チャネル120も支持することができる優れた高電圧誘電体である。図12A、図12B、図12Cに示されるように、単一の発生装置118は、加速チャンバ100、重水素イオンを放射するイオン源102、チタンターゲット106、およびプレ減速材108からなる。プレ減速材108はまた、高電圧(例えば、80kVから300kV))をチタンターゲット106に送達する高電圧バスバー122のための高電圧絶縁体、および冷却流体をチタンターゲット106に送達する水チャネル120であるという機能を提供する。高電圧は、高電圧電源から標準HVレセプタクル130を通ってバスバー122へ、次いでチタンターゲット106へ送達され、これらのすべてがプレ減速材108に搭載される。
Seven Functions of Premoderator Because the titanium target is on the premoderator (first stage of moderation), fast neutrons coming from the target enter the premoderator immediately and are quickly moderated to thermal or exothermic energy. be done. The premoderator also provides mechanical support, high voltage supply, and cooling fluid transport to the titanium target. Exemplary pre-moderation materials that can accomplish this are Teflon and HDPE. Both Teflon and HDPE are excellent high voltage dielectrics that can also support the HV busbars 122 and water channels 120 to be used to transport the HV and cooling fluids to the Ti target, as shown in Figure 12C. is. As shown in FIGS. 12A, 12B, and 12C, a single generator 118 consists of an acceleration chamber 100, an ion source 102 that emits deuterium ions, a titanium target 106, and a premoderator 108. FIG. The premoderator 108 is also a high voltage insulator for a high voltage busbar 122 that delivers high voltage (e.g., 80 kV to 300 kV) to the titanium target 106, and water channels 120 that deliver cooling fluid to the titanium target 106. provide the function of being High voltage is delivered from a high voltage power supply through a standard HV receptacle 130 to busbar 122 and then to titanium target 106 , all of which are mounted on premoderator 108 .

本発明の様々な実施形態において、プレ減速材108は、7つの機能:(1)減速、(2)チタンターゲットの機械的支持、(3)ターゲットへの冷却流体輸送、(4)ターゲットへの高電圧輸送、(5)最小限の表面フラッシュオーバ、(6)および高真空容器(壁)の一部分を、ガス放出なし(7)で実施する。これらの7つの属性は、高速中性子源と患者との間の距離および材料の量のかなりの低減を可能にし、患者に送達される最大限の中性子流束を維持するのを助ける。 In various embodiments of the present invention, the premoderator 108 performs seven functions: (1) moderation, (2) mechanical support of the titanium target, (3) cooling fluid transport to the target, (4) High voltage transport, (5) minimal surface flashover, (6) and a portion of the high vacuum vessel (wall) is performed without outgassing (7). These seven attributes allow for a significant reduction in the distance and amount of material between the fast neutron source and the patient, helping to maintain the maximum neutron flux delivered to the patient.

被験者の周りのモジュール式発生装置
図13A-図13Dは、発生装置がどのように構成され得るかを示す。図13Aでは、6つのモジュール式発生装置118は、二次減速材112の周りに環を形成し、二次減速材112、スペーサ128、およびプレ減速材108によって形成される構造体の部分である。プレ減速材108および二次減速材112は、中性子を熱外エネルギーへと低速化することによって減速機能を提供する(機能#1)。これらの要素はまた、発生装置および減速材システム全体のための機械的支持を提供する(機能#2)。
Modular Generator Around Subject FIGS. 13A-13D show how a generator can be configured. In FIG. 13A, the six modular generators 118 form a ring around the secondary moderator 112 and are part of the structure formed by the secondary moderator 112, spacers 128, and premoderator 108. . Pre-moderator 108 and secondary moderator 112 provide a moderating function by slowing neutrons to extrathermal energy (Function #1). These elements also provide mechanical support for the entire generator and moderator system (function #2).

二次減速材112はまた、プレ減速材の直後にモジュール式発生装置に直接装着される別個の区域であり得、各々が、図13Aにあるように環112である代わりに、他とは別個である。 The secondary moderators 112 can also be separate sections directly attached to the modular generator directly after the premoderator, each separate from the others instead of being a ring 112 as in FIG. 13A. is.

図12B-図12Cに示されるように、流体輸送(機能#3)は、許容可能な動作温度にターゲットを維持するために冷却流体をターゲット106に送達するチャネル120を通じて供給される。各発生装置には、別個の冷却流体入力および出力が備わっており、冷却流体は、図12A-図12Cに示されるコネクタ132を通じて提供される。このように、プレ減速材は、流体輸送を提供する(機能#4)。高電圧は、プレ減速材108を通過する高電圧バス122を介して送達される(機能4、高電圧輸送)。HDPE、UHMW、およびテフロンは、優れた絶縁体であり、高電圧フラッシュオーバに耐える(機能#6)。3つすべてが、過剰なガス放出なしに真空システムにおいて使用され得、システムの真空を維持することを助け得る(機能#7)。これらの7つの機能の達成が、非常に小型かつ柔軟な中性子源を提供する。 As shown in FIGS. 12B-12C, fluid transport (function #3) is provided through channels 120 that deliver cooling fluid to target 106 to maintain the target at an acceptable operating temperature. Each generator has separate cooling fluid inputs and outputs, with cooling fluid provided through connector 132 shown in FIGS. 12A-12C. Thus, the premoderator provides fluid transport (function #4). High voltage is delivered via high voltage bus 122 through premoderator 108 (function 4, high voltage transport). HDPE, UHMW, and Teflon are excellent insulators and withstand high voltage flashover (feature #6). All three can be used in a vacuum system without excessive outgassing and can help maintain the vacuum of the system (function #7). Achieving these seven functions provides a very compact and flexible neutron source.

二次減速材
二次減速材112(図13A-図13C)は、がん部位への最大線量のために最大流束および中性子エネルギーの両方を最適化する多数の減速材料のうちの任意の1つ、またはそれらの組み合わせを備え得る。選択(材料、サイズ、および形状)は、被験者におけるがんの深さおよびがん部位における所望の線量に応じて様々であり得る。二次減速材は、例えば咽頭および頸部がんへの熱中性子の送達の場合はDO(重水)、または脳腫瘍への熱外中性子の送達の場合はAlFおよびテフロンの組み合わせであり得る。IAEAによる高速の熱およびガンマ放射の推奨レベルは表1に与えられる。
Secondary Moderator The secondary moderator 112 (FIGS. 13A-13C) is any one of a number of moderator materials that optimize both maximum flux and neutron energy for maximum dose to the cancer site. one, or a combination thereof. The selection (material, size, and shape) can vary depending on the depth of cancer in the subject and the desired dose at the cancer site. The secondary moderator can be, for example, D2O (heavy water) for delivery of thermal neutrons to pharyngeal and neck cancers , or a combination of AlF3 and Teflon for delivery of epithermal neutrons to brain tumors. . Recommended levels of fast thermal and gamma radiation by the IAEA are given in Table 1.

Figure 0007126733000002
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これらのIAEA推奨値は、他の医療用途のために食品医薬品局(FDA)によって人間における使用が認可されているp-ボロノフェニルアラニン(BPA)などの従来の薬に依存する。がん部位へのより高いボロン濃度の送達は、開発される予定の新薬にある程度依存し得、より低いパワーの、あまり効率的ではない中性子ビームが使用されることを可能にし得る。治療時間もより高速になり得ることから、中性子ビーム品質もそれほど高い必要はない。本発明の実施形態におけるDD融合発生装置は、比較的低いビーム流束を有し、したがって、それらががん療法のために使用されることを可能にする。 These IAEA recommendations rely on conventional drugs such as p-boronophenylalanine (BPA) that have been approved for human use by the Food and Drug Administration (FDA) for other medical uses. Delivery of higher boron concentrations to cancer sites may depend in part on new drugs to be developed, allowing lower power, less efficient neutron beams to be used. Treatment times can also be faster, so the neutron beam quality does not need to be as high. DD fusion generators in embodiments of the present invention have relatively low beam flux, thus enabling them to be used for cancer therapy.

いくつかの実施形態において、多数のモジュール式発生装置は、治療のための被験者を保持する中央チャンバを囲む二次減速材の周りに分布され得、完全に統合されたマルチイオンビームシステムの代替を提供し、いくつかの環境においては特定の便益を有し得る。便益は、(1)故障し、修理の必要のある、単一の発生装置を素早く交換する能力、ならびに(2)発生装置の、互いに対する、減速材に対する、および被験者に対する整列(alignment)を変更する能力を含み得る。被験者に関して、発生装置の整列は、がん部位における中性子の線量分布および密度を最適化し得ると同時に、装置の外側または被験者の健康な組織内へ放射され得るガンマ線などのスプリアス放射を最小限にする。 In some embodiments, multiple modular generators can be distributed around a secondary moderator surrounding a central chamber that holds a subject for treatment, providing an alternative to a fully integrated multi-ion beam system. provide, and may have particular benefits in some circumstances. The benefits are (1) the ability to quickly replace single generators that have failed and need repair, and (2) change the alignment of the generators relative to each other, to the moderator, and to the subject. can include the ability to Alignment of the generator with respect to the subject can optimize neutron dose distribution and density at the cancer site while minimizing spurious radiation, such as gamma rays, that can be emitted outside the device or into healthy tissue of the subject. .

先行技術において、原子炉および加速器中性子源が使用される場合、国際原子力機関(IAEA)のための2001年に開発されたBNCTのためのIAEA基準を満たすために、高品質中性子ビームの達成に対して細心の注意が払われていた(Current Status of Neutron Capture Therapy(2001)IAEA-TECDOC-1223。本発明の実施形態において、多数のモジュール式DD融合発生装置が使用される場合、これらの基準は緩和され得る。IAEA仕様は、すべてのがんおよび身体の場所のために使用される単一の中性子ビームが存在すると仮定する。これは、3つの中性子エネルギー(熱、熱外、および高速中性子)のための標準値を結果としてもたらす。減速材および中性子スペクトルシフタは、次いで、入力仕様として特定の高速中性子源のためのこれらの値を達成するように設計される。これは、利用可能な高速中性子を経済的に使用することができず、それで、それらの一部を、IAEAの普遍的なスペックを達成するために無駄にし得る先行技術における設計を結果としてもたらす。本発明の実施形態におけるDD融合源などの発生装置では、早期の計算は、単一のDD融合発生装置が、減速プロセスへの必要とされる高速中性子入力を達成する難しさを有することを示している。そのため、本発明の実施形態において、多数の発生装置の使用は、身体の1つの場所にビームが入るようにする代わりに、利用可能な総高速中性子収率を増大させ、減速された線量が身体のより広いエリア上で分布されることを可能にする。例えば、図13Dに示されるように、中性子nは、多くの方向から頭部に入っている。これは、がん部位への適切な熱外流束を依然として達成しながら、頭部の皮膚上の任意の1つの点における熱中性子流束の低減を可能にする。早期の先行技術の原子炉BNCT実験において、熱中性子流束は、被験者の皮膚をやけどさせた。 In the prior art, when nuclear reactors and accelerator neutron sources are used, to meet the IAEA criteria for BNCT developed in 2001 for the International Atomic Energy Agency (IAEA), for achieving high quality neutron beams (Current Status of Neutron Capture Therapy (2001) IAEA-TECDOC-1223. In embodiments of the present invention, when multiple modular DD fusion generators are used, these criteria are The IAEA specification assumes that there is a single neutron beam used for all cancers and body locations, which is divided into three neutron energies (thermal, epithermal, and fast neutrons). The moderator and neutron spectrum shifter are then designed to achieve these values for a particular fast neutron source as input specifications, which is the available fast neutron source. Neutrons cannot be used economically, resulting in designs in the prior art that may waste some of them to achieve IAEA universal specifications.DD in embodiments of the present invention For generators such as fusion sources, early calculations indicate that a single DD fusion generator has difficulty achieving the required fast neutron input to the moderation process. In the embodiment of , the use of multiple generators increases the total available fast neutron yield, instead of allowing the beam to enter a single location on the body, so that the decelerated dose is distributed over a wider area of the body. For example, neutrons n are entering the head from many directions, as shown in Figure 13D. Allows reduction of the thermal neutron flux at any one point on the skin of the head while still achieving In early prior art reactor BNCT experiments, the thermal neutron flux burns the subject's skin let me

