СИСТЕМА НЕЙТРОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ
NEUTRON CAPTURE THERAPY SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе радиационного облучения и, в частности, к системе нейтрон-захватной терапии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
По мере развития атомной техники радиотерапия, с использованием таких средств как кобальт-60, линейные ускорители и электронные пучки, стала одним из основных средств лечения рака. Однако традиционная фотонная или электронная терапия страдает от физических ограничений радиоактивных лучей; например, многие здоровые ткани на пути луча будут повреждены при разрушении опухолевых клеток. С другой стороны, чувствительность опухолевых клеток к радиоактивным лучам сильно различается, поэтому в большинстве случаев традиционная лучевая терапия неэффективна при лечении радиоустойчивых злокачественных опухолей (таких как мультиформная глиобластома и меланома).
С целью уменьшения радиационного повреждения здоровой ткани, окружающей участок опухоли, в лучевой терапии при химиотерапии применяется целевая терапия. При этом для опухолевых клеток с высокой радиоустойчивостью также были разработаны источники излучения с высокой RBE (относительная биологическая эффективность, ОБЭ), в том числе протонная терапия, терапия с использованием тяжелых частиц и нейтрон-захватная терапия. Среди них нейтрон-захватная терапия объединяет целевую терапию с ОБЭ, такой как борная нейтрон-захватная терапия (BNCT). Благодаря определенной группировке борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолевых клетках и точной регулировке нейтронного пучка BNCT представляется лучшим выбором для лечения рака, чем традиционная лучевая терапия.
Бор-нейтрон-захватная терапия (BNCT) использует то преимущество, что содержащие бор (В-10) фармацевтические препараты имеют высокое поперечное сечение захвата нейтронов и производят тяжелые заряженные частицы 4Не и 7Li посредством захвата нейтронов 10 В (n, α) 7Li и реакции ядерного деления. Как проиллюстрировано на фиг. 1 и 2, где показаны схематический чертеж BNCT и формула ядерной реакции захвата нейтронов 10 В (n, α) 7Li, две заряженные частицы со средней энергией около 2,33 МэВ обладают высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ) и характеристиками ближнего действия. ЛПЭ и диапазон альфа-частицы составляют 150 кэВ/микрометр и 8 микрометров соответственно, тогда как для тяжелой заряженной частицы 7Li это 175 кэВ/микрометр и 5 микрометров соответственно, при этом общий диапазон двух частиц приблизительно равен размеру ячейки. Следовательно, радиационное повреждение живых организмов может быть ограничено на клеточном уровне. Только опухолевые клетки будут уничтожены при условии отсутствия серьезных повреждений нормальной ткани.
Терапия BNCT также хорошо известна как средство бинарной терапии рака, поскольку ее эффективность зависит от концентрации борсодержащих фармацевтических препаратов и количества тепловых нейтронов в области опухоли. Таким образом, помимо разработки борсодержащих фармацевтических препаратов, улучшение потока и качества нейтронного источника играет важную роль в исследованиях терапии BNCT.
Следовательно, есть необходимость в создании нового технического решения вышеуказанной проблемы.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Чтобы улучшить поток и качество источника нейтронов, один аспект настоящего изобретения предлагает систему нейтрон-захватной терапии, содержащую устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка. Устройство генерации нейтронов содержит ускоритель и мишень, при этом пучок заряженных частиц, генерируемый при ускорении ускорителя, взаимодействует с мишенью для генерации нейтронов, нейтроны образуют пучок нейтронов, а пучок нейтронов определяет основную ось. Узел формирования луча содержит замедлитель, отражатель и радиационный экран, замедлитель конфигурирован для замедления нейтронов, генерируемых из мишени, до области энергии надтепловых нейтронов, отражатель окружает замедлитель и направляет отклоняющиеся нейтроны обратно к основной оси, чтобы увеличивать интенсивность пучка надтепловых нейтронов, а радиационный экран выполнен с возможностью экранирования утекающих нейтронов и фотонов, чтобы снижать дозу, действующую на нормальные ткани в необлучаемой зоне; и узел формирования луча дополнительно содержит раму, вмещающую замедлитель. Рама позиционирует и поддерживает замедлитель, что позволяет улучшить поток и качество источника нейтронов.
При этом замедлитель является регулируемым, а рама содержит позиционирующий элемент и стопорный элемент для фиксации замедлителя. Предпочтительно, период полураспада радиоактивных изотопов, генерируемых после того, как материалы позиционирующего элемента и стопорного элемента активируются нейтронами, составляет менее 7 дней. Предпочтительно, материалы позиционирующего элемента и стопорного элемента представляют собой алюминиевый сплав, титановый сплав, сплав свинца и сурьмы, сталь, не содержащую кобальта, углеродные волокна, PEEK или высокомолекулярный полимер. Позиционирующий элемент может удобно регулировать размер замедлителя, тем самым регулируя поток нейтронного пучка, а после регулировки стопорный элемент может быстро и удобно реализовать герметизацию замедлителя.
При этом замедлитель содержит основную часть и вспомогательную часть, материал основной части отличается от материала вспомогательной части, рама образует по крайней мере один вмещающий блок, вмещающий блок содержит первый вмещающий блок и второй вмещающий блок, которые расположены вблизи друг друга, основная часть размещается в первом вмещающем блоке, состоит из частей и является регулируемой, когда количество частей основной части уменьшено, позиционирующий элемент расположен внутри первого вмещающего блока для дополнения, и стопорный элемент выполнен с возможностью фиксации основной части. Вспомогательная часть позволяет снизить стоимость изготовления замедлителя, не оказывая относительно большого влияния на качество луча. Позиционирующий элемент и стопорный элемент могут удобно регулировать основную часть замедлителя.
