TWI683683B - 中子捕獲治療系統 - Google Patents
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Abstract
本申請提供一種中子捕獲治療系統，包括用於產生帶電粒子束的加速器、經帶電粒子束照射後產生中子射束的中子產生部、對中子射束進行整形的射束整形體，射束整形體包括緩速體及包覆於緩速體外圍的反射部，中子產生部經帶電粒子束照射後產生中子，所述緩速體將自中子產生部產生的中子減速至預設能譜，反射部包括能夠將偏離的中子導回以提高預設能譜內中子強度的反射體以及能夠對反射體形成支撐的支撐件。通過鉛銻合金作為反射體以改善單純使用鉛材料作為反射體帶來的蠕變效應，提高了射束整形體的結構強度。
Description
本發明涉及一種放射性射線治療系統，尤其涉及一種中子捕獲治療系統。
隨著原子科學的發展，例如鈷六十、直線加速器、電子射束等放射線治療已成為癌症治療的主要手段之一。然而傳統光子或電子治療受到放射線本身物理條件的限制，在殺死腫瘤細胞的同時，也會對射束途徑上大量的正常組織造成傷害；另外由於腫瘤細胞對放射線敏感程度的不同，傳統放射治療對於較具抗輻射性的惡性腫瘤(如：多型性膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素細胞瘤(melanoma))的治療成效往往不佳。
為了減少腫瘤周邊正常組織的輻射傷害，化學治療(chemotherapy)中的標靶治療概念便被應用於放射線治療中；而針對高抗輻射性的腫瘤細胞，目前也積極發展具有高相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)的輻射源，如質子治療、重粒子治療、中子捕獲治療等。其中，中子捕獲治療便是結合上述兩種概念，如硼中子捕獲治療，藉由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性集聚，配合精準的中子射束調控，提供比傳統放射線更好的癌症治療選擇。
硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)是利用含硼(10B)藥物對熱中子具有高捕獲截面的特性，藉由10B(n,α)7Li中子捕獲及核分裂反應產生4He和7Li兩個重荷電粒子。參照第一圖，其為硼中子捕獲反應的示意圖，兩荷電粒子的平均能量約為2.33MeV，具有高線性能量轉移(Linear Energy Transfer,LET)、短射程特徵，α粒子的線性能量轉移與射程分別為150keV/μm、8μm，而7Li重荷粒子則為175keV/μm、5μm，兩粒子的總射程約相當於一個細胞大小，因此對於生物體造成的輻射傷害能局限在細胞層級，當含硼藥物選擇性地聚集在腫瘤細胞中，搭配適當的中子射源，便能在不對正常組織造成太大傷害的前提下，達到局部殺死腫瘤細胞的目的。
在加速器硼中子捕獲治療中，一方面中子產生部產生的中子或其他粒子，如γ射線具有放射性，另一方面中子產生部產生的中子通常需要經過射束整形體調整能譜、提高中子產率，因此需要安裝反射體以降低粒子輻射洩漏率、調整能譜和提高中子產率。鉛是傳統上用於反射或屏蔽的材料，然而，鉛的蠕變效應顯著，無法提供結構剛性與長久的使用週期。對於硼中子捕獲治療而言，中子射束品質不僅與射束整形體有關，也與反射體及屏蔽體有關。現有技術中通常使用鉛作為反射材料，但是因為鉛的蠕變效應會導致結構精度不足，從而影響整個硼中子捕獲治療的安全性。
是以，有必要提供一種新的中子捕獲治療系統，克服以上技術問題。
本發明的一個方面提供一種中子捕獲治療系統，其在不明顯影響中子射束品質的前提下能夠提高射束整形體結構強度/精度。所述中子捕獲治療系統包括用於產生帶電粒子束的加速器、經帶電粒子束照射後產生中子射束的中子產生部、對中子射束進行整形的射束整形體，所述射束整形體包括緩速體及包覆於緩速體外圍的反射部，所述中子產生部經帶電粒子束照射後產生中子，所述緩速體將自中子產生部產生的中子減速至預設能譜，所述反射部包括能夠將偏離的中子導回以提高預設能譜內中子強度的反射體以及能夠對反射體形成支撐的支撐件。
