СИСТЕМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ НЕЙТРОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ И СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ
RADIATION DETECTION SYSTEM FOR NEUTRON CAPTURE THERAPY SYSTEM AND METHOD OF RADIATION DETECTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[1] В целом изобретение относится к радиационной системе детектирования, в частности к системе детектирования излучения в системе нейтрон-захватной терапии; изобретение также относится к методу детектирования излучения, в частности к методу детектирования излучения в системе нейтрон-захватной терапии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[2] С развитием атомной науки радиотерапия с использованием кобальта-60, линейных ускорителей, электронных пучков и т.п. стала одним из основных средств лечения рака. При этом традиционная фотонная или электронная терапия физические ограничения, относящиеся к радиоактивным лучам; например, при уничтожении опухолевых клеток будет повреждено большого количество нормальных тканей на пути излучения. С другой стороны, опухолевые клетки имеют существенно разную чувствительность к радиации, поэтому в большинстве случаев традиционная радиотерапия не является достаточно эффективной для лечения радиоустойчивых злокачественных опухолей (таких как мультиформная глиобластома и меланома).
[3] С целью уменьшения радиационного повреждения нормальных тканей вокруг опухолей в радиотерапии в химиотерапии была применена целевая терапия. При этом для опухолевых клеток с высокой радиоустойчивостью теперь также разработаны радиационные источники с высокой биологической эффективностью (RBE), такие как протонная терапия, терапия с использованием тяжелых частиц, нейтрон-захватная терапия. Среди них нейтрон-захватная терапия является комбинацией целевой терапии и RBE, такой как бор-нейтронозахватная терапия (Boron Neutron Capture Therapy, BNCT). Благодаря особой группировке борсодержащих препаратов в опухолевых клетках и точной регулировке нейтронного пучка BNCT обеспечивает лучший эффект при лечении рака в сравнивании с традиционной радиотерапией.
10
4
7
10
7
10
7
[4] Терапия BNCT использует тот эффект, что содержащие бор (В) лекарственные препараты имеют высокое сечение захвата нейтронов и производит тяжелые заряженные частицы Не и Li посредством захвата нейтронов B(n,α)Li и реакции ядерного деления. Как проиллюстрировано на фиг. 1 и 2, содержащих, соответственно, схематичное изображение терапии BNCT и уравнение ядерной реакции для захвата нейтронов B(n,α) Li, эти две заряженных частицы, со средней энергией около 2.33 МэВ, имеют характеристики линейной передачи энергии (linear energy transfer, LET) и малого радиуса действия. LET и радиус действия α частиц составляют, соответственно, 150 кэВ/мкм и 8 мкм, а у тяжелых заряженных частиц 7Li, соответственно, 175 кэВ/мкм и 5 мкм, при этом общий радиус действия двух частиц достигает приблизительно размера одной ячейки. Таким образом, радиационное повреждение живых организмов может быть сведено к клеточному уровню. Когда борсодержащие лекарственные препараты избирательно собраны в опухолевых клетках, будет выполняться локальное уничтожение только опухолевых клеток посредством подходящего источника нейтронов по месту без значительного повреждения нормальной ткани.
[5] Детектирование пучка и диагностика, напрямую связанная с дозой и эффектом лучевой терапии, являются важным аспектом системы нейтрон-захватной терапии. Из уровня техники известна, например, система нейтрон-захватной терапии, в которой золотая проволока заранее прикрепляется к облучаемому телу для определения пучка нейтронов, и эту золотую проволоку удаляют в ходе излучения пучка нейтронов, потом определяют количество радиации золотой проволоки, из чего определяют дозу радиации пучка нейтронов во время облучения. При этом системой нейтрон-захватной терапии управляют (например, останавливают) согласно определенной дозе радиации, чтобы пучок нейтронов облучал облучаемое тело в соответствии с запланированной дозой радиации. Вместе с тем к этому времени, если уровень дозы радиации пучка нейтронов немного изменился по определенным причинам после того, как было определено количество радиации золотой проволоки, на это изменение невозможно отреагировать в полной степени, однако может возникнуть неудобство, состоящее в затруднении облучить облучаемое тело пучком нейтронов так, чтобы соблюсти запланированную дозу радиации. То есть в вышеупомянутой системе нейтрон-захватной терапии доза радиации пучка не может быть детектирована в реальном времени, и невозможно быстро определить источник неисправности в случае поломки устройств детектирования, поэтому проверка неисправностей отнимает много времени и усилий.
[6] Таким образом, необходимо создать систему детектирования излучения для системы нейтрон-захватной терапии и соответствующий способ детектирования, способные повысить точность дозы радиации и своевременно выявлять местоположение неисправности.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[7] В данном описании раскрывается система детектирования излучения для системы нейтрон-захватной терапии, причем система детектирования излучения позволяет повысить точность дозы радиации нейтронного пучка в системе нейтрон-захватной терапии и своевременно выявлять местоположение неисправности. Система нейтрон-захватной терапии содержит пучок заряженных частиц, вход пучка заряженных частиц, обеспечивающий возможность прохождения пучка заряженных частиц, модуль нейтронной генерации, выполненный с возможностью генерации нейтронного пучка после осуществления ядерной реакции между частью нейтронной генерации и пучком заряженных частиц, формирователь пучка, предназначенный для регулировки потока и качества нейтронного пучка, генерируемого модулем нейтронной генерации, и выход пучка, примыкающий к формирователю пучка, при этом система детектирования излучения содержит устройство детектирования излучения, выполненное с возможностью детектирования в реальном времени γ-лучей, мгновенно испускаемых при излучении нейтронного пучка.