При этом рама содержит основную раму и вторичную раму, которые разъемно соединены друг с другом, первый вмещающий блок сформирован путем окружения по меньшей мере частью основной рамы, а второй вмещающий блок сформирован путем окружения по меньшей мере частью основной рамы и по меньшей мере частью вторичной рамы, причем вспомогательная часть размещена во втором вмещающем блоке, и расположение вторичной рамы облегчает замену вспомогательной части замедлителя. Предпочтительно материал основной рамы представляет собой алюминиевый сплав, имеет относительно хорошие механические свойства и после активации нейтронами генерирует радиоактивный изотоп с коротким периодом полураспада. Предпочтительно материал вторичной рамы представляет собой композитный материал из углеродного волокна, который после активации нейтронами генерирует радиоактивный изотоп с коротким периодом полураспада и низким уровнем излучения. Предпочтительно, материал основной части содержит, по меньшей мере, одно из D2O, Al, AlF3, MgF2, CaF2, LiF, Li2CO3, или Al2O3, имеет поперечное сечение для взаимодействия преимущественно с быстрыми нейтронами, практически без взаимодействия с надтепловыми нейтронами, и имеет относительно хороший замедляющий эффект. Основная часть содержит Li-6, при этом основная часть также служит поглотителем тепловых нейтронов. Предпочтительно материал вспомогательной части содержит по меньшей мере одно из Zn, Mg, Al, Pb, Ti, La, Zr, Bi или С. Выбор материала, который относительно легко получить в качестве материала вспомогательной части, позволяет снизить затраты на изготовление замедлителя с достижением при этом определенного эффекта замедления нейтронов без оказания относительно большого влияния на качество пучка.
При этом основная рама содержит первую стенку, вторую стенку и первую поперечную пластину, соединяющую первую стенку и вторую стенку, при этом первая стенка и вторая стенка последовательно расположены вдоль направления нейтронного пучка и замкнуты по окружности, окружающей основную ось, первая поперечная пластина проходит перпендикулярно направлению нейтронного пучка, первая стенка предназначена для монтажа передающей трубки ускорителя, вторая стенка окружая формирует первый вмещающий блок, и радиальное расстояние от первой стенки до основной оси меньше радиального расстояния от второй стенки до основной оси. Основная часть замедлителя окружает мишень, так что нейтроны, генерируемые мишенью, могут эффективно замедляться во всех направлениях, что дополнительно улучшает поток и качество пучка нейтронов.
При этом основная рама содержит третью стенку, замкнутую по окружности, окружающую направление нейтронного пучка, радиальное расстояние от второй стенки до главной оси меньше радиального расстояния от третьей стенки до главной оси, рама дополнительно содержит первую и вторые боковые пластины, соответственно расположенные на двух сторонах третьей стенки вдоль направления пучка нейтронов и соединенные с третьей стенкой, а вторичная рама содержит вторую поперечную пластину, расположенную между второй стенкой и второй боковой пластиной вдоль направления пучок нейтронов.
В предпочтительном варианте вторичная рама дополнительно содержит четвертую стенку, замкнутую по окружности, окружающую направление нейтронного пучка и проходящую между второй поперечной пластиной и второй боковой пластиной. Система нейтрон-захватной терапии дополнительно содержит коллиматор, четвертая стенка формирует монтажную часть и/или выход луча коллиматора. Вторичная рама из углеродных волокон используется в направлении выхода луча, и по сравнению с алюминиевым сплавом углеродные волокна имеют меньшую степень активации, высокую прочность и особый замедляющий эффект. Вторичная рама также служит монтажной частью коллиматора. Основная рама дополнительно содержит радиальный разделитель, расположенный между первой боковой пластиной и второй поперечной пластиной и проходящий от первой стенки ко второй стенке или третьей стенке, первая стенка, вторая стенка, третья стенка, первая поперечная пластина, вторая поперечная пластина и первая боковая пластина окружая формируют второй вмещающий блок, радиальный разделитель по окружности делит второй вмещающий блок на несколько подобластей, третья стенка, четвертая стенка, вторая поперечная пластину и вторая боковая пластина окружая формируют третий вмещающий блок, по меньшей мере часть отражателя/радиационного экрана дополнительно расположена внутри второго вмещающего блока, при этом по меньшей мере часть радиационного экрана расположена внутри третьего вмещающего блока, а материалы первой и второй боковых пластин представляют собой сплав свинца с сурьмой. Свинец может дополнительно экранировать излучение, и, кроме того, сплав свинец-сурьма имеет относительно высокую прочность.
В другом предпочтительном варианте основная часть снабжена центральным отверстием на первой торцевой поверхности, обращенной к первой боковой пластине, это центральное отверстие предназначено для вмещения передающей трубки ускорителя и мишени, и когда основная часть заполнена, первая торцевая поверхность вспомогательной части рядом со второй боковой пластиной находится заподлицо со второй торцевой поверхностью основной части рядом со второй боковой пластиной. При этом экранирующая пластина расположена вблизи второй торцевой поверхностью основной части. Экранирующая пластина представляет собой свинцовую пластину. Свинец может поглощать гамма-лучи, выделяемые замедлителем. Толщина экранирующей пластины в направлении нейтронного пучка меньше или равна 5 см, так что нейтроны, проходящие через замедлитель, не отражаются. Когда количество частей основной части уменьшено, позиционирующий элемент располагается вблизи экранирующей пластины. Стопорный элемент расположен вблизи второй поперечной пластины, и стопорный элемент разъемно соединен с основной рамой и/или вторичной рамой для облегчения регулировки и замены основной части замедлителя.