進一步地，所述反射部包括多個柵元，每個柵元形成一個具有容置空間的芯部，多個芯部連接形成所述支撐件，所述反射體設於所述芯部的容置空間內。
進一步地，所述支撐件為一體成型結構，所述反射體材料澆注設置於所述芯部的容置空間內。
作為一種優選地，對反射部進行模組化設計，具體為，採用規定數量的芯部連接形成的支撐件，所述支撐件的外側設有相對設置的頂板、底板以及與頂板、底板連接並圍設於芯部外周的側板，所述規定數量連接的芯部、設於芯部內的反射體、頂板、底板以及側板形成反射體模組，所述反射體模組堆疊形成所述反射部。考慮到後續反射體模組之間堆疊的方便，優選實施例中所述規定數量為20個。
為了儘量減少芯部、頂板、底板以及側板的材料對中子射束品質的影響，本申請中所述芯部、頂板、底板以及側板的材料為低中子吸收截面及低活化的合金材料，所述合金材料的總體積佔所述反射體材料體 積的比例小於10%。
作為一種優選地，所述反射體的材料為鉛，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料為鋁合金或鉛-銻合金。
為了解決上述的技術問題，本發明的另一個方面提供一種中子捕獲治療系統，其在不顯著影響中子射束品質的前提下能夠提高射束整形體結構強度/精度。所述中子捕獲治療裝置包括用於產生帶電粒子束的加速器、經帶電粒子束照射後產生中子射束的中子產生部、對中子射束進行整形的射束整形體，所述射束整形體包括緩速體及包覆於緩速體外圍的反射部，所述中子產生部經帶電粒子束照射後產生中子，所述緩速體將自中子產生部產生的中子減速至預設能譜，所述反射部將偏離的中子導回以提高預設能譜內的中子強度，所述反射部外周還包覆有屏蔽部，所述屏蔽部包括支撐件及設置於支撐件中的屏蔽體。
進一步地，所述屏蔽部包括多個柵元，每個柵元形成一個具有容置空間的芯部，所述屏蔽體設於所述芯部的容置空間內，多個芯部連接形成所述支撐件，所述支撐件為一體成型結構，所述屏蔽體材料澆注設置於所述芯部的容置空間內。
作為一種優選地，對屏蔽部進行模組化設計，具體為，規定數量的芯部連接形成的支撐件外側設有相對設置的頂板、底板以及與頂板、底板連接並圍設於芯部外周的側板，所述規定數量連接的芯部、設於芯部內的屏蔽體、頂板、底板以及側板形成屏蔽體模組，所述屏蔽體模組堆疊形成所述屏蔽部，所述屏蔽體材料為鉛，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料為低中子吸收截面及低活化材料，所述芯部、頂板、底板以及 側板的材料總體積佔所述反射體的材料體積的比例小於10%。考慮到後續屏蔽體模組之間堆疊的方便，本申請中所述規定數量為20個。
進一步地，所述反射部包括能夠將偏離的中子導回以提高預設能譜內中子強度的反射體以及能夠對反射體形成支撐的支撐件。
與現有技術相比，本申請中子捕獲治療系統通過設置反射部的支撐件或/和屏蔽部的支撐件對反射材料或/和屏蔽材料進行支撐，即通過低中子吸收及低活化的合金材料對鉛材料進行支撐以克服鉛材料的蠕變效應，在不影響中子射束品質的情況下提高了射束整形體的結構強度。
100‧‧‧中子捕獲治療系統
10‧‧‧中子產生部
20‧‧‧射束整形體
21‧‧‧緩速體
22‧‧‧反射部
221‧‧‧支撐件
222‧‧‧反射體
223‧‧‧柵元
224‧‧‧容置空間
225‧‧‧芯部
226‧‧‧頂板
227‧‧‧底板
228‧‧‧側板
229‧‧‧反射體模組
30‧‧‧準直器
40‧‧‧屏蔽部
41‧‧‧支撐件
42‧‧‧屏蔽體
43‧‧‧柵元
44‧‧‧容置空間
45‧‧‧芯部
46‧‧‧頂板
47‧‧‧底板
48‧‧‧側板
49‧‧‧屏蔽體模組
200‧‧‧加速器
P‧‧‧帶電粒子束
N‧‧‧中子射束
W‧‧‧屏蔽牆
第1圖為本發明實施例中的硼中子捕獲治療裝置示意圖。
第2圖為本申請實施例一中的安裝於屏蔽牆的中子捕獲治療系統的示意圖，其具有屏蔽部，且僅屏蔽部具有支撐件。
第3圖為本申請實施例一中的所述屏蔽部的芯部結構的示意圖。
第4圖為本申請實施例一中未設置屏蔽體材料狀態下，屏蔽體模組的分解示意圖。