[8] Эти γ-лучи, мгновенно испускаемые при излучении нейтронного пучка представляют собой γ-лучи, генерируемые во время ядерной реакции между нейтронным пучком и другими элементами, причем другие элементы не ограничиваются только бором-10, и могут к ним можно отнести и другие хорошо известные специалистам элементы, способные генерировать γ-лучи, когда происходит ядерная реакция нейтронного захвата. В одном из вариантов осуществления изобретения γ-лучи, мгновенно испускаемые при излучении нейтронного пучка представляют собой γ-лучи, генерируемые во время реакции бор-нейтронного захвата между нейтронным пучком с бором-10.
[9] Система детектирования излучения также содержит устройство управления, которое на основе результата детектирования от устройства детектирования излучения испускает воспринимаемый человеком сигнал, чтобы подтвердить следующую операцию системы нейтрон-захватной терапии. Воспринимаемый человеком сигнал может представлять собой сигнал, воспринимаемый такими органами человека как слуховые, зрительные, осязательные или обонятельные, и может иметь форму одного или нескольких из таких различных сигналов как звуковая сирена, световая сигнализация, вибрация и резкий запах.
[10] Система нейтрон-захватной терапии также содержит ускоритель, предназначенный для ускорения пучка заряженных частиц, устройство управления содержит блок управления и дисплейный блок, причем блок управления демонстрирует результат детектирования системы детектирования излучения посредством дисплейного блока и подает результат детектирования обратно в ускоритель, чтобы подтвердить следующую операцию ускорителя, при этом дисплейный блок может быть телевизором, жидкокристаллическим дисплеем или другим обычным дисплейным устройством.
[11] Устройство детектирования излучения представляет собой делительную камеру или сцинтилляционный детектор для детектирования γ-лучей, и система детектирования излучения вычисляет величину концентрации бора с посредством детектированного сигнала γ.
[12] Обычная система детектирования излучения, способная к детектированию в реальном времени, имеет два разных принципа детектирования: делительная камера и сцинтилляционный детектор. При детектировании γ-лучей, один из подходов может быть применение делительной камеры, представляющей собой надувную делительную камеру, а другой подход моет состоять в применении сцинтилляционного детектора.
[13] Концентрация бора может быть рассчитана по формуле А:
[15] где B(t) это концентрация бора во время t, единицей B(t) является ppm (миллионная доля), единицей времени t является секунда, k это измеренная величина, GC(t) это величина, полученная после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны, детектированного во время t, причем k может быть рассчитан по формуле В:
0
0
0
0
0
[17] где B(t) является концентрацией бора во время to, единицей B(t) является ppm, единицей времени t является секунда, GC(t) это величина, полученная после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны во время t, при этом B(to) может быть рассчитан по формуле С:
blood
0
0
0
T/N
[19] где B(t) это величина концентрации бора в крови во время t, единицей B(t) является ppm; R это отношение концентрации бора в опухоли, которая может быть получена на основе ПЭТ (PET) или экспериментальных данных или на теоретической основе, к концентрации бора в нормальной ткани.
[20] Для корректной оценки, какое из устройств детектирования или мониторинга вышло из строя, когда указанные ниже величины детектирования и стандартные величины имеют существенное различие, соответствующее устройство детектирования или устройства мониторинга может быть отнесено к неработоспособным.
[21] Уровень дозы опухоли во время t может быть рассчитан по формуле D:
T
B
n
n
γ
γ
B
[23] где единицей D(t) является взвешенный Гр/с (английское написание w-Gy/s), D(t) это уровень дозы бора во время t, единицей DT(t) является взвешенный Гр/с; D(t) это уровень нейтронной дозы во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с; D(t) это уровень фотонной дозы во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, при этом D(t) может быть рассчитан по формуле Е:
n
[25] D(t) может быть рассчитан по формуле F:
γ
[27] D(t) может быть рассчитан по формуле G:
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
n
n
n,ref
blood
blood
blood,ref
blood,ref
blood
blood,ref
[29] где D, D, D и D это, соответственно, заданная эталонная величина или уточненная эталонная величина уровня дозы бора, заданная эталонная величина уровня нейтронной дозы, заданная эталонная величина уровня дозы фотонов, генерируемых при реакции небор-нейтронного захвата, и заданная эталонная величина дозы фотонов, генерируемых при реакции бор-нейтронного захвата в системе планового лечения, причем единицей D, D, D и D является взвешенный Гр/с; S(t) представляет собой показания интенсивности нейтронного пучка устройства нейтронного мониторинга во время t, при этом единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения; S это заданная величина или уточненная заданная величина интенсивности нейтронного пучка в системе планового лечения; B(t) это величина концентрации бора измеряемого образца крови во время t, при этом единицей B(t) является ppm; B это заданная величина концентрации бора или уточненная заданная величина концентрации бора в системе планового лечения, при этом единицей B является ppm; и f(B(t),B) это набор функций, предварительно вычисленных согласно плану лечения, чтобы скорректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли.
[30] Формирователь пучка содержит отражатель, замедлитель, окруженный отражателем и примыкающий к модулю нейтронной генерации, термальный поглотитель нейтронов, примыкающий к замедлителю, противорадиационный экран, размещенный внутри формирователя пучка.