特定のがんに使用される中性子について検討するとき、最大流束をがん部位に向けることが望ましく、したがって、治療されることになる特定のがんについて検討しなければならない。これは、人間の身体の場所および深さを含む。それらの比較的小さいサイズおよび大きい中性子収率が理由で、本発明の実施形態におけるモジュール式発生装置は、特に、がん部位におけるそれらの流束を最大限にするように位置付けられることによりこれを達成することができる。 When considering neutrons to be used for specific cancers, it is desirable to direct the maximum flux to the cancer site, and therefore the specific cancer to be treated must be considered. This includes the location and depth of the human body. Because of their relatively small size and large neutron yield, the modular generators in embodiments of the present invention do this by being positioned to maximize their flux at cancer sites, among others. can be achieved.

本発明の実施形態において、発生装置は、がん部位における流束を最大限にするために患者の身体のできるだけ近くに置かれるため、より全体論的な問題が存在する。各モジュール式発生装置のための多数のパラメータが存在する:(例えば、中性子流束、中性子エネルギー、身体に対する位置)。単一の中性子ビームパイプから出るもの(1998 IAEA基準、表1)だけが検討すべき唯一のものではない。身体部分は今や、本発明の新規の実施形態において、すべての方向に照射され得、中性子強度は、単一のビームLINACまたは原子炉を用いたものよりも良好な流束およびさらにより最適な中性子エネルギーを達成するために、各モジュール式発生装置において調節され得る。各中性子ビームの方向は、各モジュール式発生装置118を回転および変位させることによって調節され得る。各モジュール式発生装置の収率は、加速器電圧およびイオンビーム電流を変化させることによって電子的に調節され得る。減速材サイズは、先行技術と比較して比較的小さく小型であるため、各モジュール式発生装置118の中性子スペクトルは、異なる減速材料および厚さの選択によって調節され得る。 In embodiments of the present invention, the generator is placed as close as possible to the patient's body to maximize flux at the cancer site, so a more holistic problem exists. There are a number of parameters for each modular generator: (eg neutron flux, neutron energy, position relative to the body). Out of a single neutron beam pipe (1998 IAEA standards, Table 1) is not the only one to consider. Body parts can now be irradiated in all directions in the novel embodiment of the present invention and neutron intensities are better flux and even more optimal neutron Energy can be adjusted at each modular generator to achieve. The direction of each neutron beam can be adjusted by rotating and displacing each modular generator 118 . The yield of each modular generator can be electronically adjusted by varying the accelerator voltage and ion beam current. Because the moderator size is relatively small and compact compared to the prior art, the neutron spectrum of each modular generator 118 can be tuned by selection of different moderator materials and thicknesses.

必要なビーム品質を下げること
本発明の実施形態において、被験者の身体は、多数の方向から中性子により衝撃を与えられる。中性子は、身体部分のすべての側から来ることができ、このことは、各ビームが横断しなければならない距離の量を最小限にする。皮膚にぶつかる望ましくない中性子は、今や、より大きいエリア上で分布され、単位面積あたりの有害成分(例えば、ガンマ線、ならびに熱および高速中性子)の皮膚線量を低減する。これらの成分は、単純に、皮膚のより大きいエリア上で送達される。これは、単一ビームにより達成されるものよりも高くなるが、皮膚のより大きいエリア上の有害成分の低減を伴う、がん部位における線量の調節を可能にする。
Reducing the Required Beam Quality In embodiments of the present invention, the subject's body is bombarded with neutrons from multiple directions. Neutrons can come from all sides of the body part, which minimizes the amount of distance each beam must traverse. Unwanted neutrons striking the skin are now distributed over a larger area, reducing the skin dose of harmful components (eg, gamma rays, and thermal and fast neutrons) per unit area. These ingredients are simply delivered over a larger area of skin. This allows for dose modulation at the cancer site, which is higher than that achieved with a single beam, but with reduced harmful components on a larger area of skin.

先行技術における単一ビームの場合、露出ごとに患者を回転させることができると論じる可能性があるが、生じ得る患者の動きに起因して、中性子は、本発明のマルチビーム実施形態ほどは正確に置かれない。配置のたびに、患者は、単一中性子ビームに対して注意深く再配向されなければならず、これは、患者の注意深い配置を必要とする。 It could be argued that the patient could be rotated between exposures in the single beam case of the prior art, but due to possible patient motion, the neutrons are not as accurate as the multibeam embodiment of the present invention. not placed in For each placement, the patient must be carefully reoriented with respect to the single neutron beam, which requires careful placement of the patient.

本発明の実施形態において、多数のビーム方向、および各モジュール式発生装置の中性子流束を調節する能力は、有害成分を低減しながら、がん部位への最適な送達を可能にする。例えば、がんが脳の左葉に位置する場合、腫瘍への中性子流束は、その腫瘍の方向に熱外中性子を送達するように調節され得る。各モジュール式発生装置中性子流束は、加速器の高電圧またはイオンビーム電流を変化させることによって、ならびに並進および回転によって、素早く調節され得るため、これは、コンピュータプログラムによって決定される送達によって容易に行われ得る。本発明において、制御コンピュータは、イオンビーム電流、加速電圧、および出力中性子収率をモニタし、これらは自動的に調節され得る。 In embodiments of the present invention, the multiple beam directions and the ability to adjust the neutron flux of each modular generator allows for optimal delivery to cancer sites while reducing harmful components. For example, if the cancer is located in the left lobe of the brain, the neutron flux to the tumor can be adjusted to deliver epithermal neutrons in the direction of that tumor. Since each modular generator neutron flux can be rapidly adjusted by varying the accelerator high voltage or ion beam current, as well as by translation and rotation, this is easily done with delivery determined by a computer program. can break In the present invention, the control computer monitors ion beam current, accelerating voltage, and output neutron yield, which can be adjusted automatically.

本発明の実施形態における小さいモジュール式発生装置は、がん部位へのより高い濃度のボロンのための新規のボロン薬送達方法を利用することができる。より高い濃度のボロンは、必要とされる中性子線量を下げ、より短い送達時間を必要とする。がん部位へのより高いボロン濃度は、本発明の実施形態におけるモジュール式DD融合発生装置など、より低い中性子収率を有する中性子発生装置の使用を可能にする。 Small modular generators in embodiments of the present invention can utilize novel boron drug delivery methods for higher concentrations of boron to cancer sites. Higher concentrations of boron lower the required neutron dose and require shorter delivery times. A higher boron concentration to the cancer site allows the use of neutron generators with lower neutron yields, such as the modular DD fusion generators in embodiments of the present invention.

各モジュール式発生装置118は、他の発生装置とは独立して中性子を作り出すことができる独立したデバイスである。これは、全ての利用可能なパワーPがN個の発生装置上で分布されることを可能にし、熱負荷が、例えばチタンターゲットに損傷を与えることなく(リチウムを使用した単一のターゲットデバイスとは異なり)安全に分布されることを結果としてもたらす。単位面積当たりの中性子の数が単位ターゲット面積当たりのイオンビーム出力により固定されるため、1つの例では、6つのモジュール式発生装置が存在し、チタンターゲット当たりの合計熱負荷を分布させる。 Each modular generator 118 is an independent device capable of producing neutrons independently of other generators. This allows all available power P to be distributed over the N generators and the heat load to be applied without damaging e.g. a titanium target (single target device using lithium and (unlike) results in a safe distribution. Since the number of neutrons per unit area is fixed by the ion beam power per unit target area, in one example there are six modular generators to distribute the total heat load per titanium target.

被験者における腫瘍を適切に治療するためには、大量の中性子が必要とされる。温度管理および安定性の理由のため、DD融合発生装置は、現在のところ、4×1010n/秒未満の高速中性子収率に制限される。中性子収率を増大させるため、中性子発生装置の数は、本発明の実施形態において、増大され得る。プレ減速材108は、より多くのモジュール式発生装置が治療されるべき被験者の周りに適合され得るように成形され得る。図13Aによって示される例では、共通の二次減速材112、被験者キャビティ116、および被験者134の周りに等しく離間して配置される6つの発生装置が存在する。プレ減速材108のものと同じであり得る減速材料(例えば、テフロンまたはポリエチレン)からなるスペーシングブロック128は、被験者キャビティ118に適合するための適切な間隔を提供するように各プレ減速材間に置かれる。図13A内のプレ減速材における図12Aに示されるようなくさび角度αは、患者の周りの円に適合することができるプレ減速材108を有するモジュール118の数、および表面が患者にどれくらい近づき得るかを決定する。例えば、6つの発生装置の場合くさび角度α=30°、および8つの発生装置の場合α=22.5°である。 A large amount of neutrons is required to adequately treat a tumor in a subject. For thermal management and stability reasons, DD fusion generators are currently limited to fast neutron yields of less than 4×10 10 n/s. To increase the neutron yield, the number of neutron generators can be increased in embodiments of the invention. The pre-moderator 108 can be shaped so that more modular generators can be fitted around the subject to be treated. In the example illustrated by FIG. 13A , there are six generators equally spaced around a common secondary moderator 112 , subject cavity 116 , and subject 134 . A spacing block 128 of moderating material (e.g., Teflon or polyethylene), which may be the same as that of pre-moderator 108, is placed between each pre-moderator to provide adequate spacing to fit subject cavity 118. be placed. The wedge angle α as shown in FIG. 12A for the pre-moderator in FIG. 13A is determined by the number of modules 118 with pre-moderator 108 that can fit in a circle around the patient, and how close the surface can be to the patient. determine whether For example, the wedge angle α=30° for 6 generators and α=22.5° for 8 generators.