第5圖為本申請實施例二中的安裝於屏蔽牆的中子捕獲治療系統的示意圖，其中射束整形體不具有屏蔽部，僅反射部具有支撐件。
第6圖為本申請實施例二中的所述反射部的芯部結構的示意圖。
第7圖為本申請實施例二中的未設置反射體材料的狀態下，反射體模組的分解示意圖。
第8圖為本申請實施例三中的安裝於屏蔽牆的中子捕獲治療系統的示意圖，其中反射部和屏蔽部均具有支撐件。
下面結合附圖對本發明實施例做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
加速器產生的粒子(如中子)需要安裝反射體以降低粒子輻射洩漏率，需要安裝屏蔽體來提供輻射安全屏蔽。鉛或鉛合金是傳統上用於反射或屏蔽的材料，然而，鉛的蠕變效應顯著，無法提供結構剛性與長久的使用週期。
如第2圖所示，本申請提供一種中子捕獲治療系統100，所述中子捕獲治療系統100包括用於產生帶電粒子束P的加速器200、經帶電粒子束P照射後產生中子射束的中子產生部10、對中子射束進行整形的射束整形體20以及準直器30。所述射束整形體20包括緩速體21、包覆於緩速體外周的反射部22。所述中子產生部10經帶電粒子束照射後產生中子束N，所述緩速體21將自中子產生部10產生的中子束N減速至預設能譜，所述反射部22將偏離的中子導回以提高預設能譜內的中子強度，所述準直器30將中子產生部10產生的中子進行集中。
作為實施例一，所述中子捕獲治療系統100還包括屏蔽部40。結合第3圖，所述屏蔽部40包括支撐件41及設置於支撐件41中的屏蔽體42。所述支撐件41包括多個柵元43，每個柵元43形成具有容置空間44的芯部45，所述屏蔽體42設於該容置空間44內，多個芯部45連接形成所述支撐件41。作為一種優選的實施方式，所述支撐件41為一體成型結構，所述屏蔽體材料澆注於所述支撐件41各芯部45的容置空間44內。
結合第4圖，採用規定數量的芯部45連接形成的支撐件41， 支撐件41具有六邊形的橫截面，其易於成形和堆疊。在支撐件41的外側設有相對設置的頂板46、底板47以及與頂板46、底板47連接並圍設於芯部45外周的四個側板48。所述規定數量連接的芯部45、設於芯部45內的屏蔽體42、頂板46、底板47以及側板48形成屏蔽體模組49，所述屏蔽體模組49堆疊形成所述屏蔽部40。本申請中，考慮到後續屏蔽體模組49之間堆疊的方便，作為一種優選的實施例，所述規定數量為20個。當然，本領域技術人員可以根據設計需要調整側板的個數，如3個，6個等等；根據設計需要調整屏蔽體模組的規定數量，如10個，30個等等。
所述屏蔽體42的材料為鉛，所述頂板46、底板47以及與頂板46、底板47以及側板48由低中子截面吸收及低中子活化的合金材料製成。為了儘量減少合金材料對中子射束品質的影響，所述合金材料的總體積佔屏蔽體42材料體積的比例小於10%。
在本實施方式中，反射部22是由鉛材料製成的具有蠕變效應的結構，屏蔽部40包覆於所述反射部22的外周，射束整形體20埋設於用於對照射室內產生的輻射線進行屏蔽的屏蔽牆W中，所述屏蔽部40直接支撐於所述屏蔽牆W，屏蔽部40內部的支撐件41對屏蔽體42本身提供支撐的同時也對反射部22提供強度支撐，從而提高了整個射束整形體20的結構強度。
如第5圖所示，作為實施例二，直接將實施例一中的屏蔽部40的設置運用於反射部22中，將所述反射部22設置成包括支撐件221的結構，而不設置屏蔽部40。
結合第6圖，所述反射部22包括支撐件221及設置於支撐件221中的反射體222。所述支撐件221包括多個柵元223，每個柵元223形成具 有容置空間224的芯部225，所述反射體222設於該容置空間224內，多個芯部225連接形成所述支撐件221。作為一種優選的實施方式，所述支撐件221為一體成型，所述反射體222的材料澆注於所述支撐件221的芯部225內。