[31] В настоящем описании раскрыт также метод детектирования излучения в системе нейтрон-захватной терапии, позволяющий повысить точность дозы радиации нейтронного пучка системы нейтрон-захватной терапии и своевременно выявить местоположение неисправности. Система нейтрон-захватной терапии содержит пучок заряженных частиц, вход пучка заряженных частиц, выполненный с возможностью прохождения пучка заряженных частиц, модуль нейтронной генерации, выполненный с возможностью генерировать нейтронный пучок после осуществления ядерной реакции между модулем нейтронной генерации и пучком заряженных частиц, формирователь пучка, предназначенный для регулировки потока и качества нейтронного пучка, генерируемого модулем нейтронной генерации, выход пучка, примыкающий к формирователю пучка, и систему детектирования излучения, при этом модуль нейтронной генерации может размещаться в формирователе пучка; система детектирования излучения устройство детектирования излучения, и способ детектирования содержит этап детектирования, осуществляемый путем детектирования γ-лучей, мгновенно испускаемых при излучении нейтронного пучка, в реальном времени посредством устройства детектирования излучения.
[32] Метод детектирования содержит этап управления, который может быть осуществлен путем управления следующей операцией системы нейтрон-захватной терапии на основании результата детектирования, полученного на этапе детектирования.
[33] Дополнительно система нейтрон-захватной терапии содержит ускоритель, предназначенный для ускорения заряженного пучка частиц, и этап управления может быть осуществлен путем управления ускорителя так, чтобы подтвердить следующую операцию ускорителя на основе результата детектирования, полученного на этапе детектирования.
[34] Устройство управления содержит дисплейный блок, и способ детектирования дополнительно содержит этап демонстрации, который может быть осуществлен путем демонстрации результата детектирования, полученного на этапе детектирования, посредством дисплейного блока.
[35] Способ детектирования содержит процесс вычисления, который может быть осуществлен путем подсчета величины концентрации бора на основе результата детектирования, полученного на этапе детектирования.
[36] Величина концентрации бора может быть рассчитана по формуле А:
[38] где B(t) это концентрация бора во время t, причем единицей B(t) является ppm, единицей времени t является секунда, k это измеренная величина, GC(t) это величина после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны, детектированного во время t, при этом k может быть рассчитан по формуле В:
o
0
0
o
0
o
o
[40] где B(t) это концентрация бора во время t, причем единицей B(t) является ppm, единицей времени t является секунда, GC(t) это величина после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны во время t, причем B(t) может быть рассчитан по формуле С:
blood
o
o
blood
o
T/N
[42] где B(t) это концентрация бора в крови, измеренная во время t, причем единицей B(t) является ppm, a R это отношение концентрации бора в опухоли, которая может быть получена на основе ПЭТ, экспериментальных данных или на теоретической основе, к концентрации бора в нормальной ткани.
[43] Для корректной оценки, какое из устройств детектирования или мониторинга вышло из строя, когда указанные ниже величины детектирования и стандартные величины имеют существенное различие, соответствующее устройство детектирования или устройства мониторинга может быть отнесено к неработоспособным.
[44] Коэффициент дозы опухоли во время t может быть рассчитан по формуле D:
T
B
B
n
n
γ
γ
B
[46] где единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень дозы бора во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень нейтронной дозы во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень фотонной дозы во время t, причем единицей D(t) является взвешенный Гр/с, при этом D(t) может быть рассчитан по формуле Е:
n
[48] D(t) может быть рассчитан по формуле F:
γ
[50] D(t) может быть рассчитан по формуле G:
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
n
n
n,ref
blood
blood
blood,ref
blood,ref
blood
blood,ref
[52] где D, D, D и D это, соответственно, заданная эталонная величина или уточненная эталонная величина уровня дозы бора, заданная эталонная величина уровня нейтронной дозы, заданная эталонная величина уровня дозы фотонов, генерируемых при реакции небор-нейтронного захвата, и заданная эталонная величина дозы фотонов, генерируемых при реакции бор-нейтронного захвата в системе планового лечения, причем единицей D, D, D и D является взвешенный Гр/с; S(t) это показание интенсивности нейтронного пучка устройства нейтронного мониторинга во время t, при этом единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения; S это заданная величина или уточненная заданная величина интенсивности нейтронного пучка в системе планового лечения; B(t) это величина концентрации бора измеряемого образца крови во время t, при этом единицей B(t) является ppm; B это заданная величина концентрации бора или уточненная заданная величина концентрации бора в системе планового лечения, при этом единицей B является ppm; и f(B(t),B) это набор функций, предварительно вычисленных согласно плану лечения, чтобы скорректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли.
[53] Доза опухоли во время t может рассчитываться по формуле Н:
B
B
[55] где S(t) это показание устройства детектирования излучения во время t, причем единицей SB(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения, при этом S(t) рассчитывается по формуле I, а С может быть рассчитано по формуле J:
NB,ref
BG
n
o
o
n
o
blood
o
o
blood
o
blood
o
blood,ref
B
o
B
o
[58] где N это эталонная величина числа событий реакции бор-нейтронного захвата в плане лечения; K это поправка к фону, σ это эффективность детектирования устройства детектирования излучения, S(t) это показание интенсивности нейтронного пучка устройства нейтронного мониторинга во время t, причем единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения; B(t) это величина концентрации бора в измеряемом образце крови во время t, причем единицей B(t) является ppm; f(B(t),B) это набор функций, предварительно вычисленных согласно плану лечения, чтобы скорректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли; и S(t) является показанием, установленным на начальной стадии облучения, устройства нейтронного мониторинга, причем единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[59] Фиг. 1 - схематическое изображение реакции бор-нейтронного захвата.
10
7
[60] Фиг. 2 - формула ядерной реакции захвата нейтронов B(n,α) Li.