Другой аспект настоящего изобретения предлагает систему нейтрон-захватной терапии, содержащую устройство генерации нейтронов и узел формирования пучка, причем нейтроны, генерируемые устройством генерации нейтронов, образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет основную ось, и узел формирования пучка выполнен с возможностью регулирования качества пучка нейтронов, при этом узел формирования пучка содержит замедлитель, отражатель и радиационный экран, замедлитель конфигурирован для замедления нейтронов, генерируемых устройством генерации нейтронов, до области энергии надтепловых нейтронов, отражатель окружает замедлитель и направляет отклоняющиеся нейтроны обратно к главной оси для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов, и радиационный экран выполнен с возможностью экранирования утекающих нейтронов и фотонов, чтобы снизить дозу на нормальные ткани в необлучаемой зоне; и узел формирования луча дополнительно содержит раму, вмещающую замедлитель, причем рама содержит основную раму и вторичную раму, которые разьемно соединены друг с другом. Рама позиционирует и поддерживает замедлитель, что позволяет улучшить поток и качество источника нейтронов. Основная рама и вторичная рама разъемно соединены друг с другом, чтобы облегчить замену замедлителя.
Рама узла формирования пучка системы нейтрон-захватной терапии в соответствии с настоящим изобретением позиционирует и поддерживает замедлитель, что позволяет улучшить поток и качество источника нейтронов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - схематическая диаграмма реакции захвата бором нейтронов;
фиг. 2 - формула ядерной реакции захвата нейтронов 10 В (n, α) 7Li;
фиг. 3 - схематичная диаграмма системы нейтрон-захватной терапии согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - схематичная диаграмма узла формирования пучка и коллиматора системы нейтрон-захватной терапии согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 - схематичная диаграмма рамы с фиг. 4;
фиг. 6 - схематичная диаграмма основной рамы с фиг. 5, если смотреть с направления нейтронного пучка N; и
фиг. 7 - схематичная диаграмма основной рамы с фиг. 5, если смотреть с направления, противоположного направлению нейтронного пучка N.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления настоящего изобретения подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, чтобы дать возможность специалисту в данной области техники реализовать настоящее изобретение со ссылкой на текст описания.
Как показано на фиг. 3, система нейтрон-захватной терапии в этом варианте осуществления предпочтительно представляет собой борную нейтрон-захватную терапевтическую систему 100, которая содержит устройство 10 генерации нейтронов, узел 20 формирования пучка, коллиматор 30 и лечебный стол 40. Устройство 10 генерации нейтронов содержит ускоритель 11 и мишень Т, при этом ускоритель 11 ускоряет заряженные частицы (например, протоны, дейтроны и т.п.) для генерации пучка заряженных частиц Р, такого как пучок протонов, при этом пучок заряженных частиц Р облучает мишень Т и взаимодействует с мишенью Т для генерации нейтронов, которые образуют нейтронный пучок N, причем нейтронный пучок N определяет главную ось X, а мишень Т представляет собой металлическую мишень. Направление нейтронного пучка N, описанное ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, представляет собой не фактическое направление движения нейтронов, а общую тенденцию направления движения нейтронного пучка N. Подходящие ядерные реакции всегда определяются в соответствии с такими характеристиками, как желаемые выход нейтронов и энергия, доступная энергия ускоренных заряженных частиц и тока, материализация металлической мишени, среди которых наиболее обсуждаемыми являются 7Li (р, n) 7Ве и 9Ве(р, n) 9В, которые обе являются эндотермической реакцией. Их энергетические пороги составляют 1,881 МэВ и 2,055 МэВ соответственно. Надтепловые нейтроны с энергией в кэВ считаются идеальными источниками нейтронов для терапии BNCT. Теоретически, бомбардировка литиевой мишенью с использованием протонов с энергией, немного превышающей пороговые значения, может производить нейтроны с относительно низкой энергией, поэтому нейтроны могут использоваться клинически без больших замедлений. Однако Li (литий) и Be (бериллий) и протоны с пороговой энергией имеют невысокое эффективное сечение. Для производства достаточных потоков нейтронов, чтобы вызвать ядерные реакции, обычно выбираются высокоэнергетические протоны. Предполагается, что мишень, считающаяся идеальной, обладает преимуществами высокого выхода нейтронов, произведенного распределения энергии нейтронов вблизи диапазона энергий надтепловых нейтронов (подробности см. ниже), небольшого сильнопроникающего излучения, безопасности, низкой стоимости, легкого доступа, высокой температуры сопротивление и т.д. Но на самом деле никакие ядерные реакции не могут удовлетворить всем требованиям. Однако, как хорошо известно специалистам в данной области техники, материалы мишени могут быть получены из других металлов, помимо Li или Be, например тантала (Та) или вольфрама (W), или же их сплавов. Ускоритель 11 может быть линейным ускорителем, циклотроном, синхротроном, синхроциклотроном.
Источники нейтронов BNCT создают только смешанные радиационные поля, то есть пучки содержат нейтроны и фотоны с энергиями от низкой до высокой. Что касается BNCT в глубине опухолей, за исключением надтепловых нейтронов, чем больше остаточное количество луча излучения, тем выше доля неселективного осаждения дозы в нормальной ткани. Поэтому излучение, обсусливающее излишнюю дозу, должно быть уменьшено по максимуму. Помимо показателей качества воздушного пучка, доза рассчитывается с использованием тканевого протеза головы человека, чтобы понять распределение дозы нейтронов в человеческом теле. Коэффициенты качества пучка протеза позже используются в качестве проектной ссылки на нейтронные пучки, как поясняется ниже.
Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) представило пять предложений относительно факторов качества пучка воздуха для клинических источников нейтронов BNCT. Предложения могут использоваться для дифференциации источников нейтронов и в качестве эталона для выбора вариантов образования нейтронов и проектирования узла формирования пучка, и они представлены следующим образом:
2
Поток надтепловых нейтронов > 1 х 109н/смс
2
Загрязнение быстрыми нейтронами < 2 х10-13Гр-см/н
2
Загрязнение фотонами <2 х10-13Гр-см/н
Соотношение тепловых и надтепловых нейтронов <0,05
отношение тока надтепловых нейтронов к потоку > 0,7
Примечание: диапазон энергий надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов ниже 0,5 эВ, а диапазон энергий быстрых нейтронов выше 40 кэВ.