流体減速材を有する移動可能な源
モジュール式発生装置のシステムの1つの実施形態が図13Aおよび図13Bに示される。図13Aにおいて、円筒(または環)内に適合する6つのモジュール式中性子発生装置118の平面図が示される。図13Bでは、斜視図が示される。モジュール式発生装置はまた、被験者の身体内の特定の場所において線量を最大限にし、選択した身体器官にがん療法を送達するために、他のパターンで構成され得る。本発明のいくつかの実施形態において、モジュール式発生装置は、最適化された場所へ電気モータおよび機械的手段によって移動されて、ボロン生体内分布テスト生検および病態解析、陽電子放射型コンピュータ断層撮影法(PET-CT)、コンピュータ断層撮影法(CT)、または磁気共鳴画像法(MRI)によって決定されるようながん部位および腫瘍プロファイルへ最大線量を提供し得る。
Movable Source with Fluid Moderator One embodiment of a modular generator system is shown in FIGS. 13A and 13B. In FIG. 13A, a plan view of six modular neutron generators 118 that fit within a cylinder (or ring) is shown. In FIG. 13B, a perspective view is shown. Modular generators can also be configured in other patterns to maximize dose and deliver cancer therapy to selected body organs at specific locations within the subject's body. In some embodiments of the present invention, the modular generator is moved by electric motors and mechanical means to optimized locations for boron biodistribution test biopsy and pathology analysis, positron emission computed tomography. It can provide maximum dose to the cancer site and tumor profile as determined by CT (PET-CT), computed tomography (CT), or magnetic resonance imaging (MRI).

移動可能なモジュール式発生装置の間に減速材料を利用することができる。臨床システムの場合、モジュール式発生装置の間に減速材料が存在しなければならない。理想的には、材料は、モジュール式発生装置の新規の場所へと素早く位置を定めることができ、また減速材料であり得る。図13Dに示されるように、液体減速材156は、モジュール式発生装置118を囲むために使用され得、二次減速材として作用する。減速材料は、移動可能なモジュール式発生装置の間に示される。液体は、適切な液体容器に含まれる。良好な減速特性も有する液体が使用され得、移動するときにモジュール式発生装置によって容易に変位される。例えば、非導電性の熱的および化学的に安定した流体である、異なる等級の3M(TM)Fluorinert(TM)電子液体(例えば、FC-40)が、発生装置の間に挿入され得る。テフロンのように、それは、それを優れた減速材にしているフッ素原子を主として含み、水素は含まない。 A moderating material can be utilized between the moveable modular generators. For clinical systems, there must be a moderating material between the modular generators. Ideally, the material can be quickly positioned to a new location in the modular generator and be a moderating material. As shown in FIG. 13D, a liquid moderator 156 may be used to surround the modular generator 118 and act as a secondary moderator. The moderating material is shown between moveable modular generators. Liquids are contained in suitable liquid containers. A liquid that also has good deceleration properties can be used and is easily displaced by the modular generator as it moves. For example, different grades of 3M(TM) Fluorinert(TM) e-liquids (eg, FC-40), which are non-conductive, thermally and chemically stable fluids, can be inserted between the generators. Like Teflon, it contains mostly fluorine atoms and no hydrogen, which makes it an excellent moderator.

減速の段階
本発明の実施形態における多数のモジュール式発生装置の使用は、減速材料の効率的な使用、減速材および遮蔽材料のサイズの低減、ならびにしたがって、システム全体のサイズの低減を可能にする。それはまた、中性子源を患者の近くに持ってきて、限られた数の中性子をより効率的な方式でがん部位に向けることによって、高速中性子の必要とされる流束密度を低減する。被験者の身体もまた、減速プロセスの方程式の部分となる。中性子が多数の方向から来るということは、局所的な皮膚線量および健康な組織の局所化された身体線量を低減させる。1つの場所において身体内へ来るよりも、中性子は、身体の周りおよそ360度から来る。
Moderation Phase The use of multiple modular generators in embodiments of the present invention allows for efficient use of moderator material, reduced size of moderator and shield material, and thus reduced overall system size. . It also reduces the required flux density of fast neutrons by bringing the neutron source closer to the patient and directing the limited number of neutrons to the cancer site in a more efficient manner. The subject's body also becomes part of the equation for the deceleration process. Having neutrons coming from multiple directions reduces the local skin dose and the localized body dose to healthy tissue. Rather than coming into the body at one location, neutrons come from approximately 360 degrees around the body.

本発明の実施形態における高速中性子の減速は、3ステッププロセスである。第1のステップ(1)において、プレ減速材108は、最小量のガンマ放射線がプロセスにおいて作り出され、できるだけ短い距離で高速中性子のエネルギーを低減するように作用する。プレ減速材はまた、(2)高電圧および(3)冷却流体を高速中性子生成チタンターゲット106に輸送するための媒体としての役割を果たす。これらの3つの機能((1)減速、(2)流体輸送、および(3)高電圧輸送)を組み合わせることが、高速中性子源と患者との間の距離および材料の量を低減し、最終的に患者に送達される最大中性子流束を維持することを助ける。部分的に低速化された中性子は、次いで、二次減速材112へと移行することができ、この二次減速材112が、例えば水素からのガンマ線の過度の発生なしに低速化プロセスを継続する。小動物モデルの場合、選択された減速材は、重水(DO)であり得る。中性子エネルギー低減は、水素からなる材料が使用された場合に生じる~2.2MeVガンマ線の発生なしにDOによって継続される。 Moderation of fast neutrons in embodiments of the present invention is a three-step process. In the first step (1), the pre-moderator 108 acts to reduce the energy of fast neutrons over as short a distance as possible with a minimal amount of gamma radiation being produced in the process. The premoderator also serves as a medium for transporting (2) high voltage and (3) cooling fluid to the fast neutron producing titanium target 106 . Combining these three functions ((1) moderation, (2) fluid transport, and (3) high voltage transport) reduces the distance and amount of material between the fast neutron source and the patient, ultimately helps maintain the maximum neutron flux delivered to the patient at The partially slowed neutrons can then transfer to the secondary moderator 112, which continues the slowing process without excessive generation of gamma rays from, for example, hydrogen. . For small animal models, the moderator of choice may be heavy water ( D2O). Neutron energy reduction is continued by D 2 O without the generation of ˜2.2 MeV gamma rays, which occurs when materials consisting of hydrogen are used.

人間の身体における3cmを超える深さの腫瘍を照射する場合、中性子は、熱外中性子エネルギーへ減速される必要がある。人間の身体もまた、部分的な最終減速材として作用する。したがって、熱外エネルギー中性子は、それらが身体を移動する際にさらに低速化され、最終的には、腫瘍部位において熱エネルギーへと低速化される。当業者は、減速が、中性子エネルギーの変動または広がりを伴う、中性子エネルギーを低減する統計上のランダムなプロセスであることを理解するだろう。本プロセスはまた、健康な細胞に損傷を与える望ましくないガンマ線成分(例えば、中性子の水素捕捉からの2.2MeVガンマ線)を結果としてもたらし得る。本発明の実施形態において、減速材料の選択は、(1)皮膚における過剰な熱エネルギー成分、(2)減速材料の費用および可用性、ならびに(3)有害なガンマ線成分を低減しながら、がん部位への最大貫通を達成するために、身体の皮膚における中性子の所望のエネルギーに少なくとも部分的に依存する。各発生装置のエネルギー、収率、方向、および減速は、減速材料、発生装置の電圧、および加速電流から決定され得る。先行技術とは異なり、減速材の寸法、および含有量は、素早く変更され得る。本発明のいくつかの実施形態において、液体減速材(例えば、Fluorinert FC40)または粒状の(例えば、AlF)減速材が使用され得る。モジュール式発生装置は、液体または粒状の減速材料内に位置付けられ、そこでそれらは、機械的手段により、異なるがん部位の間で素早く自由に移動することができる。先行技術において、減速材およびシールドは、大きく、大規模で、通常は単一のビーム原子炉または線形加速器に対して固定される。患者は、通常、固定された中性子源に対して移動される。 When irradiating tumors greater than 3 cm deep in the human body, the neutrons need to be moderated to epithermal neutron energies. The human body also acts as a partial final moderator. Thus, epithermal energy neutrons are further slowed down as they travel through the body and are eventually slowed to thermal energy at the tumor site. Those skilled in the art will understand that moderation is a statistically random process of reducing neutron energy accompanied by fluctuations or spread of neutron energy. This process can also result in undesirable gamma ray components (eg, 2.2 MeV gamma rays from hydrogen capture of neutrons) that damage healthy cells. In embodiments of the present invention, the selection of moderating materials can reduce (1) the excess thermal energy component in the skin, (2) the cost and availability of moderating materials, and (3) reduce the harmful gamma ray component while reducing the cancer site. It depends at least in part on the desired energy of the neutrons in the skin of the body to achieve maximum penetration. The energy, yield, direction, and deceleration of each generator can be determined from the moderator material, generator voltage, and accelerating current. Unlike the prior art, moderator dimensions and content can be changed on the fly. In some embodiments of the invention, a liquid moderator (eg, Fluorinert FC40) or granular (eg, AlF 3 ) moderator may be used. The modular generators are positioned within liquid or particulate moderating materials, where they can be moved quickly and freely between different cancer sites by mechanical means. In the prior art, moderators and shields are large, massive, and usually fixed for single beam reactors or linear accelerators. The patient is typically moved relative to a fixed neutron source.

液体または粒状の減速材料を使用することが、熱および高速中性子を最小限にしながら熱外エネルギーへの高速中性子のより効率的な低減を可能にする。プレ減速材料の選択は、最適な中性子ビーム品質にとって重要である。一般的に言えば、ビーム品質は、がん部位における熱中性子の生成を伴う放射線の有害成分の最小化だけでなく、皮膚表面における高速および熱中性子の最小化にも関与する。このプロセスにおいて、ガンマ線が作り出され、がん部位に応じて、高速中性子は、それらが身体を貫通し、健康な組織の最小照射を伴って熱中性子を腫瘍部位に送達するように、正しいエネルギーへ変換されなければならない。 Using liquid or granular moderating materials allows more efficient reduction of fast neutrons to extrathermal energy while minimizing heat and fast neutrons. Selection of pre-moderation material is important for optimal neutron beam quality. Generally speaking, beam quality is not only concerned with minimizing the harmful component of radiation with thermal neutron production at the cancer site, but also minimizing fast and thermal neutrons at the skin surface. In this process, gamma rays are produced and, depending on the cancer site, fast neutrons are brought to the correct energy so that they penetrate the body and deliver thermal neutrons to the tumor site with minimal irradiation of healthy tissue. must be converted.