[61] Фиг. 3 - вид в плане примера системы диагностики пучка для системы нейтрон-захватной терапии согласно нижеследующему описанию.
[62] Фиг. 4 - логическая схема системы диагностики пучка для системы нейтрон-захватной терапии с Фиг. 3.
[63] Фиг. 5 - также вид в плане примера другого примера первого устройства мониторинга нейтронного пучка в системе диагностики пучка.
[64] Фиг. 6 - вид в плане системы детектирования излучения, предназначенной для детектирования γ-лучей, мгновенно испускаемых при излучении нейтронных пучков, в системе диагностики пучка.
[65] Фиг. 7 - пример графика функциональной зависимости между концентрацией бора и дозой опухоли.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
7
7
9
9
[66] В последние годы нейтрон-захватная терапия (NCT) широко практикуется в качестве эффективного средства лечения рака, и BNCT является наиболее распространенной терапией. Нейтроны для NCT могут поступать от ядерных реакторов или ускорителей. Если взять в качестве примера терапию AB-BNCT, к ее принципиальным компонентам относятся, в целом, ускоритель для ускорения заряженных частиц (таких как протоны и дейтроны), мишень, система отвода тепла и формирователь пучка. Ускоренные заряженные частицы взаимодействуют с металлической мишенью для получения нейтронов, и подходящие ядерные реакции всегда определяются в соответствии с такими характеристиками как желаемые нейтронный выход и энергия, доступная энергия ускоренных заряженных частиц, а также ток и материализация металлической мишени, среди которых наиболее обсуждаемыми двумя являются Li(p,n)Be и Ве(р,n)В, причем обе представляют собой эндотермические реакции. Их энергетические пороги составляют 1.881 МэВ и 2.055 МэВ, соответственно. Эпитермальные нейтроны с уровнем энергии кэВ рассматриваются как идеальные источники нейтронов для BNCT. Теоретически, бомбардировка литиевой мишени с использованием протонов с энергией лишь немного выше указанных порогов позволяет получать нейтроны с относительно низкой энергией, которые могут быть клинически использованы без особого замедления. Однако, литий (Li) и бериллий (Be), а также протоны с пороговой энергией не демонстрируют высокой эффективности поперечного сечения. Чтобы получить достаточные потоки нейтронов, для запуска ядерных реакций обычно выбирают протоны с высокой энергией.
[67] Мишень, если она совершенна, должна отличаться высоким выходом нейтронов, распределением полученной энергии нейтронов вблизи диапазона эпитермальных нейтронов (подробности описаны ниже), по существу полным отсутствием радиации сильного проникновения, безопасностью, малой стоимостью, легкой доступностью, высокой температурной стойкостью и т.д. Однако в реальности ни одна ядерная реакция не может удовлетворить всем требованиям. Мишень описанных здесь вариантах осуществления изобретения выполнена из лития. Однако, как хорошо известно специалистам в данной области техники, мишень можно сделать также и из других материалов, отличных от вышеупомянутых.
7
7
9
9
7
7
[68] Требования к системе отвода тепла различаются в зависимости от выбранных ядерных реакций. Li(p,n)Be имеет более высокие требования, чем Ве(р,n)В, вследствие низкой точки плавления и малого коэффициента теплопроводности металлической (литиевой) мишени. В описанных здесь вариантах используется Li(p,n)Be.
[69] Вне зависимости от того, являются ли источники нейтронов для BNCT ядерным реактором или ядерными реакциями между заряженными ускорителем частицами и мишенью, в результате создаются только поля смешанного излучения, то есть, пучки содержат нейтроны и фотоны, имеющие значения энергии от низких до высоких. Что касается выполнения BNCT в глубине опухолей, за исключением эпитермальных нейтронов, чем больше остаточное количество излучения, тем больше пропорция осаждения неселективной дозы в нормальных тканях. Соответственно, следует в максимальной степени снижать излучение, приводящее к получению необязательной дозы облучения. Помимо факторов качества воздушных пучков, дозу вычисляют, используя протез дозы головы человека, чтобы понять как доза нейтронов распределяется в теле человека. Факторы качества пучка, полученные с помощью протеза, используют впоследствии в качестве базовых для проектирования нейтронных лучей, о чем более подробно пойдет речь ниже.
[70] Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) выпустило пять рекомендаций по факторам качества воздушных пучков для клинических источников нейтронов в BNCT. Данные рекомендации, которые могут использоваться для дифференциации источников нейтронов и в качеств основы для выбора путей производства нейтронов и проектирования установки формирования пучка, заключаются в следующем:
2
[71] Поток эпитермальных нейтронов >1×109 n/cms.
2
[72] Загрязнение быстрыми нейтронами <2×10-13 Gy-cm/n.
[73] Загрязнение фотонами <2×10-13 Gy-cm2/n.
[74] Соотношение между потоками тепловых и эпитермальных нейтронов <0.05.
[75] Соотношение тока эпитермальных нейтронов к потоку >0.7.
[76] Примечание: энергия эпитермальных нейтронов находится в диапазоне между 0.5 эВ и 40 кэВ, энергия тепловых нейтронов находится в диапазоне ниже 0.5 эВ, а энергия быстрых нейтронов находится в диапазоне выше 40 кэВ.