1. Поток надтепловых нейтронов
Поток надтепловых нейтронов и концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в месте опухоли вместе определяют время клинической терапии. Если борсодержащие фармацевтические препараты в месте опухоли имеют достаточно высокую концентрацию, поток надтепловых нейтронов может быть уменьшен. Напротив, если концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях находится на низком уровне, необходимо, чтобы надтепловые нейтроны в высоком потоке надтепловых нейтронов обеспечивали достаточные дозы для опухолей. Данный стандарт на поток надтепловых нейтронов от МАГАТЭ составляет более 109 надтепловых нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. В данном потоке нейтронных пучков время терапии может приблизительно контролироваться менее, чем час с использованием борсодержащих фармацевтических препаратов. Таким образом, за исключением того, что пациенты хорошо размещены и чувствуют себя более комфортно в течение более короткого времени терапии, может быть эффективно использовано ограниченное время пребывания борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях.
2. Загрязнение быстрыми нейтронами
2
Излишняя доза на здоровую ткань, производимая быстрыми нейтронами, считается загрязнением. Доза демонстрирует положительную корреляцию с энергией нейтронов, следовательно, количество быстрых нейтронов в нейтронных пучках должно быть максимально уменьшено. Доза быстрых нейтронов на единицу потока надтепловых нейтронов считается загрязнением быстрыми нейтронами, и, согласно МАГАТЭ, составляет менее 2 * 10-13Гр-см/н.
3. Фотонное загрязнение (гамма-излучение)
2
Гамма-излучение с дальним проникновением излучения будет избирательно приводить к накоплению дозы во всех тканях на пути прохождения пучка, поэтому снижение количества гамма-излучения также является исключительно важным требованием при разработке нейтронного пучка. Доза гамма-излучения, приходящаяся на единицу потока надтепловых нейтронов, задается как загрязнение гамма-излучением, которое, согласно МАГАТЭ, составляет менее 2* 10-13Гр-см/н.
4. Соотношение тепловых и надтепловых нейтронов.
Тепловые нейтроны настолько быстро распадаются и плохо проникают, что оставляют большую часть энергии в тканях кожи после попадания в организм. За исключением опухолей кожи, таких как меланоцитома, тепловые нейтроны служат источниками нейтронов BNCT, в других случаях, таких как опухоли головного мозга, количество тепловых нейтронов должно быть уменьшено. В соответствии с МАГАТЭ соотношение тепловых и надтепловых нейтронных потоков рекомендуется ниже 0,05.
5. Отношение тока надтепловых нейтронов к потоку
Отношение тока надтепловых нейтронов к потоку обозначает направление пучка, чем выше это отношение, тем лучше прямое направление нейтронных пучков, и нейтронные пучки в лучшем прямом направлении могут уменьшать дозу, окружающую нормальную ткань, являющуюся результатом рассеяния нейтронов. Кроме того, улучшается обрабатываемая глубина, а также позиционное положение. По данным МАГАТЭ лучше, когда отношение тока надтепловых нейтронов к потоку больше, чем 0,7.
Коэффициенты качества луча протеза выводятся на основании распределения дозы в ткани, полученной с помощью протеза, в соответствии с кривой доза-глубина нормальной ткани и опухолей. Три следующих параметра могут использоваться для сравнения различных эффектов нейтронно-лучевой терапии.
1. Предпочтительная глубина
Доза опухоли равна глубине максимальной дозы нормальной ткани. Доза опухолевых клеток в положении за глубиной меньше максимальной дозы нормальной ткани, то есть захват нейтронов бором теряет свои преимущества. Предпочтительная глубина указывает на проницаемость нейтронных пучков. Вычисляется в см: чем больше предпочтительная глубина, тем больше глубина поддающейся лечению опухоли.
2. Уровень дозы предпочтительной глубины
Уровень дозы предпочтительной глубины - это уровень дозы опухоли на предпочтительной глубине, также равный максимальному уровню дозы для нормальной ткани. Это может влиять на продолжительность терапии, поскольку общая доза для нормальной ткани является фактором, способным повлиять на общую дозу, предусмотренную для опухолей. Чем он выше, тем короче время облучения для получения определенной дозы на опухоли, рассчитанное по сГр/мА-мин.
3. Предпочтительное отношение
Среднее отношение доз, полученное опухолями и нормальной тканью поверхности мозга к предпочтительной глубине, называется предпочтительным отношением. Среднее отношение может быть рассчитано с использованием криволинейного интеграла доза-глубина. Чем выше предпочтительное отношение, тем лучше терапевтический эффект нейтронных пучков.
Чтобы предоставить сравнительную ссылку на конструкцию узла формирования пучка, предоставляются также следующие параметры для оценки преимуществ и недостатков выражения нейтронных пучков в вариантах осуществления настоящего изобретения, за исключением коэффициентов качества воздушного пучка МАГАТЭ и вышеупомянутых параметров.
1. Время облучения <= 30 мин (протонный ток для ускорителя 10 мА)
2. 30,0 ОБЭ-Гр глубина лечения> = 7 см
3. Максимальная доза опухоли> = 60,0 ОБЭ-Гр
4. Максимальная доза для нормальной мозговой ткани <= 12,5 ОБЭ-Гр
5. Максимальная доза для кожи <= 11,0 ОБЭ-Гр
Примечание: ОБЭ означает относительную биологическую эффективность. Поскольку фотоны и нейтроны проявляют разную биологическую эффективность, указанную выше дозу следует умножить на ОБЭ различных тканей, чтобы получить эквивалентную дозу.
