ОБЛУЧАТЕЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕЙТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
RADIATION ACCELERATION COMPLEX FOR NEUTRON-BEAM THERAPY

Изобретение относится к ускорительной технике, в частности к ускорителям ионов и электронов, и может быть использовано в области медицины как для боронейтрон-нозахватной терапии (BNCT), так и для нейтрон-соударной терапии.
Известно, что лечение больного зависит от эффективности облучения пораженных болезнью участков тела, которая связана с возможностью облучения пораженных тканей на различной глубине залегания и с различных позиций, на практике реализуемой при помощи широко известного штатива Gantry. В данном устройстве используется перемещающаяся, в большинстве случаев по кольцу, часть облучательного аппарата, позволяющая реализовать систему многопольного ротационного облучения больного, лежащего на терапевтическом столе (техническое описание Clinac 2100 С).
Известен облучательный комплекс для боронейтроннозахватной лучевой терапии (Патент РФ RU 2309559, публикация в БИ №30 от 27.10.2007 г.), в котором внутри металлического корпуса на электроизоляционной платформе установлен линейный резонансный ускоритель электронов. Ускоренные в нем электроны тормозятся внутри трубы торможения, расположенной между выходом ускорителя электронов и землей. В результате чего электростатический заряд корпуса нарастает до величины, определяемой энергией ускоренных электронов. В электростатическом поле между металлическим корпусом и землей поток протонов из источника протонов ускоряется до энергии, достаточной для получения нейтронов, образующихся при их взаимодействии с литиевой мишенью.
Недостатки - большие габариты установки, не позволяющие размещать ее в подвижном штативе типа Gantry и фиксированная малая энергия нейтронов, позволяющая использовать только BNCT лечение.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является широко известный клинический терапевтический комплекс на базе линейного резонансного ускорителя электронов Clinac 2100 С (см. описание). Содержащий: линейный резонансный ускоритель электронов и вольфрамовую мишень, для генерации потоков фотонов и нейтронов при ее взаимодействии с ускоренными электронами, размещенные внутри горизонтального участка Г-образного штатива, обладающего возможностью кругового вращения своего участка, перпендикулярного к стойке, в которой размещено оборудование, обеспечивающее работу ускорителя.
Недостаток - малая интенсивность нейтронного потока и высокая энергия нейтронов излучаемых вольфрамовой мишенью, не позволяющая использовать их в методиках BNCT, требующих применения нейтронов с меньшими (эпитепловыми) энергиями.
Цель изобретения - получение в облучательном ускорительном комплексе для нейтронно-лучевой терапии потока нейтронов с энергиями, удовлетворяющими как требованиям BNCT, так и нейтрон-соударной терапии, с возможностью многопольного ротационного облучения ими больного.
Поставленная цель достигается тем, что в облучательном ускорительном комплексе для нейтронно-лучевой терапии, состоящем из терапевтического стола для лежачего больного, двух стоек, соединенных таким образом, что их конструкция образует штатив Gantry, неподвижная стойка которого с технологическим оборудованием установлена на земле, а подвижная Г-образная стойка, обладающая возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к его неподвижной стойке, содержит ускоритель электронов кольцевого типа, электростатический ускоритель ионов водорода, состоящий из источника ионов водорода, электродов ускоряюще-фокусирующей системы, электрически соединенных с соответствующими частями делителя электрического напряжения, один конец которого электрически связан с корпусом Г-образной стойки, другой - электрически связан с накопителем электрического заряда, имеющего полость, соосную с осью инжекции электронов ускорителя электронов кольцевого типа, внутри которой установлены постоянные магниты таким образом, что силовые линии их магнитных полей направлены перпендикулярно оси инжекции электронов ускорителя электронов кольцевого типа, и подложкой, для установки различного типа мишеней, способных генерировать нейтронное излучение при ядерной реакции и установленных на подложке таким образом, чтобы ось пучка ионов водорода попадала на мишень, а ось генерируемого нейтронного излучения попадала на терапевтический стол.