[77] 1. Поток эпитермальных нейтронов:
9
[78] Поток нейтронов и концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов по месту опухоли определяют время клинической терапии. Если концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов по месту опухоли достаточно высока, потоку эпитермальных нейтронов может быть уменьшен. Напротив, если концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов по месту опухоли находится на низком уровне, требуется, чтобы эпитермальные нейтроны в потоке высоко эптиермальных нейронов обеспечивали поступление остаточных доз в опухоли. По стандарту МАГАТЭ в отношении потока эпитермальных нейтронов число эпитермальных нейтронов составляет более 10 на квадратный сантиметр в секунду. С таким потоком нейтронных лучей лечение с использованием борсодержащих фармацевтических препаратов может быть проведено менее, чем за час. Таким образом, кроме того, что пациенты оказываются в выгодном положении и чувствуют себя более комфортно вследствие сокращения времени лечения, может эффективно использоваться ограниченное время нахождения борсодержащих фармацевтических препаратов опухоли.
[79] 2. Загрязнение быстрыми нейтронами
-13
2
[80] Ненужная доза, подаваемая на нормальные ткани быстрыми нейтронами, рассматривается как загрязнение. Данная доза демонстрирует положительную корреляцию с энергией нейтронов, поэтому количество быстрых нейтронов в пучках нейтронов должно быть снижено в максимально возможной степени. Доза быстрых нейтронов на единицу потока эпитермальных нейтронов определяется как загрязнение быстрыми нейтронами, которое согласно МАГАТЭ должно быть меньше, чем 2×10 Gy-cm/n.
[81] 3. Фотонное загрязнение (загрязнение гамма-излучением)
-13
2
[82] Гамма-излучение с дальним проникновением придет к избирательному осаждению дозы во всех тканях на путях луча, поэтому уменьшение количества гамма-излучения является исключительным требованием при проектировании нейтронного пучка. Доза гамма-излучения на единицу, сопровождающая поток эпитермальных нейтронов, определяется как загрязнение гамма-излучением, которое согласно МАГАТЭ имеет рекомендуемое значение менее, чем 2×10 Gy-cm/n.
[83] 4. Соотношение между потоком тепловых и эпитермальных нейтронов
[84] Тепловые нейтроны имеют настолько быструю скорость ослабления и малую проникающую способность, что после вхождения в тело их энергия по большей части остается в кожных тканях. За исключением кожных опухолей, таких как меланоцитома, когда тепловые нейтроны служат источниками нейтронов для BNCT в других случаях, например, при опухолях мозга, количество тепловых нейтронов необходимо уменьшить. Согласно рекомендациям МАГАТЭ соотношение потока теплых и эпитермальных нейтронов должно быть меньше, чем 0,05.
[85] 5. Соотношение тока и потока эпитермальных нейтронов
[86] Соотношение тока эпитермальных нейтронов к потоку отвечает за направление луча, чем больше это отношение, тем выше прямая направленность нейтронных лучков, при этом улучшение прямой направленности нейтронных лучков позволяет сократить дозу в окружающих нормальных тканях, обусловленную рассеянием нейтронов. В дополнение может быть улучшена глубина лечения, а также положение при позиционировании. Согласно МАГАТЭ рекомендуемое соотношение тока эпитермальных нейтронов к потоку больше, чем 0,7.
[87] Факторы качества луча на протезе получают благодаря распределению дозы в ткани, полученной протезом в соответствии с кривой зависимости дозы от глубины в случае нормальной ткани и опухолей. Следующие три параметра могут быть использованы для сравнения эффективности лечения различных нейтронных пучков.
[88] Эффективная глубина
[89] Доза опухоли равна глубине максимальной дозы нормальной ткани. Доза опухолевых клеток в местоположении далее этой глубины меньше максимальной дозы нормальных тканей, то есть теряются преимущества бор-нейтронного захвата. Эффективная глубина указывает проникающую способность нейтронных пучков. Расчет идет в сантиметрах, чем больше эффективная глубина, тем больше глубина лечения опухоли.
[90] 2. Уровень дозы на эффективной глубине
[91] Уровень дозы на эффективной глубине это уровень дозы опухоли на эффективной глубине, который также равен максимальному уровню дозы нормальной ткани. Он может влиять на продолжительность терапии, поскольку общая доза на нормальной ткани является фактором, способным влиять на общую дозу, направляемую на опухоли. Чем он выше, тем короче время облучения для подачи определенной дозы на опухоли, расчет идет в сГр/мА⋅мин (Gy/mA-min).
[92] 3. Эффективное отношение
[93] Отношение средней дозы, полученной опухолями и нормальной тканью с поверхности головного мозга, к эффективной глубине называют эффективным отношением. Среднее отношение может быть вычислено с использованием криволинейного интеграла зависимости дозы от глубины. Чем выше эффективное отношение, тем выше терапевтический эффект нейтронного пучка
[94] В качестве сравнительно эталона для проектирования оборудования формирования пучка также предлагаются следующие параметры для оценки выраженных преимуществ и недостатков нейтронных пучков в вариантах осуществления настоящего изобретения, помимо факторов качества воздушного пучка согласно МАГАТЭ и вышеупомянутых параметров:
[95] 1. Время облучения ≤30 мин. (ток протонов для ускорителя 10 мА)
[96] 2. 30.0RBE-Gy глубинаалечения = 7 см
[97] 3. Максимальная доза опухоли ≥60.0RBE-Гр
[98] 4. Максимальная доза нормальной мозговой ткани ≤12.5RBE-Гр
[99] 5. Максимальная доза кожи ≤11.0RBE-Гр
[100] Примечание: аббревиатура RBE обозначает относительную биологическую эффективность. Поскольку протоны и нейтроны демонстрируют разную биологическую эффективность, для получения эквивалентной дозы вышеупомянутые дозы следует умножить на RBE различных тканей.