Пучок N нейтронов, генерируемый устройством 10 генерации нейтронов, последовательно проходит через узел 20 формирования пучка и коллиматор 30, затем излучается на пациента 200 на лечебном столе 40. Узел 20 формирования пучка способен регулировать качество пучка нейтронов N, генерируемого устройством 10 генерации нейтронов, а коллиматор 30 используется для концентрации пучка нейтронов N, так что пучок нейтронов N имеет более точное наведение при проведении лечения. Узел 20 формирования пучка дополнительно содержит раму 21 и главную часть 23, причем по меньшей мере часть главной части 23 заполнена внутри рамы 21, и рама 21 образует опору для главной части 23, что позволяет предотвратить деформацию и повреждение материала и влиять на замену мишени и качество луча. Главная часть 23 содержит замедлитель 231, отражатель 232, радиационный экран 233. Нейтроны, генерируемые устройством 10 генерации нейтронов, имеют широкий спектр энергии, и в дополнение к надтепловым нейтронам для удовлетворения потребностей лечения желательно уменьшить количество других типов нейтронов и фотонов, насколько это возможно, чтобы избежать вреда для операторов или пациентов. Следовательно, нейтроны, выходящие из устройства 10 для генерации нейтронов, должны проходить через замедлитель 231 для регулирования энергии быстрых нейтронов в нем до области энергии надтепловых нейтронов. Замедлитель 231 изготовлен из материала, имеющего поперечное сечение для взаимодействия, в основном, с быстрыми нейтронами, но почти не взаимодействующего с надтепловыми нейтронами, например, содержит по меньшей мере одно из D2O, AlF3, Fluental, CaF2, Li2CO3, MgF2 и Al2O3. Отражатель 232 окружает замедлитель 231 и отражает нейтроны, рассеянные через замедлитель 231, обратно в нейтронный пучок N, чтобы улучшить использование нейтронов, и изготовлен из материала, имеющего высокую способность отражения нейтронов, такого, что содержит по меньшей мере одно из Pb и Ni. Радиационный экран 233 предназначен для экранирования утекающих нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальной ткани, не подвергающейся облучению. Материал радиационного экрана 233 содержит по меньшей мере одно из экранирующего фотоны материала и экранирующего нейтроны материала, такого как экранирующий фотоны свинец (Pb) и экранирующий нейтроны полиэтилен (РЕ). Следует понимать, что главная часть может иметь другие конфигурации, при условии, что может быть получен пучок надтепловых нейтронов, необходимый для лечения. Мишень Т расположена между ускорителем 11 и узлом 20 формирования пучка, причем ускоритель 11 имеет передающую трубку 111, которая передает пучок заряженных частиц Р. В этом варианте осуществления передающая трубка 111 проникает в узел 20 формирования пучка в направлении пучка заряженных частиц Р и последовательно проходит через замедлитель 231 и отражатель 232. Мишень Т размещена в замедлителе 231 и расположена на конце передающей трубки 111 для получения лучшего качества нейтронного пучка. В этом варианте осуществления первая и вторая охлаждающие трубки D1 и D2 расположены между передающей трубкой 111 и замедлителем 231, а также между передающей трубкой 111 и отражателем 232, и один конец первой и второй охлаждающих трубок D1, D2 соответственно соединены с впуском охлаждения IN (не показан на фигурах) и выпуском охлаждения OUT (не показан на фигурах) мишени Т, другие концы подсоединены к внешнему источнику охлаждения (не показан на фигурах). Следует понимать, что первая и вторая охлаждающие трубки также могут быть по-другому расположены в узле формирования луча, и без них можно обойтись когда мишень размещается снаружи узла формирования луча.
Как показано на фиг. 4 и фиг. 5, рама 21 содержит первую стенку 211, замкнутую по окружности, окружающую главную ось X, и первую и вторую боковые пластины 221, 222, соответственно расположенные с двух сторон первой стенки 211 вдоль направления нейтронного пучка N и соединенные с первой стенкой 211. Первая боковая пластина 221 снабжена отверстием 2211 для прохождения передающей трубки 111. Вторая боковая пластина 222 снабжена отверстием 2221, которое формирует выход пучка. Вмещающая часть С замедлителя сформирована между первой стенкой 211 и первой и второй боковыми пластинами 221, 222. По меньшей мере часть отражателя и/или радиационного экрана также расположена внутри вмещающей части С. Вмещающая часть С содержит по меньшей мере один вмещающий блок С1-С3 (подробно описан ниже). Каждый вмещающий блок С1-С3 вмещает по меньшей мере один из замедлителя 231, отражателя 232 и радиационного экрана 233. По меньшей мере один вмещающий блок вмещает все, по меньшей мере, два из замедлителя, отражателя и радиационного экрана или вмещает все, по меньшей мере, из двух различных материалов. Замедлитель 231 содержит основную часть и вспомогательную часть, при этом основная часть и вспомогательная часть соответственно размещены в разных вмещающих блоках. Подразумевается, что в альтернативном варианте первая и вторая боковые пластины могут не использоваться, и первая стенка образует вокруг вмещающую часть.
Рама 21 дополнительно содержит первую поперечную пластину 223, расположенную между первой и второй боковыми пластинами 221, 222 в направлении нейтронного пучка N, вторую стенку 212, замкнутую по окружности вокруг главной оси X и проходящую между первой поперечной пластиной 223 и первой боковой пластиной 221, и третью стенку 213, замкнутую по окружности, окружающую главную ось X и проходящую от первой поперечной пластины 223 ко второй боковой пластине 222. Вторая стенка 212 радиально ближе к главной оси X, чем третья стенка 213, третья стенка 213 радиально расположена между первой стенкой 211 и второй стенкой 212, а первая поперечная пластина 223 проходит между второй стенкой 212 и третьей стенкой 213. Внутренняя поверхность второй стенки 212 и боковая стенка отверстия 2211 в первой боковой пластине 221 находятся на одной поверхности, а вторая стенка 212 образует монтажную часть передающей трубки 111, первой и второй охлаждающих трубок D1, D2 и т.п. Подразумевается, что первая поперечная пластина может проходить до первой стенки.