Отличительная особенность конструкции предлагаемого изобретения в том, что энергия пучка ионов водорода на выходе электростатического ускорителя ионов водорода зависит от величины электрического напряжения на накопителе электрического заряда, что позволяет регулировать ее величину возможностью плавного изменения в широких пределах энергии электронного пучка, которой обладают ускорители электронов кольцевого типа. Подобная схема соединения позволяет: применять для генерации ионов водорода тандем сравнительно малогабаритных ускорителей заряженных частиц, которые можно технологически устанавливать внутри подвижной Г-образной стойки, а также облучать ионами водорода мишени различного типа, генерируя нейтронное излучение с требуемыми характеристиками.
Таким образом, в результате предложенных конструктивных изменений, соединения предложенным образом накопителя электрического заряда предложенной конструкции с ускорителями ионов и электронов именно предложенного типа, в облучательном ускорительном комплексе для нейтронно-лучевой терапии появляется новое физическое свойство, а именно возможность генерации интенсивных потоков нейтронного излучения с регулируемым в широких пределах диапазоном энергетического спектра, позволяющим использовать как нейтрон-соударную, так и BNCT терапию, для облучения больного с различных позиций (по принципу штатива Gantry), путем циркуляции Г-образной стойки составного корпуса относительно терапевтического стола.
Физические свойства, проявленные в результате предложенных конструкционных изменений, позволяют считать заявку соответствующей критерию изобретения.
Предложен облучательный ускорительный комплекс для нейтронно-лучевой терапии, в котором реализована конструкция штатива Gantry. Комплекс включает в себя две стойки, Г-образную подвижную и неподвижную. Примененное конструктивное сочетание электростатического ускорителя ионов водорода с накопителем электрических зарядов, величина электрического потенциала которого регулируется в зависимости от энергии электронного пучка, транспортируемого на него от ускорителя электронов кольцевого типа, позволило, используя для бомбардировки мишеней, устанавливаемых на подложке накопителя электрических зарядов, малогабаритные ускорители, разместить их в подвижной стойке штатива. Возможность плавной регулировки энергии электронного пучка, присущая кольцевым ускорителям, позволила плавно регулировать энергию пучка ионов водорода, бомбардирующих мишени, обеспечив возможность использовать мишени различного типа, для генерации нейтронов с широким спектром энергий.
Предложенный облучательный ускорительный комплекс для нейтронно-лучевой терапии обеспечивает возможность применения для лечения как BNCT терапии, так и методов нейтрон-соударной лучевой терапии, с возможностью многопольного ротационного облучения больного путем кругового вращения облучательной подвижной Г-образной стойки вокруг терапевтического стола с лежачим больным.
На фиг. показана схема, поясняющая работу предлагаемого облучательного ускорительного комплекса для нейтронно-лучевой терапии, состоящего из: составного (двухстоечного) корпуса 1, Г-образная стойка (СТ 2) которого способна вращаться вокруг оси, перпендикулярной к неподвижной и установленной на земле стойке (СТ), в которой размещено электрическое и другое технологическое оборудование, обеспечивающее работу ускорителей заряженных частиц и мишени. Данное оборудование на фигуре не показано. Внутри СТ 2 находятся ускоритель электронов кольцевого типа 2, электростатический ускоритель ионов водорода 3, состоящий из источника ионов водорода 4, электродов ускоряюще-фокусирующей системы 5, которые электрически соединены с соответствующими частями делителя электрического напряжения 6, один конец которого электрически соединен с Г-образным корпусом стойки СТ 2, другой конец электрически соединен с накопителем электрического заряда 7, который электрически изолирован от корпуса СТ 2. В накопителе электрического заряда имеется полость 8, соосная с осью инжекции электронов из ускорителя электронов кольцевого типа. В этой полости размещены постоянные магниты 9 таким образом, что направление силовых линий их магнитных полей направлено перпендикулярно оси инжекции электронов ускорителя электронов 2. Накопитель электрического заряда 7 имеет подложку, на которую устанавливаются сменные мишени 10 из различных материалов. В этих мишенях энергия ускоренного в ускорителе ионов водорода пучков протонов или дейтронов преобразуется в поток нейтронов (n). Подложка накопителя электрического заряда расположена в СТ 2 таким образом, чтобы ось ускоренного пучка ионов водорода могла попадать на мишень, а нейтронное излучение попадало на терапевтический стол 11.