[101] Как показано на фигурах 3 и 4, одним из аспектов настоящего изобретения является повышение точности дозы облучения нейтронным пучком для системы нейтрон-захватной терапии и создание системы диагностики пучка, которая может использоваться в системе нейтрон-захватной терапии для осуществления диагностики неисправностей. Одним из технических решений является система диагностики пучка для системы нейтрон-захватной терапии.
[102] Система нейтрон-захватной терапии содержит ускоритель 10, устройство 20 расширения пучка, вход пучка заряженных частиц для прохождения пучка Р заряженных частиц, пучок Р заряженных частиц, модуль Т нейтронной генерации, генерирующий пучок N нейтронов посредством ядерной реакции с пучком Р заряженных частиц, формирователь 30 пучка для регулировки потока пучка и качества нейтронов, генерируемых модулем Т нейтронной генерации, выход 40 пучка, примыкающий к формирователю 30 пучка, подлежащий облучению объект 50, облучаемый пучком, испускаемым из выхода 40 пучка, и охлаждающее устройство 60 для нанесения охлаждающей среды на модуль Т нейтронной генерации для охлаждения модуля Т нейтронной генерации. Ускоритель 10 используется для ускорения пучка Р заряженных частиц и может быть ускорителем, подходящим для акселераторной системы нейтрон-захватной терапии, таким как циклотрон или линейный ускоритель. Здесь пучок Р заряженных частиц является протонным пучком. Устройство 20 расширения пучка расположено между ускорителем 10 и модулем Т нейтронной генерации. Вход пучка заряженных частиц примыкает к модулю Т нейтронной генерации и помещен в формирователь 30 пучка. Три стрелки между модулем Т нейтронной генерации и устройством расширителя пучка на фиг. 3 обозначают вход пучка заряженных частиц. Модуль Т нейтронной генерации размещен в формирователе 30 пучка. Здесь модуль Т нейтронной генерации представляет собой литиевый металл. Формирователь 30 пучка содержит отражатель 31, замедлитель 32, окруженный отражателем 31 и примыкающий к модулю Т нейтронной генерации, поглотитель 33 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 32, противорадиационный экран 34, расположенный внутри формирователя 30 пучка. Модуль Т нейтронной генерации и пучок Р заряженных частиц, испускаемый из входа пучка заряженных частиц, осуществляют ядерную реакцию, генерируя пучок N нейтронов. Пучок нейтронов задает основную ось, замедлитель 32 снижает скорость нейтронов, генерируемых модулем Т нейтронной генерации в область энергий эпитермальных нейтронов, отражатель 31 направляет нейтроны, отклонившиеся от основной оси, обратно к основной оси, чтобы повысить интенсивность пучка эпитермальных нейтронов, при этом поглотитель 33 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов во избежание воздействия чрезмерных доз на нормальные ткани поверхностного слоя в ходе терапии, при этом противорадиационный экран 34 используется для экранирования просочившихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу нормальной ткани необлучаемой области. Выход 40 пучка может также называться модулем сведения нейтронного пучка или коллиматором, который уменьшает ширину нейтронных пучков для собирания нейтронных пучков. Нейтронные пучки, испускаемые из выхода 40 пучка облучают целевой участок подлежащего облучению объекта 50.
[103] Система диагностики пучка содержит устройство диагностики пучка заряженных частиц и устройство диагностики пучка нейтронов, причем система диагностики пучка используется для одновременной диагностики, является ли неисправной система нейтрон-захватной терапии и/или система диагностики пучка. Система диагностики пучка повышает точность дозы облучения нейтронным пучком путем детектирования одновременно пучка заряженных частиц и нейтронного пучка. Кроме того, система диагностики пучка используется для оценки, какие устройства и/или компоненты системы нейтрон-захватной терапии неисправны, для чего используется ряд результатов детектирования, или для оценки, не является ли неисправным устройство детектирования в системе диагностики пучка. Таким образом, достигается не только улучшение точности дозы облучения пучка нейтронов, но и значительное сокращение времени и стоимости технического обслуживания.
[104] Устройство диагностики пучка заряженных частиц дополнительно содержит первое устройство 100 детектирования тока для детектирования интенсивности и стабильности пучка Р заряженных частиц перед вхождением во вход пучка заряженных частиц и второе устройство 200 детектирования тока для детектирования интенсивности и изменения ситуации пучка Р заряженных частиц, взаимодействующего с модулем Т нейтронной генерации; система диагностики пучка дополнительно содержит устройство 300 детектирования температуры для детектирования температуры охлаждающего устройства 60, так чтобы отслеживать состояние охлаждающего устройства 60 и формирующий пучок N нейтронов модуль Т нейтронной генерации; устройство диагностики пучка нейтронов дополнительно содержит первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов, используемое для детектирования изменения интенсивности и пространственного распределения пучка N нейтронов в формирователе 30 пучка и встроенное в формирователь 30 пучка, и второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов, используемое для детектирования изменения интенсивности и пространственного распределения пучка N нейтронов на выходе 40 пучка и встроенное на выходе 40 пучка; при этом система диагностики пучка дополнительно содержит устройство 600 детектирования смещения 600 для диагностики, сместился ли подлежащий облучению объект 50. Первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов может быть снабжено двумя элементами мониторинга пучка нейтронов, а именно, первым элементом 401 мониторинга пучка нейтронов и вторым элементом 402 мониторинга пучка нейтронов; второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов 500 может быть снабжено двумя элементами мониторинга пучка нейтронов, а именно, третьим элементом 51 мониторинга пучка 501 и четвертым элементом 502 мониторинга пучка нейтронов; устройство 600 детектирования смещения может быть снабжено двумя элементами детектирования смещения, а именно, первым элементом 601 детектирования смещения и вторым элементом 602 детектирования смещения.