中性子を熱エネルギーへ減速させることは、皮膚が損傷されることを結果としてもたらし得る。実際、皮膚への熱中性子線量は、腫瘍への線量よりも大きい場合がある。中性子が身体を通過する際、身体自体が、中性子を減速させ、吸収する。減速材料の選択は、高速中性子を熱エネルギーへあまりに素早く減速させすぎない材料を必要とする。熱中性子は、皮膚に損傷を与え得、水素原子が減速プロセスに存在する場合、損傷を与えるガンマ線も作り出される。減速材のように、人間の身体もまた、中性子を減速させ、吸収する。所望の必要とされる貫通深さは、身体内の腫瘍の場所に依存する。シミュレーションは、皮膚で始まる熱中性子の貫通が、大部分の中性子が吸収される前に、3から5cmの貫通深さを結果としてもたらすことを示す。 Moderating neutrons to thermal energy can result in skin damage. In fact, the thermal neutron dose to the skin can be greater than the dose to the tumor. As neutrons pass through the body, the body itself slows and absorbs the neutrons. The choice of moderating material requires a material that does not moderate fast neutrons to thermal energy too quickly. Thermal neutrons can damage the skin, and if hydrogen atoms are present in the slowing process, damaging gamma rays are also produced. Like moderators, the human body also slows down and absorbs neutrons. The desired and required penetration depth depends on the location of the tumor within the body. Simulations show that thermal neutron penetration starting in the skin results in penetration depths of 3 to 5 cm before most of the neutrons are absorbed.

臨床機械のためのテフロン減速材
プレ減速材として使用されるとき、テフロン(PTFE)は、上に列挙された7つの機能のうちの6つを満足することができる。実際、属性のうちのいくつかにおいては、テフロンが秀でる。例えば、テフロンは、原子の水素を有さないため、ガンマ線生成が回避されるが、HDPEの使用は、水素を有し、したがって、2.2MeVガンマ線成分が追加されそれらを伴って、熱中性子減速を最大限にする。プレ減速材料としてのHDPEの選択は、Tiターゲットから短い距離において熱中性子の生成を結果としてもたらす一方、テフロンの使用は、身体内へのより深い貫通のための熱外中性子の生成生および2.2MeVガンマ線なしを可能にする、2.5MeVからのより遅い速度の中性子エネルギー低減を結果としてもたらす。
Teflon Moderator for Clinical Machines When used as a pre-moderator, Teflon (PTFE) can fulfill six of the seven functions listed above. In fact, Teflon excels in some of its attributes. For example, Teflon has no atomic hydrogen, thus avoiding gamma ray production, whereas the use of HDPE does have hydrogen, so the 2.2 MeV gamma ray component is added and with them comes thermal neutron moderation. maximize The choice of HDPE as the pre-moderating material results in the production of thermal neutrons at short distances from the Ti target, while the use of Teflon reduces the production of epithermal neutrons for deeper penetration into the body and2. Resulting in a slower rate of neutron energy reduction from 2.5 MeV, allowing no 2 MeV gamma rays.

テフロンは、表面アーク(フラッシュオーバまたは表面放電)が高電圧を一瞬ショートさせる最小限の高電圧を有し得、テフロン表面に対する損傷およびおそらくは高電圧電源に対する損傷を引き起こし得る。これは、主に材料問題であり、構造的な問題(加速器の形状ならびにテフロン形状および構造)ではない。高電圧デバイス内の真空における固体絶縁体に沿った表面放電は、陽極と陰極との間の最大電圧を決定する。真空における固体絶縁体の電圧ホールドオフ能力は、通常、同様の寸法の真空ギャップのものよりも小さい。O.Yamamotoら(Yamamoto,O;Takuma,T;Fukuda,M;Nagata,S;Sonoda,T“Improving withstand voltage by roughening the surface of an insulating spacer used in vacuum,”IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION(2003)、10(4):550-556)は、テフロン、PMMA、およびSiOなどの誘電体の表面絶縁強度を、誘電体の表面を粗くすることによって改善するための単純で信頼性の高い方法について研究した。いくつかの実験結果は、真空において、絶縁スペーサの表面に沿った帯電がフラッシュオーバに先行することを明らかにした。帯電は、電子が、陰極、絶縁体、および真空が出会うトリプルジャンクションから放出され、陽極に向かって伝播し、絶縁体表面に沿って二次電子放出なだれ(SEEA)を引き起こすプロセスを通じて起こる。誘電体(例えば、テフロンまたはHDPE)は、バッテリまたはコンデンサのように電荷を保持し、次いでそれを表面に沿って放出することができる。これは、中性子発生装置の加速チャンバ100の真空チャンバの内側の絶縁体および減速材としてのテフロンおよびHDPEなどのプラスチックの使用を制限する。 Teflon can have a minimum high voltage where a surface arc (flashover or surface discharge) will momentarily short the high voltage, causing damage to the Teflon surface and possibly damage to the high voltage power supply. This is primarily a material issue, not a structural issue (accelerator shape and Teflon shape and structure). Surface discharge along solid insulators in vacuum in high voltage devices determines the maximum voltage between the anode and cathode. The voltage holdoff capability of a solid insulator in vacuum is typically less than that of a similarly sized vacuum gap. O. Yamamotoら(Yamamoto,O;Takuma,T;Fukuda,M;Nagata,S;Sonoda,T“Improving withstand voltage by roughening the surface of an insulating spacer used in vacuum,”IEEE TRANSACTIONS ON DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION(2003)、 10(4):550-556) studied a simple and reliable method to improve the surface dielectric strength of dielectrics such as Teflon, PMMA, and SiO2 by roughening the surface of the dielectric. did. Some experimental results revealed that in vacuum, charging along the surface of the insulating spacer precedes flashover. Charging occurs through a process in which electrons are emitted from the triple junction where the cathode, insulator, and vacuum meet, propagate toward the anode, and cause a secondary electron emission avalanche (SEEA) along the insulator surface. A dielectric (eg, Teflon or HDPE) can hold a charge and then release it along a surface like a battery or capacitor. This limits the use of plastics such as Teflon and HDPE as insulators and moderators inside the vacuum chamber of the acceleration chamber 100 of the neutron generator.

テフロンにわたる短い距離(10mm)について、Yamamotoは、表面を粗くすること(例えば、紙やすりまたはサンドブラスティングにより)が様々なプラスチック(テフロンおよびHDPEなど)の帯電に影響を及ぼし、これは粗さが増大するにつれて減少する、ということを発見した。Yamamotoは、最大37.8μmの粗さを使用したが、より低い電圧勾配およびより小さい誘電体厚さ(10mm)を使用していた。本発明の実施形態における研究は、テフロンのより大きい表面(例えば、距離8インチ)が、5ミクロン以上の粗さ値(roughness value)で粗くされ、フラッシュオーバなしに~2cmより大きい距離について150‐220kVの高電圧を達成し得ることを見出している。 For a short distance (10 mm) across Teflon, Yamamoto notes that roughening the surface (e.g., by sandpaper or sandblasting) affects the charging of various plastics (such as Teflon and HDPE), which is We found that it decreased as it increased. Yamamoto used a maximum roughness of 37.8 μm, but used a lower voltage gradient and a smaller dielectric thickness (10 mm). Studies in embodiments of the present invention show that larger surfaces of Teflon (e.g., 8 inch distances) can be roughened with a roughness value of 5 microns or greater and 150-2 cm for distances greater than ~2 cm without flashover. We have found that voltages as high as 220 kV can be achieved.

より重要なことには、粗くする方法は、以前に使用されていた時間のかかる調整なしにより高い絶縁強度を与える。これは、著しい利点を提供し、本発明の実施形態における発生装置をより素早く動作可能にする。 More importantly, the roughening method provides higher dielectric strength without the time-consuming conditioning previously used. This provides a significant advantage and allows the generator in embodiments of the present invention to be operational more quickly.

必要とされる最大電界強度に応じて、粗くするプロセスによる調整は、数分または数日かかり得る。1MVm-1未満では、調整プロセスは比較的高速である。1から10MVm-1の間では、調整プロセスはより長くかかる。調整がどう進んでいるかをモニタする最良の方法は、時間当たりの過渡的な放電(またはスパーク)の数を記録することである。非常に高い電界では、アークレートは、時間当たり数アークより良くなることがない場合がある。許容アークレートは、用途に依存する。高電圧破壊(アーク)を許容することができない場合、システムは、まず、より高い電界へ調整されなければならず、次いで電圧が動作レベルまで低減されるとき、アークレートはほぼゼロまで降下する。10MVm-1を上回る非常に高い電界強度の場合、ゼロのアークレートを与えるように電極を調整することは非常に困難である。電極形状および材料組成は、これらの電界レベルにおいて非常に重要になる。 Depending on the maximum field strength required, the adjustment by the roughening process can take minutes or days. Below 1 MV m -1 , the tuning process is relatively fast. Between 1 and 10 MVm −1 the tuning process takes longer. The best way to monitor how the conditioning is progressing is to record the number of transient discharges (or sparks) per hour. At very high electric fields the arc rate may not get better than a few arcs per hour. The allowable arc rate is application dependent. If the high voltage breakdown (arcing) cannot be tolerated, the system must first be adjusted to a higher electric field and then when the voltage is reduced to operating levels the arc rate will drop to near zero. For very high electric field strengths above 10 MVm −1 it is very difficult to tune the electrodes to give a zero arc rate. Electrode geometry and material composition become very important at these electric field levels.

減速プロセスにおける人間の身体の重要性
人間の身体は、がん部位において熱外中性子を熱エネルギーへ低減させるための減速材として作用する。人間の身体による中性子エネルギー低減の量は、身体内の腫瘍の深さに少なくとも部分的に依存する。これが、患者への送達のための最大中性子流束を決定する。中性子のエネルギーの所望の低減は、人間の身体内の腫瘍の深さに依存する。例えば、咽頭および頸部がんでは、熱エネルギーへの中性子エネルギーの低減が、がん部位への最大線量のために望ましい。小動物モデルの場合、熱エネルギーも望ましい。
Importance of the human body in the moderation process The human body acts as a moderator to reduce epithermal neutrons to thermal energy at cancer sites. The amount of neutron energy reduction by the human body depends, at least in part, on the depth of the tumor within the body. This determines the maximum neutron flux for delivery to the patient. The desired reduction in neutron energy depends on the depth of the tumor within the human body. For example, in pharyngeal and neck cancers, a reduction of neutron energy to thermal energy is desirable for maximum dose to the cancer site. Thermal energy is also desirable for small animal models.

皮膚(表皮)からがん部位までの身体内の寸法は、様々であり得、依然として主に熱エネルギーにありながら、がんへの貫通のために中性子エネルギーが十分に大きいことを必要とし、ボロンによる捕捉およびがん細胞の破壊を可能にする。小動物モデルまたは人間における皮膚がんの場合、中性子は、熱エネルギーにあり得る。身体内のより深い深さにあるがんの場合、熱外中性子(0.025から0.4eV)が使用され得る。 The dimensions within the body from the skin (epidermis) to the cancer site can vary, requiring neutron energy to be sufficiently great for penetration into the cancer, while still being primarily in thermal energy, and boron to capture and destroy cancer cells. In the case of skin cancer in small animal models or humans, neutrons can be in thermal energy. For cancers at greater depths within the body, epithermal neutrons (0.025 to 0.4 eV) may be used.