Рама 21 дополнительно содержит вторую поперечную пластину 224, расположенную между третьей стенкой 213 и второй боковой пластиной 222 в направлении нейтронного пучка N, четвертую стенку 214, замкнутую по окружности вокруг главной оси X и проходящую между второй поперечной пластиной 224 и второй боковой пластиной 222, и третью поперечную пластину 225, расположенную между второй поперечной пластиной 224 и второй боковой пластиной 222 и рядом со второй поперечной пластиной 224. Вторая поперечная пластина 224 проходит от первой стенки 211 до внутренней стороны третьей стенки 213. Четвертая стенка 214 радиально расположена между первой стенкой 211 и третьей стенкой 213, а внутренняя поверхность четвертой стенки 214 и боковая стенка отверстия 2221 во второй боковой пластине 222 находятся на одной поверхности, четвертая стенка 214 и отверстие 2221 во второй боковой пластине 222 совместно образуют выход пучка, а отверстие 2251 для прохождения нейтронного пучка N сформировано в третьей поперечной пластине 225. Третья стенка 213 радиально расположена между четвертой стенкой 214 и внутренней стенкой отверстия 2251 в третьей поперечной пластине 225, а внешняя стенка третьей поперечной пластины 225 расположена между внутренней поверхностью четвертой стенки 214 и внутренняя поверхность третьей стенки 213.
В этом варианте осуществления поперечные сечения первой, второй, третьей и четвертой стенок, перпендикулярные направлению главной оси X, все представляют собой круглые кольца, окружающие главную ось X, а первая, вторая, третья и четвертая стенки проходят параллельно главная ось X. Боковые пластины и поперечные пластины все представляют собой плоские пластины, проходящие перпендикулярно главной оси X. Подразумевается, что могут быть и другие настройки. Например, направление прохождения наклонено к главной оси. Рама может дополнительно содержать множество стенок, замкнутых по окружности, окружающих главную ось X, и множество поперечных пластин, расположенных между стенками, при этом может быть дополнительно предусмотрена для вмещения или поддержания других частей узла формирования балки.
Область от первой поперечной пластины 223 до третьей поперечной пластины 225 в направлении нейтронного пучка N, окруженная третьей стенкой 213, формирует первый вмещающий блок С1. Второй вмещающий блок С2 сформирован между первой стенкой 211, второй стенкой 212, третьей стенкой 213, первой боковой пластиной 221, первой поперечной пластиной 223 и второй поперечной пластиной 224. Третий вмещающий блок С3 образован между первой стенкой 211, четвертой стенкой 214, второй поперечной пластиной 224 и второй боковой пластиной 222.
Имеется блок 241 фторида магния, расположенный внутри первого вмещающего блока С1 в качестве основной части замедлителя 231. Блок 241 фторида магния содержит Li-6 и может также использоваться в качестве поглотителя тепловых нейтронов. Блок 241 фторида магния в целом является цилиндрическим и снабжен центральным отверстием 2411 на его торцевой поверхности, обращенной к первой боковой пластине 221. Центральное отверстие 2411 предусмотрено для вмещения передающей трубки 111, первой и второй охлаждающих трубок D1, D2, мишени Т и т.п. Центральное отверстие 2411 представляет собой цилиндрическое отверстие, боковая стенка 2411а центрального отверстия и внутренняя поверхность второй стенки 212 находятся на одной и той же поверхности. Радиальное расстояние L1 от второй стенки 212 до главной оси X меньше радиального расстояния L2 от третьей стенки 213 до главной оси X, так что основная часть замедлителя 231 окружает мишень Т. Таким образом, нейтроны генерируемые мишенью Т, могут эффективно замедляться во всех направлениях, тем самым дополнительно улучшая поток и качество пучка нейтронов. Предусмотрена свинцовая пластина 242 между блоком 241 фторида магния и третьей поперечной пластиной 225. Свинцовая пластина 242 служит фотонным экраном. Свинец может поглощать гамма-лучи, выпускаемые замедлителем. При этом толщина свинцовой пластины 242 в направлении нейтронного пучка N меньше или равна 5 см, так что нейтроны, проходящие через замедлитель, не отражаются. Подразумевается, что могут быть и другие настройки. Например, блок 241 фторида магния не содержит Li-6, и вместо этого поглотитель тепловых нейтронов из Li-6 расположен отдельно между блоком 241 фторида магния и третьей поперечной пластиной 225. Свинцовая пластина может и отсутствовать.
Предусмотрены блок 243 из алюминиевого сплава и свинцовый блок 244, расположенные внутри второго вмещающего блока С2. Блок 243 из алюминиевого сплава имеет поверхности, контактирующие со второй стенкой 212, третьей стенкой 213 и первой поперечной пластиной 223, так что блок 243 из алюминиевого сплава, как вспомогательная часть замедлителя 231, окружает основную часть замедлителя 231, расположенную внутри первого вмещающего блока С1. Блок 243 из алюминиевого сплава, в качестве вспомогательной части замедлителя 231, может снизить стоимость изготовления замедлителя, не оказывая относительно большого влияния на качество луча. Блок 245 РЕ соответствующей формы расположен внутри третьего вмещающего блока С3. В этом варианте осуществления радиационный экран 233 содержит нейтронный экран и фотонный экран. Блок 245 РЕ служит нейтронный экраном. Свинцовый блок 244 служит как отражателем 232, так и фотонным экраном. Подразумевается, что РЕ-блок может быть дополнительно расположен внутри второго вмещающего блока С2 в качестве нейтронного экрана.