如第7圖所示，對反射部22進行模組化設計，具體為，採用規定數量的芯部225連接形成的支撐件221，所述支撐件221的外側設有相對設置的頂板226、底板227以及與頂板226、底板227連接並圍設於芯部225外周的四個側板228。所述規定數量連接的芯部225、設於芯部225內的反射體222、頂板226、底板227以及側板228形成反射體模組229，所述反射體模組229堆疊形成所述反射部22。所述頂板226、底板227以及與頂板226、底板227連接並圍設於芯部225外周的四個側板228為低中子截面吸收及低活化的合金材料，所述合金材料總體積佔屏蔽體42材料體積的比例小於10%。
第8圖所示為本申請的實施例三，與上述實施例不同之處在於，本實施例中，反射部與屏蔽部均為具有支撐件的結構設計，而本實施例中，反射部的設置與實施例二中反射部的設置相同，屏蔽部的設置與實施例一中屏蔽部的設置相同，文中就不再詳細敘述。將射束整形體20埋設於屏蔽牆W中時，屏蔽部40直接支撐於屏蔽牆W，該實施方式，在不影響中子射束品質的情況下，通過設置支撐件221對反射體222進行支撐，設置支撐件41對屏蔽體42進行支撐，以克服反射體和屏蔽體因採用鉛材料產生蠕變效應而導致結構精度問題。
需要指出的是，如實施例二及實施例三中所述，當反射部設置為具有反射體模組的結構時，由於反射部22包覆於所述緩速體21的外周，而緩速體21的外表面通常為圓柱形或者具有至少一個錐體狀的結構， 因此由反射體模組229堆疊形成的反射部包覆在緩速體21的外表面時，還應當考慮到結構上的結合問題，對直接與緩速體21表面結合處的反射體模組進行結構調整，比如，將與緩速體21接觸部分的反射體模組進行切割，以使反射部貼合於緩速體21的外表面，從而不影響反射部22內的反射體222對偏離的中子進行反射。
本申請中所述柵元形成的芯部可以是任何具有孔狀容置空間的封閉式結構，比如橫截面為正方形、三角形或者六邊形的幾何結構，具有孔狀容置空間的四面體、八面體或者十二面體，也可以是具有孔狀容置空間的非封閉式結構，此處就不再一一舉例說明。所述鉛通過澆注的方式設置於所述孔狀的容置空間內，而被芯部材料緊密包圍，從而使得芯部的合金材料對鉛材料形成支撐。
本申請實施例二與實施例三中，為了反射體模組和/或屏蔽體模組的堆疊方便以及製造方便，反射部的芯部與屏蔽部的芯部均採用橫截面為六邊形的結構。當然，所述反射部的支撐件的結構也可以與所述屏蔽部的支撐件結構不同。比如屏蔽部的支撐件的芯部結構為橫截面為六邊形的幾何形狀，而反射部的支撐件的芯部結構為四面體，只要支撐件的合金材料能夠對鉛材料形成支撐，並且對中子射束品質產生較小的影響即可，此處就不再詳細敘述。
無論上面哪一種實施例，出於對整個射束整形體重量的考量，所述芯部、頂板、底板以及與頂板、底板連接並圍設於芯部外周的側板的材料均選用質量較輕的合金材料，結合對中子射束品質的考量，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料還應選用低中子吸收材料和低活化材料， 且所述頂板、底板、側板以及芯部的材料總體積佔反射體材料或者佔屏蔽體材料體積的比例小於10%。本申請中，所述頂板、底板、側板以及芯部的材料優先選用鋁合金材料。也可以使用鉛-銻合金替代鋁合金，因為雖然鉛-銻合金材料的中子吸收截面高於鋁合金材料，但是由於所述頂板、底板、側板以及芯部的材料總體積佔反射體材料或者佔屏蔽體材料體積的比例小於10%，等效的總體銻含量小於1%，因此鉛-銻合金材料中的銻對中子射束品質也無顯著影響。
雖然本申請所述射束整形體中的反射體或/和屏蔽體為具有蠕變效應的鉛材料製成，但是當將射束整形體埋設於照射室的屏蔽牆W中時，因為支撐於屏蔽牆W的反射體或/和屏蔽體能夠依靠合金材料製成的支撐件對具有蠕變效應的鉛材料形成支撐，因此整個射束整形體的結構精度得到了提高。
本申請中所述屏蔽部一方面通過設置合金材料對鉛材料進行支撐，另一方面在有合金材料支撐的鉛材料外周設置頂板、低板以及與頂板、低板相互連接的側板，在增強屏蔽部結構強度的同時實現對屏蔽部的模組化設計，結構簡單，因此，也可將本申請中的屏蔽部應用於其他屏蔽場合。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，都在本發明要求保護的範圍之內。
100‧‧‧中子捕獲治療系統
10‧‧‧中子產生部
20‧‧‧射束整形體
21‧‧‧緩速體