例えば膵臓腫瘍など、胴体内の深い腫瘍の場合、熱外中性子が必要とされる。膵臓腫瘍は、胴体内深くにあり、腫瘍まで貫通するためには身体への入り口において熱外中性子を必要とする。熱外中性子の減速は、それらが身体を通過する際に生じる。様々な実施形態におけるシミュレーションは、身体を貫通する熱外中性子を作り出し、それらが最大中性子流束で腫瘍の深さに到達するときまでに熱化する、テフロン、LiF、およびAlFなど、正しい厚さの材料が存在することを示す。本発明の実施形態において、これは、皮膚における熱中性子の生成を最小限にしながら生じる。 For tumors deep within the torso, for example pancreatic tumors, epithermal neutrons are required. Pancreatic tumors lie deep within the torso and require epithermal neutrons at the entrance to the body to penetrate to the tumor. Moderation of epithermal neutrons occurs as they pass through the body. Simulations in various embodiments are correct, such as Teflon, 7 LiF, and AlF 3 , which produce epithermal neutrons that penetrate the body and thermalize by the time they reach the depth of the tumor at maximum neutron flux. Indicates the presence of a thickness of material. In embodiments of the present invention, this occurs while minimizing the production of thermal neutrons in the skin.

人間の身体に一致するための臨床機械の形状
機械内の患者用チャンバの形状は、がん部位への放射線を最大限にするために人間の身体部分に適合するように輪郭形成され得る。形状は、照射されることになる身体部分および腫瘍の場所に依存する。図13Dに示されるように、グリア芽腫148(脳がん)の場合、モジュール式発生装置118は、頭部146の周りの閉じた環内に構成され、これが、脳内のがん部位148への中性子流束を最大限にし得る。各発生装置の強度は、健康な組織への線量を最小限にしながら、腫瘍への最大熱中性子を達成するために様々であり得る。上で論じたように、本発明の実施形態における応用は、がん部位からの各発生装置の距離の制御を可能にする。がん部位は、放射線手段(CTスキャン)および/またはMRIを使用してマッピングされ得る。次いで、治療計画プロトコルが臨床中性子源の最適な使用のために決定され得る。それで、各中性子発生装置から来る中性子の強度は、様々であり得、それぞれ個々の発生装置の場所は、最適化され得る。
Clinical Machine Shape to Match the Human Body The shape of the patient chamber within the machine can be contoured to match the human body part to maximize radiation to the cancer site. The shape depends on the body part to be irradiated and the location of the tumor. As shown in FIG. 13D, in the case of glioblastoma 148 (brain cancer), the modular generator 118 is configured in a closed ring around the head 146, which is the cancer site 148 in the brain. can maximize the neutron flux to The intensity of each generator can be varied to achieve maximum thermal neutron delivery to the tumor while minimizing dose to healthy tissue. As discussed above, application in embodiments of the present invention allows control of the distance of each generator from the cancer site. Cancer sites can be mapped using radiological means (CT scan) and/or MRI. A treatment planning protocol can then be determined for optimal use of the clinical neutron source. So the intensity of the neutrons coming from each neutron generator can vary and the location of each individual generator can be optimized.

図13Dに示されるように、モジュール式発生装置を囲む減速材の改善は、水素(ガンマ線生成源)を含まないがフッ素、炭素、または窒素のような中くらいの原子番号の原子を有する液体156を伴い、モジュール式発生装置を吊るす、または囲むことである。様々な種類のFluorinert(商品名)、FC-70もしくはFC-40、またはFC3839が使用され得る。流体は、モジュール式発生装置の間に置かれ得、機械的手段によって、各モジュール式発生装置は、ある程度まで他の発生装置とは独立して移動することができる。この流体はまた、モジュール式発生装置からいくらかの熱を吸収することができる。 As shown in FIG. 13D, an improved moderator surrounding the modular generator is a liquid 156 that does not contain hydrogen (a gamma ray generator) but has medium atomic number atoms such as fluorine, carbon, or nitrogen. is to hang or enclose a modular generator. Various types of Fluorinert™, FC-70 or FC-40, or FC3839 can be used. A fluid may be placed between the modular generators, and by mechanical means each modular generator may be moved to some degree independently of the other generators. This fluid can also absorb some heat from the modular generator.

図13Dに示されるように、モジュール式発生装置を囲む減速材の改善は、水素(ガンマ線生成源)を含まないがフッ素、炭素、または窒素のような中くらいの原子番号の原子を有する液体156により、モジュール式発生装置を吊るす、または囲むことである。様々な種類のFluorinert(商品名)、FC-70もしくはFC-40、またはFC3839が使用され得る。流体は、モジュール式発生装置の間に置かれ得、機械的手段によって、各モジュール式発生装置は、ある程度まで他の発生装置とは独立して移動することができる。この流体はまた、モジュール式発生装置からいくらかの熱を吸収することができる。 As shown in FIG. 13D, an improved moderator surrounding the modular generator is a liquid 156 that does not contain hydrogen (a gamma ray generator) but has medium atomic number atoms such as fluorine, carbon, or nitrogen. is to hang or enclose a modular generator. Various types of Fluorinert™, FC-70 or FC-40, or FC3839 can be used. A fluid may be placed between the modular generators, and by mechanical means each modular generator may be moved to some degree independently of the other generators. This fluid can also absorb some heat from the modular generator.

発生装置整列
本発明の実施形態において、図13Dに見られるように、各スタンドアローン発生装置は、例えば、がん部位において最大流束および中性子分布を与えるように位置付けられ、整列され得る。各発生装置は、がんの場所および分布に応じて、がん部位における最適な中性子流束が達成されるように、発生装置が機械的に移動され、位置付けられ得るのに十分にサイズおよび重量が小さい。発生装置は、半径厚さが最大熱中性子流束をがん部位に送達するように最適化される減速材の周りに構成され得る。照射されている身体部分に応じて、幾何形状は、円形または楕円形であり得る。減速材料および半径厚さを選択することにより、熱中性子をがん部位に送達することができる。
Generator Alignment In embodiments of the invention, as seen in FIG. 13D, each stand-alone generator can be positioned and aligned to give maximum flux and neutron distribution at the cancer site, for example. Each generator is of sufficient size and weight that it can be mechanically moved and positioned such that optimal neutron flux at the cancer site is achieved, depending on the location and distribution of the cancer. is small. The generator may be constructed around a moderator whose radial thickness is optimized to deliver maximum thermal neutron flux to the cancer site. Depending on the body part being irradiated, the geometry can be circular or elliptical. By selecting the moderating material and radial thickness, thermal neutrons can be delivered to the cancer site.

図14Aは、人間の頭部のBNCTのために多数のモジュール式発生装置118を使用する例示的な臨床中性子源の軸上図を示す。この例は、8つのモジュール式発生装置118、および反射および遮蔽材料(例えば、グラファイト144)と結合された色々な減速材料を使用する。二次減速材(166および170)は、1つ多数以上の材料からなり得る。1つの実施形態においては、二次減速材と同じ材料、高密度ポリエチレン(HDPE)、超高分子量ポリエチレン(UHMW)、または(PTFE(テフロン))からなる減速材スペーシングブロック128が存在する。これらの材料のブロックは、モジュール式発生装置の間に適合し、各発生装置のプレ減速材に隣接する。それらは、機械的スペーサならびに減速材構成要素として作用する。モジュール式発生装置118の間および後ろの、この領域の外側は、中性子反射体およびシールドとしての役割を果たすために、グラファイトまたは鉛144のいずれかを充填される。 FIG. 14A shows an on-axis view of an exemplary clinical neutron source using multiple modular generators 118 for BNCT of the human head. This example uses eight modular generators 118 and various moderating materials combined with reflective and shielding materials (eg, graphite 144). Secondary moderators (166 and 170) may consist of one or more materials. In one embodiment, there is a moderator spacing block 128 made of the same material as the secondary moderator, high density polyethylene (HDPE), ultra high molecular weight polyethylene (UHMW), or (PTFE (Teflon)). These blocks of material fit between the modular generators and adjoin the pre-moderator of each generator. They act as mechanical spacers as well as moderator components. The outside of this area, between and behind the modular generators 118, is filled with either graphite or lead 144 to act as a neutron reflector and shield.

図14Bはまた、上部および下部の発生装置を通る線に沿って取られた図14Aの装置の測断面図を示す。追加の減速材料が、プレ減速材の少し上に延在して、モジュール式発生装置の前後に存在する。本発明の例では、患者の頭部のために利用可能な円筒状の空間164は、深さ52cmおよび直径30cmである。この空間には、患者の皮膚への大きすぎる熱中性子線量を遮断するために1‐mmのカドミニウム162が敷かれ得る。シールド162も図14Aに示される。他の実施形態において、この空間には、LiFが敷かれ得る。 Figure 14B also shows a cross-sectional view of the device of Figure 14A taken along a line through the upper and lower generators. Additional moderator material extends slightly above the premoderator and exists before and after the modular generator. In the present example, the cylindrical space 164 available for the patient's head is 52 cm deep and 30 cm in diameter. This space may be lined with 1-mm cadmium 162 to block too large a thermal neutron dose to the patient's skin. A shield 162 is also shown in FIG. 14A. In other embodiments, this space may be lined with 6 LiF.

図14Aおよび図14Bに例証されるような例示的な構成は、40%Alおよび60%AlF(166)の多数の層、ならびにLiFまたはDOのいずれかの追加の減速シリンダ170からなる二次減速材を有する。これらの材料は、図14A内では同心円状の環となるように示される。LiFまたはDOは高価であり得るため、厚さは、LIFまたはDOのいずれかを過剰に使用することなく所望の中性子ビーム品質を得るために変えられた。図14Aおよび図14Bに示される例では、2つの区域間の厚さ比は変更され、合計減速材厚さは34cmであり、源は原点(脳の中心)からR=52.5cmである。このようにこれらの材料を変えることを行う効果は、図15においてグラフにプロットされる。 An exemplary configuration, as illustrated in FIGS. 14A and 14B, consists of multiple layers of 40% Al and 60% AlF 3 (166) and an additional deceleration cylinder 170 of either 7 LiF or D 2 O. has a secondary moderator of These materials are shown as concentric rings in FIG. 14A. Since 7LiF or D2O can be expensive, the thickness was varied to obtain the desired neutron beam quality without overusing either 7LIF or D2O . In the example shown in FIGS. 14A and 14B, the thickness ratio between the two regions is changed, the total moderator thickness is 34 cm, and the source is R=52.5 cm from the origin (center of the brain). The effect of changing these materials in this way is plotted graphically in FIG.