Блок 241 фторида магния состоит из частей, что удобно с точки зрения контроля качества и регулировки интенсивности луча путем увеличения или уменьшения количества частей. В варианте осуществления, показанном на фиг. 4, когда блок 241 фторида магния заполнен, блок 241 фторида магния находится заподлицо с торцевой поверхностью блока 243 из алюминиевого сплава рядом со второй боковой пластиной 222, а свинцовая пластина 242 расположена вблизи торцевой поверхности блок 241 фторида магния радом со второй боковой пластиной 222 и находится в контакте с третьей поперечной пластиной 225. Когда количество плиток блока 241 фторида магния уменьшено, располагается позиционирующее кольцо 226 (показано на фиг. 5) между свинцовой пластиной 242 и третьей поперечной пластиной 225 для соответствующего дополнения. Подразумевается, что позиционирующее кольцо 226 может быть расположено и между блоком 241 фторида магния и свинцовой пластиной 242. Третья поперечная пластина 225 служит стопорным кольцом, а позиционирующее кольцо 226 также снабжено отверстием 2261, диаметр которого тот же, что и у стопорного кольца, и которое используется для прохождения нейтронного пучка N. Позиционирующие кольца 226 разной толщины могут быть расположены заранее для позиционирования блока 241 фторида магния. Материалы позиционирующего кольца 226 и стопорного кольца (третья поперечная пластина 225) представляют собой углеродные волокна и после активации нейтронами генерируют радиоактивный изотоп с относительно коротким периодом полураспада. Подразумевается, что позиционирующее кольцо и стопорное кольцо можно в альтернативном варианте заменить позиционирующими и стопорными элементами в других формах. Позиционирующий элемент может удобно регулировать размер замедлителя, тем самым регулируя поток нейтронного пучка, а после регулировки стопорный элемент может быстро и удобно реализовать герметизацию замедлителя.
Подразумевается, что в этом варианте осуществления РЕ, который служит нейтронным экраном, может быть заменен другим экранирующим нейтроны материалом; свинец, который служит фотонным экраном, можно заменить другим материалом, экранирующим фотоны; свинец, служащий отражателем, можно заменить другим материалом, обладающим высокой способностью отражать нейтроны; фторид магния, который служит основной частью замедлителя, может быть заменен другим материалом, имеющим поперечное сечение для взаимодействия в основном с быстрыми нейтронами, но практически не взаимодействующего с надтепловыми нейтронами; Li-6, который служит поглотителем тепловых нейтронов, может быть заменен другим материалом, имеющим поперечное сечение для взаимодействия в основном с тепловыми нейтронами; и алюминиевый сплав, который служит вспомогательной частью замедлителя, может быть заменен материалом, содержащим по меньшей мере одно из Zn, Mg, Al, Pb, Ti, La, Zr, Bi, Si или С. Выбор материала, который относительно легко получить, в качестве материала вспомогательной части, позволяет снизить производственные затраты на замедлитель, в создавая при этом определенный эффект замедления нейтронов и не оказывая относительно большого влияния на качество пучка.
Как показано на фиг. 6 и фиг. 7, дополнительно предусмотрен радиальный разделитель 210, который расположен в раме 21, причем плоскость, на которой расположен радиальный разделитель 210, проходит через главную ось X, так чтобы по окружности разделять второй вмещающий блок С2, по меньшей мере, на две подобласти, так что свинцовый блок и блок из алюминиевого сплава, расположенные внутри второго вмещающего блока С2, оба по окружности разделены по меньшей мере на два субмодуля. В этом варианте осуществления радиальный разделитель 210 расположен между первой боковой пластиной 221 и второй поперечной пластиной 224 и проходит от первой стенки 211 до второй стенки 212 или третьей стенки 213. Радиальные разделители 210 представляют собой четыре плоские пластины, равномерно распределенные по окружности. Разумеется, что может быть другое количество или другое расположение, либо радиальный разделитель может отсутствовать.
В этом варианте осуществления радиальный разделитель 210, первая поперечная пластина 223 и первая, вторая и третья стенки 211-213 объединены, служат в качестве основной рамы 21а, изготовлены из алюминиевого сплава, имеют хорошие механические свойства, после активируясь нейтронами генерируют радиоактивный изотоп, который имеет короткий период полураспада, и могут быть сформированы как единое целое при использовании процесса литья и поддерживающей формы. В качестве шаблона выбирается деревянная форма или алюминиевая форма, а в качестве песчаной сердцевины может быть выбран красный песок или смоляной песок. Традиционный в отрасли способ может быть выбран в качестве конкретного процесса. Поскольку отливка сопровождается наклоном для извлечения из формы, в соответствии с конструкцией и требованиями к качеству пучка при машинной обработке требуется полное удаление. Конструктивная форма и процесс литья наделяют рамную конструкцию такими преимуществами как хорошая целостность, высокая жесткость и высокая несущая способность. Учитывая ограничения обрабатывающего инструмента и концентрацию напряжений на прямоугольных кромках, все углы скруглены. В альтернативном варианте лист прокатывают и сваривают, или сначала выковывают цилиндр из алюминиевого сплава, затем цилиндр подвергают машинной обработке и придают ему форму. Вторая поперечная пластина 224 и четвертая стенка 214 объединены в качестве вторичной рамы 21b, изготовленной из композитного материала из углеродного волокна. Традиционный в отрасли способ может быть выбран в качестве конкретного процесса. Алюминиевый сплав и композитный материал из углеродного волокна после активации нейтронами генерируют радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада и низким уровнем излучения. Углеродные волокна используются в направлении выхода луча и по сравнению с алюминиевым сплавом имеют меньшую степень активации и более высокую прочность, а также обладают особым замедляющим действием. Основная рама 21а и вторичная рама 21b соединены болтом, и первое отверстие под винт единообразно проделано на торцевой поверхности третьей стенки 213, обращенной ко второй боковой пластине 222. Первое сквозное отверстие единообразно проделывается в соответствии с первым отверстием под винт на второй поперечной пластине 224. Болт проходит через первое сквозное отверстие и соединяется с первым отверстием под винт. С учетом монтажа стопорного кольца (третьей поперечной пластины 225), второе отверстие под винт единообразно предусмотрено на торцевой поверхности третьей стенки 213, обращенной ко второй боковой пластине 222. Положения второго отверстия под винт и первого отверстия под винт различаются. Второе сквозное отверстие предусмотрено в положении, соответствующем второму отверстию под винт на второй поперечной пластине 224. Третье сквозное отверстие выточено в стопорном кольце (третья поперечная пластина 225). Положение третьего сквозного отверстия соответствует второму сквозному отверстию. Болт последовательно проходит через третье сквозное отверстие и второе сквозное отверстие и соединяется со вторым отверстием по винт, так что стопорное кольцо (третья поперечная пластина 225) прикрепляется болтом к основной раме 21а. Подразумевается, что стопорное кольцо также может быть прикреплено к вторичной раме. Кроме того, проделывается четвертое сквозное отверстие в стопорном кольце (третья поперечная пластина 225). Четвертое сквозное отверстие имеет положение, соответствующее первому сквозному отверстию, и диаметр отверстия, который немного больше максимального радиального размера головки бота, соединяющего основную раму 21а и вторичную раму 21b, и предназначено для вмещения головки болта. Подразумевается, что четвертое сквозное отверстие в альтернативном варианте может быть глухим отверстием. С учетом сборки болта, диаметр отверстия первого сквозного отверстия немного больше диаметра отверстия первого отверстия под винт, а диаметры второго и третьего сквозных отверстий больше диаметра отверстия второго отверстия под винт. Количество первых отверстий под винт, первых сквозных отверстий, вторых отверстий под винт, вторых сквозных отверстий и третьих сквозных отверстий должно лишь удовлетворять прочности соединения. Подразумевается, что в качестве альтернативы вторичная рама, позиционирующее кольцо и стопорное кольцо могут быть исключены.