Облучательный ускорительный комплекс для нейтронно-лучевой терапии работает следующим образом. Ускоренный в ускорителе электронов кольцевого типа 2 (например бетатроне) пучок электронов транспортируется из ускорителя на накопитель электрического заряда 7. Малогабаритные ускорители такого типа, в отличие от резонансных ускорителей, позволяют в широких пределах плавно регулировать энергию ускоренных электронов и технологически размещать их в подвижной части штатива Gantry (СТ 2). Накопитель электрического заряда изготовлен из алюминия, поскольку этот металл слабо активируется нейтронами. Пучок электронов, проходя внутри полости 8, отклоняется от оси своего первоначального движения под действием магнитного поля, создаваемого магнитами 9, и адсорбируется на ее стенках. Этим обеспечивается снижение разрушающего воздействия облучения мишеней 10 паразитным рентгеновским излучением, возникающим в полости. В результате адсорбции электронов на стенках полости накопителя электрического заряда, нарастает величина его электрического потенциала относительно корпуса СТ 2, передаваемого на вход делителя электрического напряжения 6. Возникающее в делителе электрического напряжения 6 распределение электрических потенциалов передается на электроды ускоряющее-фокусирующей системы 5, обеспечивая ускорение пучка ионов водорода, генерируемого источником ионов водорода 4. В качестве такого источника ионов может быть применен, например, дуоплазматрон. Широко известны источники ионов - дуоплазматроны, позволяющие генерировать как протоны, так и дейтроны, в зависимости от типа применяемого в них газа (водород или дейтерий). Ускоренным в ускорителе 3 пучком ионов водорода бомбардируется мишень 10, установленная на подложке накопителя электрического заряда 7. Когда в результате накопления электрического заряда на накопителе электрического заряда 7 его электрический потенциал достигает значений, при которых энергия ускоренных ионов водорода в электростатическом ускорителе ионов 3 становится достаточной для начала ядерной реакции в мишени 10. Мишень генерирует поток нейтронов «n», которым облучается больной, лежащий на терапевтическом столе 11. Циркуляцией стойки СТ 2 вокруг терапевтического стола 11 обеспечивается разностороннее многопольное облучение больного.
7
7
7
7
Если на подложке накопителя электрического заряда 7 установлена мишень изотопа лития Li, при достижении на накопителе электрического заряда 7 величины электрического потенциала 1890 кВ, энергии ускоренных протонов достаточно для начала ядерной реакции типа Li+р=Ве+n, где: p - протоны, n - нейтроны, Ве - изотоп бериллия. При этом генерируется нейтронное излучение «n» с энергией ~40 кэВ (что соответствует эпитепловому диапазону энергий и не требует дополнительной модерации). Поэтому нейтронное излучение, направленное вдоль оси пучка протонов, почти полностью используется для облучения больного. В таком варианте мишенной комплектации облучательного ускорительного комплекса для нейтронно-лучевой терапии удовлетворяются требования к лечению методами BNCT.
9
9
13
Для лечения опухолей с большей глубиной залегания (более 4-5 см) требуются нейтроны более высокой энергии. В этом случае на подложке можно устанавливать мишени, например, из изотопов бериллия или углерода. При облучении таких мишеней ускоренным до энергии ~ 1,5 МэВ пучком дейтронов (d) в результате ядерных реакций, Be(d, n), Ве(p, n) или C(d, n), образуются нейтроны со средней энергией 2,01, 4,0 и 1,08 МэВ соответственно, что позволяет проводить лечение данных опухолей методами нейтрон-соударной терапии. Можно устанавливать на подложке и другие мишени, в том числе и композитного типа, регулируя интенсивность и энергию нейтронов.
Пример 1
Возможности практической реализации данного изобретения показаны на примерах действующих терапевтических комплексов с использованием линейных резонансных ускорителей электронов, источника ионов и облучаемых мишеней с кондуктором, размещаемых в том числе и в штативах Гантри (Патент РФ RU 2309559, публикация в БИ №30 от 27.10.2007 г., или облучательный терапевтический комплекс на базе линейного резонансного ускорителя электронов Clinac 2100 С).
В результате предложенных технических решений, последовательного соединения предложенного типа малогабаритных ускорителей электронов и ионов и накопителя электрического заряда предложенной конструкции, появилась возможность создать недорогой, универсальный облучательный ускорительный комплекс в варианте штатива Gantry для лечения больных как методами BCNT, так и нейтрон-соударной терапии.