反射体材料グラファイト144は、この例では30cm厚であり、2.5MeV源の前のテフロン168の厚さtは、変えられ得、減速材の部分170は、LiFまたはDOのいずれかである。tが変わると、減速材のAl/AlF166の厚さが変わり、他のすべての寸法は一定のままである。ターゲットは、テフロン168、UHMW、またはHDPEに埋め込まれる。源は、直径5.0cmの重水素イオンビームによって衝撃を与えられているチタンターゲット106である。各ターゲットは、4×1010中性子/秒を放射している。8つのモジュール式発生装置118は、3.2×1011n/sの総放射量を放射する。 The reflector material graphite 144 is 30 cm thick in this example, the thickness t of the Teflon 168 in front of the 2.5 MeV source can be varied, and the moderator portion 170 can be either 7 LiF or D 2 O. is. As t varies, the thickness of the moderator Al/AlF 3 166 varies, while all other dimensions remain constant. Targets are embedded in Teflon 168, UHMW, or HDPE. The source is a titanium target 106 bombarded by a 5.0 cm diameter deuterium ion beam. Each target emits 4×10 10 neutrons/sec. Eight modular generators 118 emit a total radiation dose of 3.2×10 11 n/s.

腫瘍および健康な組織(例えば、皮膚)における10Bの集中化があり得ることが分かっている。10B腫瘍濃度は、50ppmであると仮定される一方、健康な組織における10Bは、15ppmである。腫瘍における10Bについての相対的生物学的効果比(RBE)は、2.7であり、健康な組織では1.3である。腫瘍および健康な組織の線量は、中性子RBEのためのNRCおよびICRPモデルを使用して計算される。材料LiFが、最良の成能を出し、DOが2番目に最良であった。 It has been found that there may be concentrations of 10 B in tumors and healthy tissues (eg skin). 10 B tumor concentration is assumed to be 50 ppm, while 10 B in healthy tissue is 15 ppm. The relative biological effectiveness ratio (RBE) for 10 B in tumors is 2.7 and 1.3 in healthy tissues. Tumor and healthy tissue doses are calculated using the NRC and ICRP models for neutron RBE. Material 7 LiF gave the best performance and D 2 O was the second best.

これらの例における重要な主な目的は、がんに対して十分な線量の中性子を与えると同時に、健康な組織への線量を最小限にしてそれに損傷を与えないことである。図15は、tについて単位cmで異なる値を有する減速材、および二次減速材におけるLiFまたはDOのいずれかについての性能を示す。縦座標Rは、健康な組織皮膚線量に対する原点における腫瘍線量の比であり、がんの部位であると仮定した、脳の中心における腫瘍線量である。図15を見て分かるように、LiFは、DOより性能が優れている。最良の性能は、R=1.9、および1.4Sv/hrを超過した腫瘍線量である。RBEの結果は、少ない割合の高速中性子が、Rについて高値を得るために必須であること;また、妥当な数の熱外中性子が、ターゲットを貫通するために必要とされることである。したがって、LiFおよびDOの組み合わせは、いずれかの材料単独の場合よりも性能が優れている。 An important primary objective in these examples is to provide a sufficient dose of neutrons to the cancer while minimizing the dose to and not damaging healthy tissue. FIG. 15 shows the performance for moderators with different values of t in cm and either 7 LiF or D 2 O in the secondary moderator. The ordinate R is the ratio of the tumor dose at the origin to the healthy tissue skin dose, which is the tumor dose at the center of the brain, assuming that it is the site of cancer. As can be seen from Figure 15, 7LiF outperforms D2O . Best performance is with R=1.9 and tumor dose above 1.4 Sv/hr. The result of RBE is that a small fraction of fast neutrons is essential to obtain high values for R; and that a reasonable number of epithermal neutrons are required to penetrate the target. Therefore, the combination of 7 LiF and D 2 O outperforms either material alone.

小動物中性子源の必要性
BNCTのためのボロン送達剤の開発は進行中であり、高優先度の難しいタスクである。いくつかのボロン-10含有送達剤が、BNCTにおける潜在的な使用のために調製されている。新規の化学合成技術の開発、ならびに効果的な薬物に必要とされる生化学的要件およびそれらの送達方法についての増大した知識により、多種多様の新規ボロン剤が出現しているが、それらの中でも2つのみ、オロノフェニルアラニン(BPA)およびボロカプテイトナトリウム(BSH)が、臨床的に使用されており、US FDA認証を有する。患者由来の異種移植片(patient-derived xenograft)(PDX)は、原発性腫瘍を患者からマウスまたは小動物モデルに移植することによって作成される。次いで、がん部位への薬剤の送達および有効性の試験が実施され得る。先行技術では、原子炉および線形加速器構造体からのビーム線のみが使用され得る。したがって、本発明の実施形態にあるような小さい研究室用中性子源は、新規ボロン送達薬剤およびがん部位を破壊することにおけるそれらの有効性の開発および試験において有益である。
The need for a small animal neutron source Development of boron delivery agents for BNCT is an ongoing and difficult task of high priority. Several boron-10-containing delivery agents have been prepared for potential use in BNCT. With the development of new chemical synthetic techniques and increased knowledge of the biochemical requirements required for effective drugs and their methods of delivery, a wide variety of novel boron agents have emerged, among them Only two, oronophenylalanine (BPA) and borocaptate sodium (BSH), are in clinical use and have US FDA approval. Patient-derived xenografts (PDX) are created by transplanting primary tumors from patients into mouse or small animal models. Testing of drug delivery and efficacy to cancer sites can then be performed. In the prior art, only beams from nuclear reactors and linear accelerator structures can be used. Small laboratory neutron sources, such as those in embodiments of the present invention, are therefore beneficial in the development and testing of novel boron delivery agents and their efficacy in destroying cancer sites.

臨床送達システムと比較して、発生装置118などのより少ない数のスタンドアローン発生装置が、マウスなどの小動物のための送達システムのために必要とされる。使用されるモジュール式発生装置は、α=0のスラブ側壁角を有する(図12Aで規定されるαを参照)。二次減速材は、重水(DO)の別個の容器であり得る。 Fewer stand-alone generators, such as generator 118, are required for delivery systems for small animals, such as mice, as compared to clinical delivery systems. The modular generator used has a slab sidewall angle of α=0 (see α defined in FIG. 12A). The secondary moderator can be a separate container of heavy water ( D2O).

小動物ターゲットは実際に小さいため、二次減速材容積は低減され得、小型モジュール式発生装置がその近くへ移動され得、モジュール式発生装置が動物ターゲットのより近くにあることを可能にする。したがって、がん部位における中性子流束は増大され、減速材料およびサイズの適切な選択により、依然として中性子をIAEA基準へ減速させることができる。加えて、より近くに移動させることにより、がん部位において高い熱中性子流束を依然として維持しながら、発生装置の数は低減され得る。 Because the small animal target is actually small, the secondary moderator volume can be reduced and the small modular generator can be moved closer to it, allowing the modular generator to be closer to the animal target. Therefore, the neutron flux at the cancer site is increased, and with proper selection of moderating materials and sizes, neutrons can still be moderated to IAEA standards. Additionally, by moving closer, the number of generators can be reduced while still maintaining a high thermal neutron flux at the cancer site.

小動物源のための新規技術の本発明の例では、がん部位において十分な熱中性子を放射するために4つのモジュール式発生装置118を使用することができる。我々は、α=0のスラブ側壁角を有する12A、B、Cのモジュール式発生装置を使用することができる。これは、プレ減速材108を長方形直方体(または「長方形スラブ」)にする。図16Aは、そのような長方形プレ減速材108を有するモジュール式発生装置の斜視図であり、図16Bに示されるような、長方形アレイにおける4つの発生装置の構成に好適である。図16Bでは、4つのモジュール式発生装置は、二次減速材112の周りに配置され、二次減速材112は、1つの実施形態において、重水または粒状の減速材料の容器であり得る。図16Cは、図16Bの切断線4 16C-16Cに沿って取られた、図16Bの構成の断面図である。モジュール式発生装置のために以前に注釈された要素が、図16A、図16B、および図16Cにおいて再使用される。 In the present example of the new technology for small animal sources, four modular generators 118 can be used to emit sufficient thermal neutrons at the cancer site. We can use a 12A, B, C modular generator with a slab sidewall angle of α=0. This makes the premoderator 108 a rectangular cuboid (or "rectangular slab"). FIG. 16A is a perspective view of a modular generator with such a rectangular premoderator 108, suitable for the configuration of four generators in a rectangular array, as shown in FIG. 16B. In FIG. 16B, four modular generators are arranged around a secondary moderator 112, which in one embodiment can be a container of heavy water or granular moderator material. Figure 16C is a cross-sectional view of the configuration of Figure 16B taken along section line 416C-16C of Figure 16B. Elements previously annotated for the modular generator are reused in Figures 16A, 16B, and 16C.

図16Dは、4つの発生装置118が小さい重水減速材112から戻されている分解組立図である。各発生装置118は、チタンターゲット106を伴う高速中性子発生装置を伴うプレ減速材108を有する。重水素イオンビームは、プラズマイオン源102によって発生され、加速チャンバ100内でチタンターゲット106へ加速され、ここでDD融合反応が生じて高速2.5MeV中性子を放出する。この説明は、本明細書内の説明または他の実施形態にすべて共通である。発生された中性子は、プレ減速材108を通過し、ここでそれらは、熱中性子エネルギーへと部分的に減速される。次いでそれらは、減速材ブロック112へと移り、ここでそれらは、さらに減速され、高速中性子のエネルギーを熱中性子エネルギーへと低減する。次いで、熱中性子は、円筒状のマウスチャンバ114に入り、ここでそれらは、小動物116に入る。 FIG. 16D is an exploded view of four generators 118 returning from a small heavy water moderator 112. FIG. Each generator 118 has a premoderator 108 with a fast neutron generator with a titanium target 106 . A deuterium ion beam is generated by a plasma ion source 102 and accelerated in an acceleration chamber 100 to a titanium target 106 where a DD fusion reaction occurs and emits fast 2.5 MeV neutrons. This description is common to all descriptions or other embodiments within this specification. The generated neutrons pass through a premoderator 108 where they are partially moderated to thermal neutron energy. They then pass to moderator block 112 where they are further moderated, reducing the energy of fast neutrons to thermal neutron energy. Thermal neutrons then enter cylindrical mouth chamber 114 where they enter small animal 116 .