Первая и вторая боковые пластины 221, 222 изготовлены из сплава свинец-сурьма. Свинец может дополнительно экранировать радиацию. При этом сплав свинец-сурьма имеет относительно высокую прочность. Первая и вторая боковые пластины 221, 222 соединены с основной рамой болтами. Третьи отверстия под винт единообразно проделаны на торцевых поверхностях внутренней стенки основной рамы 21а, обращенной к первой и второй боковым пластинам, а четвертые сквозные отверстия единообразно проделаны в положениях, соответствующих третьим отверстиям под винт на первой и второй боковых пластинах 221, 222. С учетом сборки болтов, диаметр четвертого сквозного отверстия немного больше диаметра третьего отверстия под винт. Количество третьих отверстий под винты и четвертого сквозного отверстия должно лишь удовлетворять прочности соединения.
Подразумевается, что в этом варианте осуществления материалы основной рамы, вторичной рамы, боковых пластин, позиционирующего кольца и стопорного кольца должны лишь иметь определенную прочность и, после активации нейтронами, генерировать радиоактивные изотопы, которые имеют короткие периоды полураспада (например, менее 7 дней). Материал основной рамы лишь должен обладать свойствами, удовлетворяющими требованию поддержания узла формирования балки, и может быть, например, алюминиевым сплавом, титановым сплавом, сплавом свинца и сурьмы, сталью без кобальта, углеродными волокнами, ПЭЭК или высокомолекулярным полимером. В качестве альтернативы может быть использован другой способ соединения при условии, что стопорное кольцо и рама разъемно соединены друг с другом, чтобы облегчить регулировку и замену основной части замедлителя. Вторичная рама и боковые пластины соединены с основной рамой съемно или неразъемно. Когда используется разъемное соединение, соответствующие части основного корпуса могут быть легко заменены. В этом варианте осуществления рама и основной корпус узла формирования пучка могут в альтернативе иметь другую конструкцию.
Коллиматор 30 расположен сзади выхода пучка, пучок надтепловых нейтронов из коллиматора 30 облучает пациента 200 и, после прохождения через неглубокую нормальную ткань, замедляется до тепловых нейтронов и достигает опухолевой клетки М. Как показано на фиг. 4, в этом варианте осуществления коллиматор 30 и вторичная рама 21b закреплены посредством резьбового соединения, а четвертая стенка 214 вторичной рамы 21b образует монтажную часть коллиматора 30. Коллиматор 30 содержит фланец 31, окружающий главную ось X на концевой части рядом с узлом 20 формирования пучка. Наружная стенка фланца 31 имеет внешнюю резьбу (не показано на фигуре), а внутренняя стенка четвертой стенки 214 снабжена внутренней резьбой (не показано на фигуре), которая соответствует внешней резьбе. Подразумевается, что коллиматор 30 в качестве альтернативы может быть закреплен другими средствами соединения. В качестве альтернативы коллиматор 30 может быть исключен или заменен другой конструкцией. Пучок нейтронов из выхода пучка напрямую облучает пациента 200. В данном варианте осуществления экранирующее радиацию устройство 50 дополнительно размещено между пациентом 200 и выходом пучка, чтобы экранировать нормальную ткань облучаемого субъекта от облучения пучком из выхода пучка. Следует понимать, что экранирующее радиацию устройство 50 не может быть утилизировано.
Термин «цилиндрический» или «цилиндрический участок», используемый в настоящем описании вариантов осуществления изобретения, означает элемент, контур которого имеет по существу неизменную направленность от одной стороны к другой стороне вдоль проиллюстрированного направления. Одна из контурных линий может быть линейным сегментом, подобным соответствующему сегменту цилиндра, или может быть дугой высокой кривизны, приближенной к линейному сегменту, как соответствующая дуга сферы с высокой кривизной. Цельная поверхность контура может быть непрерывно соединена или нет, если поверхность цилиндра или сферы с высокой кривизной имеет множество выступов и канавок.
Хотя выше описаны иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, позволяющие специалисту в данной области техники понять сущность изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничивается рамками раскрытых вариантов осуществления. Для специалистов в данной области, до тех пор пока изменения находятся в пределах сущности изобретения и объема правовой охраны, определенного прилагаемой формулой изобретения, любые изменения будут очевидны и находиться в рамках правовых притязаний настоящего изобретения.