22‧‧‧反射部
30‧‧‧準直器
40‧‧‧屏蔽部
41‧‧‧支撐件
42‧‧‧屏蔽體
200‧‧‧加速器
P‧‧‧帶電粒子束
N‧‧‧中子射束
W‧‧‧屏蔽牆
Claims (10)
- 一種中子捕獲治療系統，包括：加速器，用於產生帶電粒子束；中子產生部，經帶電粒子束照射後產生中子射束；和射束整形體，對中子射束進行整形；其中，所述射束整形體包括緩速體及包覆於緩速體外周的反射部，所述中子產生部經帶電粒子束照射後產生中子，所述緩速體將自中子產生部產生的中子減速至預設能譜，所述反射部包括能夠將偏離的中子導回以提高預設能譜內中子強度的反射體以及能夠對反射體形成支撐的支撐件。
- 如申請專利範圍第1項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述反射部包括多個柵元，每個柵元形成一個具有容置空間的芯部，多個芯部連接形成所述支撐件，所述反射體設於所述芯部的容置空間內。
- 如申請專利範圍第2項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述支撐件為一體成型結構，所述反射體材料澆注設置於所述芯部的容置空間內。
- 如申請專利範圍第2項所述之中子捕獲治療系統，其中，規定數量的芯部連接形成的所述支撐件，所述支撐件外側設有相對設置的頂板、底板以及與頂板、底板連接並圍設於芯部外周的側板，所述規定數量連接的芯部、設於芯部的容置空間內的反射體、頂板、底板以及側板形成反射體模組，所述反射體模組堆疊形成所述反射部。
- 如申請專利範圍第4項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述芯部、頂 板、底板以及側板的材料為低中子吸收截面及低活化材料，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料總體積佔所述反射體材料體積的比例小於10%。
- 如申請專利範圍第5項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述反射體的材料為鉛，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料為鋁合金或鉛-銻合金。
- 一種中子捕獲治療系統，包括：加速器，用於產生帶電粒子束；中子產生部，經帶電粒子束照射後產生中子射束；和射束整形體，對中子射束進行整形；其中，所述射束整形體包括緩速體及包覆於緩速體外周的反射部，所述中子產生部經帶電粒子束照射後產生中子，所述緩速體將自中子產生部產生的中子減速至預設能譜，所述反射部將偏離的中子導回以提高預設能譜內的中子強度，所述反射部外周還包覆有屏蔽部，所述屏蔽部包括能夠對反射體形成支撐的支撐件及設置於支撐件中的屏蔽體。
- 如申請專利範圍第7項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述屏蔽部包括多個柵元，每個柵元形成一個具有容置空間的芯部，所述屏蔽體設於所述芯部的容置空間內，多個芯部連接形成所述支撐件，所述支撐件為一體成型結構，所述屏蔽體材料澆注設置於所述芯部的容置空間內。
- 如申請專利範圍第7項所述之中子捕獲治療系統，其中，規定數量的芯部連接形成的所述支撐件，所述支撐件的外側設有相對設置的頂板、底板以及與頂板、底板連接並圍設於芯部外周的側板，所述規定數量連接的芯部、設於芯部內的屏蔽體、頂板、底板以及側板形成屏蔽體模組，所述屏蔽體 模組堆疊形成所述屏蔽部，所述屏蔽體材料為鉛，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料為低中子吸收截面及低活化材料，所述芯部、頂板、底板以及側板的材料總體積佔所述反射體的材料體積的比例小於10%。
- 如申請專利範圍第7項所述之中子捕獲治療系統，其中，所述反射部包括能夠將偏離的中子導回以提高預設能譜內中子強度的反射體以及能夠對反射體形成支撐的支撐件。
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