プレ減速材は、HDPEまたはUHMWプラスチックにおける水素との衝突を介して高速中性子を散乱させることによって、高速中性子を熱中性子へと低速化するように設計される。2.5MeV中性子が横断しなければならない距離は、およそ3から5cmであり、中性子のおよそ50%が、熱中性子として分類されようにそれらのエネルギーを十分に失う。熱および高速中性子成分の両方を含むこれらの中性子は、次いで、減速材ボックス112内へと進み、ここでそれらは、重水素原子との衝突によりさらに減速される。大まかに言うと、水素原子を伴うHDPEは、短い距離上で中性子を熱エネルギーへと減速させ;熱化された中性子は、次いで、円筒状のチャンバ114を貫通し、それらは小動物116を置く。小動物モデルは、がん部位へのボロンの送達を試験するために使用される。 The premoderator is designed to slow down fast neutrons to thermal neutrons by scattering the fast neutrons via collisions with hydrogen in HDPE or UHMW plastics. The distance that a 2.5 MeV neutron must traverse is approximately 3 to 5 cm, and approximately 50% of the neutrons lose enough of their energy to be classified as thermal neutrons. These neutrons, containing both thermal and fast neutron components, then travel into moderator box 112 where they are further moderated by collisions with deuterium atoms. Broadly speaking, HDPE with hydrogen atoms slows down neutrons to thermal energy over short distances; Small animal models are used to test the delivery of boron to cancer sites.

プレ減速材の場合、高密度ポリエチレン(HDPE)が、最大流束の熱中性子を作り出すのに最適である。臨床発生装置の場合のように、がん部位において最大熱流束を作り出すことが望ましい。マウスは、小さい物体であり、がん部位への熱中性子の貫通は、容易に達成され得る。熱エネルギーへの高速中性子の減速は、健康な細胞にとって有害であるガンマ放射線の最小限の生成を伴って望まれる。当業者が理解するように、水素原子は、高速中性子の散乱において優れており、減速材料における最も短い経路長内での熱エネルギーへの中性子の減速を結果としてもたらす。実際、5‐6cmの高密度ポリエチレン(HDPE)またはUHMWプラスチックの使用は、2.5MeV中性子の約50%の熱エネルギーへの減速を結果としてもたらす。HDPE内のより長い距離による中性子のさらなる減速は、より多くの高速中性子が熱エネルギーに変換されることを結果としてもたらす。しかしながら、これは、中性子が4π立体角で放射されているため、利用可能である総流束(n/cm)の低減を結果としてもたらす。中性子の水素捕捉は、高エネルギーガンマ放射線を作り出し、これは、健康な細胞およびがん細胞の両方にとって破壊的である。中性子をさらに熱化するために別の減速材を追加することは、重水(DO)の使用により達成される。 For the premoderator, high density polyethylene (HDPE) is best suited to produce maximum flux of thermal neutrons. As in the clinical generator, it is desirable to create maximum heat flux at the cancer site. Mice are small objects and thermal neutron penetration into cancer sites can be easily achieved. Moderation of fast neutrons to thermal energy is desired with minimal production of gamma radiation that is harmful to healthy cells. As those skilled in the art will appreciate, hydrogen atoms are excellent at scattering fast neutrons, resulting in moderation of the neutrons to thermal energies within the shortest path length in the moderating material. In fact, the use of 5-6 cm high density polyethylene (HDPE) or UHMW plastic results in moderation of 2.5 MeV neutrons to about 50% thermal energy. Further moderation of neutrons due to longer distances in HDPE results in more fast neutrons being converted to thermal energy. However, this results in a reduction of the total available flux (n/cm 2 ) since the neutrons are emitted at a 4π solid angle. Hydrogen capture of neutrons produces high-energy gamma radiation, which is destructive to both healthy and cancer cells. Adding another moderator to further thermalize the neutrons is accomplished through the use of heavy water ( D2O).

当業者は、本出願に説明される実施形態が例示であり、制限ではないことを理解するものとする。多くの変形が、以下の特許請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内に十分に入り得る。 Those skilled in the art should understand that the embodiments described in this application are illustrative and not limiting. Many variations may well fall within the scope of the invention, which is limited only by the following claims.

Claims (24)