[105] Хотя согласно данному описанию первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов, второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов и устройство 600 детектирования смещения снабжены по отдельности двумя соответствующими элементами мониторинга/детектирования, специалистам в данной области техники хорошо известно, что количество данных элементов мониторинга/детектирования может быть выбрано по необходимости. Например, может быть четыре, шесть или восемь элементов мониторинга/детектирования. Если элемент элементов мониторинга пучка нейтронов внедрен в формирователь пучка (или вблизи формирователя пучка) и/или на выходе пучка (или вблизи выхода пучка) и может использоваться для определения интенсивности и пространственного распределения пучка нейтронов, этот элемент мониторинга пучка нейтронов может быть выбран для использования. Если элемент детектирования смещения размещен в подлежащем облучению объекте (или вблизи подлежащего облучению) и может использоваться для детектирования смещения подлежащего облучению объекта, этот элемент может быть выбран для использования. При этом положения размещения элементов мониторинга/детектирования не имеют строгого ограничения. Требуется лишь выбрать такие положения для размещения устройства мониторинга/детектирования, чтобы обеспечить соответствующие функции детектирования.
[106] Посредством указанных установок различные устройства детектирования располагаются от источника ускорителя до терминала подлежащего облучению объекта. Устройства детектирования используются для оценки, является ли неисправным каждый ключевой компонент системы нейтрон-захватной терапии или сами устройства детектирования. Устройства детектирования могут располагаться от источника ускорителя до терминала подлежащего облучению объекта таким образом, что одно устройство детектирования находится в области вакуумной трубки в области источника ускорителя, одно устройство детектирования находится в области модуля нейтронной генерации, одно устройство детектирования находится в области охлаждающего устройства, примыкающего к модулю нейтронной генерации и используемого для охлаждения модуля нейтронной генерации, одно устройство детектирования находится в формирователе пучка, одно устройство детектирования находится в области выхода пучка, и одно устройство детектирования находится в области подлежащего облучению объекта.
-9
[107] В данном описании первое устройство 100 детектирования тока является чашей Фарадея, представляющей собой чашеобразный металлический вакуумный детектор для измерения интенсивности падающего излучения и стабильности пучка заряженных частиц, при этом измеренный ток может быть использован для определения количества пучков заряженных частиц. Когда пучок заряженных частиц входит в чашу Фарадея, генерируется ток. Полученный однозарядный пучок заряженных частиц рассчитывается по ФОРМУЛЕ 1, где N это количество заряженных частиц, t это время (в секундах), I это измеренный ток (в амперах), е это элементарны заряд (около 1,60 × 10-19 кулон). Можно посчитать, что если измеренный ток равен 10 А (1nA), около 6 миллиардов заряженных частиц собираются чашей Фарадея.
[109] Разумеется, специалистам в данной области техники хорошо известно, что первое устройство 100 детектирования тока может быть любым детекторным устройством, подходящим для измерения падающего излучения и стабильности пучка заряженных частиц в области вакуумной трубки ускорителя, таким как настенный монитор тока и трансформатор тока пучка.
b
[110] В настенном мониторе тока измерительные резисторы подключены к двум концам керамической изоляционной секции, измерительный сигнал тока может быть получен при течении зеркального тока пучка через измерительные резисторы, при этом измерительный сигнал напряжения рассчитывается по ФОРМУЛЕ 2, где V это детектированное напряжение, I это пучок тока заряженных частиц, Z на определенной частоте может быть эквивалентен сопротивлению, и эквивалентным контуром настенного монитора тока является параллельный контур RLC, такой как ФОРМУЛА 3. Таким образом, ток пучка заряженных частиц в течение определенного времени t может быть рассчитан на основе детектированной величины напряжения.
[113] Трансформатор тока пучка используется для подключения сигнала тока путем использования вторичной обмотки на магнитном сердечнике для получения тока начального пучка заряженных частиц посредством анализа сигнала, например, трансформатор переменного тока (АССТ), трансформатор быстрого тока (FCT), резонансный трансформатор тока (ТСТ), интегрированный трансформатор тока (ICT), и трансформатор постоянного тока (DCCT). Ввиду множества различных вариантов здесь не перечислен каждый из трансформаторов тока пучка. В качестве примера можно указать лишь DCCT. Так, DCCT модулирует подлежащий детектированию сигнал постоянного тока во вторичные гармоники возбуждающего сигнала для детектирования путем принятия нелинейного компонента магнитной модуляции.
-7
-10
-3
-6
[114] В настоящем описании второе устройство 200 детектирования тока представляет собой гальванометр, один конец которого электрически соединен с модулем Т нейтронной генерации, а другой конец заземлен, так что сформирована петля детектирования, с получением тока на модуле Т нейтронной генерации, когда пучок Р заряженных частиц бомбардирует модуль Т нейтронной генерации. Гальванометр основан на том принципе, что токопроводящая катушка смещается в магнитном поле под действием крутящего момента. Катушка обычного электрического счетчика размещена на подшипнике, сохраняя баланс за счет балансирующей пружины, а отклонение отмечается указателем. Подшипник является фрикционным, поэтому измеряемый ток не может быть слишком слабым. В гальванометре очень тонкая металлическая проволока подвешена в магнитном поле вместо подшипника. Подвешенная проволока тонкая и длинная, и сопротивление кручению очень мало, поэтому катушка может заметно отклоняться при прохождении через катушку очень слабого тока. Таким образом, гальванометр более чувствителен, чем обычный электроизмерительный прибор, и может измерять микроток (10-10 А) или микронапряжение (10-10 В), такие как фототок, физиологический ток и термическая электродвижущая сила. С использованием подобного инструмента была сделана первая запись потенциала действия нервных волокон.