中性子発生装置であって、
上面、下面、第1および第2の端、第1および第2の側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、
上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、
加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、
加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、
プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、
プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、
加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、
加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、
加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、
プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングと
を備え、
イオン引き出しアイリスを通じて引き出されるイオンが、一次分離ウェルの下端部においてチタンターゲットに衝撃を与えるように加速されて、プレ減速材ブロックを通過しプレ減速材ブロックにより減速されるエネルギーのある中性子を作り出し、チタンターゲットから電気的に接地された要素までの表面に沿った任意の経路が、一次および二次分離ウェルによって必然的に最大限にされる、中性子発生装置。
A neutron generator,
A moderator material having a top surface, a bottom surface, first and second ends, first and second sides, a first length, a first width substantially less than the first length, and a first thickness. a pre-moderator block of
The first diameter is substantially the first end of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the first end of the pre-moderator block, with the vertical axis perpendicular to the top surface. a cylindrical acceleration chamber having a width of 1, the acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block;
a vacuum pump engaging the acceleration chamber to bring the acceleration chamber to a moderately high vacuum;
a plasma ion chamber that opens into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on the vertical axis of the acceleration chamber;
a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber;
a microwave energy source for ionizing gas in the plasma ion chamber;
a cylindrical primary separation well centered on the vertical axis of the acceleration chamber and extending a substantial distance from the top surface into the pre-moderator block;
a secondary separation well substantially in the shape of a hollow cylinder surrounding the primary separation well within the first diameter of the acceleration chamber to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well;
A water-cooled titanium target disk having a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber, the target disk having a diameter substantially smaller than the diameter of the separation well, positioned at the lower end of the separation well and substantially a water-cooled titanium target disk biased to a positive negative DC voltage;
an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the premoderator block;
ions extracted through the ion extraction iris are accelerated to bombard a titanium target at the lower end of the primary separation well to produce energetic neutrons that pass through and are moderated by the pre-moderator block; A neutron generator in which any path along the surface from the titanium target to the electrically grounded element is necessarily maximized by primary and secondary separation wells.
プレ減速材ブロックの材料が、超高分子量ポリエチレン(UHMWPEまたはUHMW)、または高密度ポリエチレン(HDPE)、またはポリテトラフルオロエテン(PTFE)である、請求項1に記載の中性子発生装置。 2. A neutron generator as claimed in claim 1, wherein the material of the premoderator block is ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE or UHMW), or high density polyethylene (HDPE), or polytetrafluoroethene (PTFE). 一次および二次分離ウェルの表面が、連続曲線で形成され、高電圧フラッシュオーバに対する耐性を強化するために粗くされる、請求項2に記載の中性子発生装置。 3. The neutron generator of claim 2, wherein the surfaces of the primary and secondary separation wells are formed with continuous curves and are roughened to enhance resistance to high voltage flashover. ターゲットを冷却する冷却水を提供する、プレ減速材ブロックの第2の端からチタンターゲットまでプレ減速材ブロックを縦に通る送水および戻り水チャネルをさらに備える、請求項1に記載の中性子発生装置。 3. The neutron generator of claim 1, further comprising water feed and return water channels extending longitudinally through the pre-moderator block from the second end of the pre-moderator block to the titanium target for providing cooling water for cooling the target. ターゲットを実質的な負のDC電圧にバイアスするために、プレ減速材ブロックを縦に通ってターゲットまで実現された高電圧バスバーに結合される、プレ減速材ブロックの第2の端における高電圧オスコネクタのためのメスソケットをさらに備える、請求項1に記載の中性子発生装置。 A high voltage male at the second end of the pre-moderator block coupled to a high voltage busbar realized longitudinally through the pre-moderator block to the target to bias the target to a substantially negative DC voltage. 3. The neutron generator of Claim 1, further comprising a female socket for the connector. プレ減速材ブロックの第1および第2の側面の両方が、高さの少なくとも一部分について垂直から30度だけ内向きに角度付けされて、6つの中性子発生装置が、角度付けされた側面が完全に隣接して置かれることを可能にし、中心点の周りに閉じた環を形成する、請求項1に記載の中性子発生装置。 Both the first and second sides of the pre-moderator block are angled inwardly by 30 degrees from the vertical for at least a portion of the height such that the six neutron generators are fully aligned with the angled sides. 2. A neutron generator as claimed in claim 1, capable of being placed side by side and forming a closed ring around a central point. プレ減速材ブロックの第1および第2の側面の両方が、高さの少なくとも一部分について垂直から22.5度だけ内向きに角度付けされて、8つの中性子発生装置が、角度付けされた側面が完全に隣接して置かれることを可能にし、中心点の周りに閉じた環を形成する、請求項1に記載の中性子発生装置。 Both the first and second sides of the pre-moderator block are angled inwardly by 22.5 degrees from vertical for at least a portion of their height, and the eight neutron generators are arranged so that the angled sides are 2. A neutron generator as claimed in claim 1, allowing them to be placed completely adjacent and forming a closed ring around a central point. ボロン中性子がん治療システムであって、
被験者のための中央治療チャンバを有する二次減速材と、
6つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、
6つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、高さの少なくとも一部分に沿って30度だけ内向きに角度付けされた対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備え、
6つの中性子発生装置が、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、中性子発生装置の角度付けされた側面が完全に隣接して、二次減速材の周りに位置付けられる、ボロン中性子がん治療システム。
A boron neutron cancer therapy system, comprising:
a secondary moderator having a central treatment chamber for the subject;
six substantially identical neutron generators;
Each of six substantially identical neutron generators has a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposite sides angled inwardly by 30 degrees along at least a portion of its height, a first a pre-moderator block of moderator material having a length, a first width substantially less than the first length, and a first thickness; a cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the end of the acceleration chamber, the acceleration chamber has a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block, and engages the acceleration chamber at right angles to the vertical axis to bring the acceleration chamber to a moderately high vacuum. a plasma ion chamber opening into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the acceleration chamber; a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber; a microwave energy source for ionizing gases in the ion chamber; a cylindrical primary separation well centered on the vertical axis of the acceleration chamber and extending a substantial distance from the top surface into the premoderator block; having a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well, within a diameter of 1, to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well, and a target plane perpendicular to the axis of the acceleration chamber. A water-cooled titanium target disk, wherein the target disk has a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, is positioned at the lower end of the isolation well, and is biased to a substantially negative DC voltage. a titanium target disk and an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the premoderator block;
Six neutron generators are positioned around the secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber and the angled sides of the neutron generators being fully adjacent to each other. cancer treatment system.
減速材料の6つの略長方形のスペーシングブロックをさらに備え、1つのスペーシングブロックが、スペーシングブロックの側面が中性子発生装置の角度付けされた側面と完全に隣接して、各隣接する中性子発生装置の間に置かれる、請求項8に記載のシステム。 further comprising six generally rectangular spacing blocks of moderating material, one spacing block on each adjacent neutron generator with the side of the spacing block fully adjacent the angled side of the neutron generator; 9. The system of claim 8, placed between. 二次減速材が、中性子発生装置と中央治療チャンバとの間の全容積を充填するように成形される、請求項8に記載のシステム。 9. The system of claim 8, wherein the secondary moderator is shaped to fill the entire volume between the neutron generator and the central treatment chamber. 二次減速材が、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである、請求項8に記載のシステム。 9. The system of claim 8, wherein the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. 二次減速材が、重水を充填された容器である、請求項9に記載のシステム。 10. The system of claim 9, wherein the secondary moderator is a container filled with heavy water. 二次減速材が、粒状の減速材料を充填された容器である、請求項9に記載のシステム。 10. The system of claim 9, wherein the secondary moderator is a container filled with granular moderator material. ボロン中性子がん治療システムであって、
被験者のための中央治療チャンバを有する二次減速材と、
8つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、
8つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、高さの少なくとも一部分に沿って22.5度だけ内向きに角度付けされた対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備え、
8つの中性子発生装置が、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、中性子発生装置の角度付けされた側面が完全に隣接して、二次減速材の周りに位置付けられる、ボロン中性子がん治療システム。
A boron neutron cancer therapy system, comprising:
a secondary moderator having a central treatment chamber for the subject;
eight substantially identical neutron generators;
Each of eight substantially identical neutron generators has a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposite sides angled inwardly by 22.5 degrees along at least a portion of its height, a first a pre-moderator block of moderator material having a length of one, a first width substantially less than the first length, and a first thickness; A cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially the first width of the pre-moderator block, sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the first end, the acceleration chamber comprising: The acceleration chamber is a cylindrical acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the premoderator block, and engaging the acceleration chamber at right angles to the vertical axis and pulling the acceleration chamber to a moderately high vacuum. a vacuum pump to bring about a state; a plasma ion chamber that opens into the acceleration chamber through an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on a vertical axis of the acceleration chamber; and a gas source that provides deuterium gas to the plasma ion chamber. a microwave energy source for ionizing gases in the plasma ion chamber; a cylindrical primary separation well centered on the vertical axis of the acceleration chamber and extending a substantial distance from the top surface into the premoderator block; a secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well, to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well, and a target plane perpendicular to the axis of the acceleration chamber, within a first diameter of wherein the target disk has a diameter substantially smaller than the diameter of the isolation well, is positioned at the lower end of the isolation well and is biased to a substantially negative DC voltage , a water-cooled titanium target disk and an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the premoderator block;
Eight neutron generators are positioned around the secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber and the angled sides of the neutron generators being fully adjacent to each other. cancer treatment system.
減速材料の8つの略長方形のスペーシングブロックをさらに備え、1つのスペーシングブロックが、スペーシングブロックの側面が中性子発生装置の角度付けされた側面と完全に隣接して、各隣接する中性子発生装置の間に置かれる、請求項14に記載のシステム。 Further comprising eight generally rectangular spacing blocks of moderating material, one spacing block for each adjacent neutron generator with the side of the spacing block fully adjacent the angled side of the neutron generator. 15. The system of claim 14, placed between. 二次減速材が、中性子発生装置と中央治療チャンバとの間の全容積を充填するように成形される、請求項14に記載のシステム。 15. The system of claim 14, wherein the secondary moderator is shaped to fill the entire volume between the neutron generator and the central treatment chamber. 二次減速材が、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである、請求項14に記載のシステム。 15. The system of claim 14, wherein the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. 二次減速材が、重水を充填された容器である、請求項14に記載のシステム。 15. The system of claim 14, wherein the secondary moderator is a container filled with heavy water. 二次減速材が、粒状の減速材料を充填された容器である、請求項14に記載のシステム。 15. The system of claim 14, wherein the secondary moderator is a container filled with granular moderator material. ボロン中性子がん療法(BNCT)のためのボロン源を評価するための治療システムであって、
被験者のための中央治療チャンバを有する略正方形の二次減速材と、
4つの実質的に同一の中性子発生装置とを備え、
4つの実質的に同一の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、対向する平行な側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、垂直軸に直角に加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備え、
4つの中性子発生装置が、各加速チャンバの軸が治療チャンバの中央を通過し、略正方形の二次減速材の周りに位置付けられる、治療システム。
A therapeutic system for evaluating a boron source for boron neutron cancer therapy (BNCT), comprising:
a substantially square secondary moderator having a central treatment chamber for the subject;
four substantially identical neutron generators;
each of four substantially identical neutron generators having a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposing parallel sides, a first length and a first width substantially less than the first length , and a pre-moderator block of moderator material having a first thickness and at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the first end of the pre-moderator block, with a vertical axis perpendicular to the top surface A sealed cylindrical acceleration chamber having a first diameter substantially a first width of the pre-moderator block, the acceleration chamber having a height and a width at a second end remote from the pre-moderator block. A cylindrical acceleration chamber having a top cover, a vacuum pump engaging the acceleration chamber perpendicular to the vertical axis to bring the acceleration chamber to a medium high vacuum, and a top of the acceleration chamber on the vertical axis of the acceleration chamber. A plasma ion chamber opening into an acceleration chamber through an ion extraction iris through a cover, a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber, a microwave energy source ionizing the gas in the plasma ion chamber, and an acceleration chamber. a cylindrical primary separation well extending a substantial distance into the pre-moderator block from the top surface centered on the vertical axis of and within a first diameter of the acceleration chamber somewhat less than the substantial distance of the primary separation well A secondary separation well in the shape of a substantially hollow cylinder surrounding the primary separation well to depth, and a water-cooled titanium target disk having a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber, the target disk extending into the separation well. A water-cooled titanium target disk having a diameter substantially smaller than the diameter, positioned at the lower end of the isolation well and biased to a substantially negative DC voltage, and all exposed surfaces of the pre-moderator block. an electrically grounded metal cladding covering;
A treatment system wherein four neutron generators are positioned around a substantially square secondary moderator with the axis of each acceleration chamber passing through the center of the treatment chamber.
二次減速材が、固体減速材料の1つのブロックまたは複数のブロックである、請求項20に記載のシステム。 21. The system of claim 20, wherein the secondary moderator is a block or blocks of solid moderator material. 二次減速材が、重水を充填された容器である、請求項20に記載のシステム。 21. The system of claim 20, wherein the secondary moderator is a container filled with heavy water. 二次減速材が、粒状の減速材料を充填された容器である、請求項20に記載のシステム。 21. The system of claim 20, wherein the secondary moderator is a container filled with granular moderator material. ボロン中性子がん治療システムであって、
中央治療チャンバを除いて液体または粒状の減速材料を充填され、平行な上面および下面を有する減速材チャンバと、
複数の中性子発生装置と、
中性子発生装置のための機械的な調節可能キャリアとを備え、
複数の中性子発生装置各々が、上面、下面、第1および第2の端、対向する側面、第1の長さ、第1の長さより実質的に小さい第1の幅、ならびに第1の厚さを有する減速材料のプレ減速材ブロックと、上面に垂直の垂直軸を伴う、プレ減速材ブロックの第1の端に隣接するプレ減速材ブロックの上面まで一方の端において密閉される、第1の直径を実質的にプレ減速材ブロックの第1の幅とする円筒状の加速チャンバであって、加速チャンバが、プレ減速材ブロックから離れる第2の端において高さおよびトップカバーを有する、円筒状の加速チャンバと、加速チャンバに係合し、加速チャンバを中程度に高い真空状態にする真空ポンプと、加速チャンバの垂直軸上で加速チャンバのトップカバーを通るイオン引き出しアイリスを通って加速チャンバ内へ開くプラズマイオンチャンバと、プラズマイオンチャンバに重水素ガスを提供するガス源と、プラズマイオンチャンバ内のガスをイオン化するマイクロ波エネルギー源と、加速チャンバの垂直軸を中心とする、上面からプレ減速材ブロック内へ実質的距離を延伸する円筒状の一次分離ウェルと、加速チャンバの第1の直径内で、一次分離ウェルの実質的距離よりいくらか小さい深さまで、一次分離ウェルを囲む実質的に中空円筒の形状にある二次分離ウェルと、加速チャンバの軸に直交するターゲット面を有する水冷式チタンターゲットディスクであって、ターゲットディスクが、分離ウェルの直径よりも実質的に小さい直径を有し、分離ウェルの下端部に位置付けられ、実質的な負のDC電圧にバイアスされる、水冷式チタンターゲットディスクと、プレ減速材ブロックのすべての露出面を被覆する電気的に接地された金属クラッディングとを備え、
中性子発生装置のための機械的な調節可能キャリアは、各キャリアが、1つの中性子発生装置を支持し、中性子発生装置を中央治療チャンバの方へ、および中央治療チャンバから離れる方へ並進させること、ならびに中性子発生装置を、減速材チャンバの平行な上面および下面の平面に平行な平面において回転させることを可能にされ、
モジュール式発生装置および機械的な調節可能キャリアが、減速材チャンバの液体または粒状の減速材料に完全に浸漬される、ボロン中性子がん治療システム。
A boron neutron cancer therapy system, comprising:
a moderator chamber filled with a liquid or particulate moderator material except for a central treatment chamber and having parallel upper and lower surfaces;
a plurality of neutron generators;
a mechanically adjustable carrier for the neutron generator;
Each of the plurality of neutron generators has a top surface, a bottom surface, first and second ends, opposing sides, a first length, a first width substantially less than the first length, and a first thickness. and a first pre-moderator block sealed at one end to the top surface of the pre-moderator block adjacent the first end of the pre-moderator block with a vertical axis perpendicular to the top surface A cylindrical acceleration chamber having a diameter substantially the first width of the pre-moderator block, the acceleration chamber having a height and a top cover at a second end remote from the pre-moderator block. a vacuum pump that engages the acceleration chamber and places it in a medium high vacuum, and an ion extraction iris through the top cover of the acceleration chamber on the vertical axis of the acceleration chamber and into the acceleration chamber. a plasma ion chamber opening into, a gas source providing deuterium gas to the plasma ion chamber, a microwave energy source ionizing the gas in the plasma ion chamber, and a pre-deceleration from the top surface about the vertical axis of the acceleration chamber. A cylindrical primary separation well extending a substantial distance into the block of material and a substantially hollow surrounding the primary separation well within the first diameter of the acceleration chamber to a depth somewhat less than the substantial distance of the primary separation well. A water-cooled titanium target disk having a secondary separation well in the shape of a cylinder and a target surface perpendicular to the axis of the acceleration chamber, the target disk having a diameter substantially smaller than the diameter of the separation well, a water-cooled titanium target disk positioned at the lower end of the isolation well and biased to a substantially negative DC voltage, and an electrically grounded metal cladding covering all exposed surfaces of the pre-moderator block; with
mechanically adjustable carriers for the neutron generators, each carrier supporting one neutron generator and translating the neutron generator towards and away from the central treatment chamber; and allowing the neutron generator to rotate in a plane parallel to the planes of the parallel upper and lower surfaces of the moderator chamber,
A boron neutron cancer therapy system in which a modular generator and a mechanically adjustable carrier are fully immersed in a liquid or particulate moderator material in a moderator chamber.
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