[115] Разумеется, специалистам в данной области хорошо известно, что второе устройство 200 детектирования тока может быть любым детекторным устройством, подходящим для детектирования, вблизи модуля нейтронной генерации, интенсивности и состояний изменения пучка заряженных частиц, взаимодействующего модулем нейтронной генерации, таким как электроизмерительный прибор и вольтметр.
[116] В настоящем описании устройство 300 детектирования температуры представляет собой термопару. Оба конца двух проводников (называемые проводами термопары или термоэлектродами) с разными компонентами соединены в петлю. Когда температуры соединений различаются, в петле генерируется электродвижущая сила, это явление называется термоэлектрическим эффектом, а электродвижущая сила называется термической электродвижущей силой. Термопара измеряет температуру с использованием этого принципа, при этом конец, непосредственно используемый для измерения температуры среды, называется рабочим концом (или измерительным концом), другой же конец называется холодным концом (или конец компенсации). Холодный конец соединен с устройство отображения или вспомогательным инструментом, при этом устройство отображения будет показывать электродвижущую силу, генерируемую термопарой.
[117] Разумеется, специалистам в данной области хорошо известно, что устройство 300 детектирования температуры может быть любым детекторным устройством, подходящим для размещения в охлаждающем устройстве или вблизи охлаждающего устройства и использования для детектирования температуры охлаждающего устройства так, чтобы отслеживать состояние охлаждающего устройства и генерирования нейтронного пучка модулем нейтронной генерации, таким как резистивный термометр, который измеряет температуру по принципу изменения сопротивления проводника по мере изменения температуры, с использованием температурного датчика из материала, сопротивление которого известным образом меняется вместе с температурой.
[118] Обычное устройство мониторинга нейтронного пучка для детектирования в реальном времени может использовать два различных принципа детектирования, а именно, ионизационную камеру и сцинтилляторный детектор. Устройства с использованием ионизационной камеры в качестве основаны содержат пропорциональный счетчик Не-3, пропорциональный счетчик BF3, делительную камеру и борную ионизационную камеру. Сцинтилляторный детектор может разделяться по выполнению из органических и неорганических материалов, при этом для детектирования тепловых нейтронов в сцинтилляторном детекторе в основном используют добавление элементов с высоким сечением захвата тепловых нейтронов, таких как Li или В. Если кратко, по большей части нейтронные энергии, детектируемые этим типом детекторов, относятся к тепловым нейтронам, которые все основаны на тяжелых заряженных частицах и фрагментах ядерного деления, высвобожденных при захвате или реакции ядерного деления между элементами и нейтронами, при в ионизационной камере или сцинтилляторном детекторе генерируется большое количество ионных пар, после чего заряды собираются, а сигнал тока может быть преобразован в сигнал импульса напряжения посредством соответствующего переключения контура. Анализируя величину импульса напряжения, можно легко отличить друг от друга нейтронный сигнал и γ-сигнал. В высокоинтенсивном нейтронном поле, таком как BNCT, можно соответствующим образом уменьшить давление газа ионизационной камеры, концентрацию покрытия из делящихся материалов или бора или концентрацию элементов с высоким сечением захвата нейтронов в сцинтилляторном детекторе, так чтобы в результате уменьшить чувствительность к нейтронам и избежать ситуации насыщения сигнала.
[119] Первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов может представлять собой делительную камеру. Когда пучок нейтронов проходит через делительную камеру, он ионизирует молекулы газа внутри делительной камеры или части стенки делительной камеры, генерируя электрон или ион с положительным зарядом; электрон и положительно заряженный ион называются вышеупомянутыми ионными парами. Внутри делительной камеры имеется высокое напряжение внешнего электрического поля, поэтому электроны движутся к центральному анодному проводу, а положительно заряженные ионы движутся к окружающей катодной стенке, генерируя тем самым электронный импульсный сигнал, который можно измерить. Энергия, необходимая для создания ионной пары, называется средней энергией ионизации, и ее величина изменяется в зависимости от типа газа. Например, средняя энергия ионизации воздуха составляет около 34 эВ. Если имеется нейтронный пучок 340 кэВ, воздух будет генерировать около 10 тыс. ионных пар.
[120] Разумеется, специалистам в данной области хорошо известно, что первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов может быть любым детекторным устройством, подходящим для встраивания в формирователь пучка и использования для детектирования изменения интенсивности и пространственного распределения пучка нейтронов в формирователе пучка, таким как пропорциональный счетчик Не-3, пропорциональный счетчик BF3, борная ионизационная камера и сцинтилляторный детектор.
[121] Второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов может быть сцинтилляционным детектором, в котором после поглощения энергии определенными материалами будет испускаться видимый свет; такие материалы называются сцинтилляторами. Используется ионизирующее излучение для приведения электрона в кристалле или молекуле в возбужденное состояние, при этом флуоресцентный свет, излучаемый при возвращении электрона в основное состояние, используется для мониторинга пучка нейтронов после собирания. Видимый свет, испускаемый после взаимодействия сцинтилляционного детектора с пучком нейтронов, может быть преобразован в электрон с помощью фотоумножителя, с умножением и усилением электрона, причем обычно уровень усиления и умножения электрона находится в диапазоне от 107 до 108. Количество электронов, покидающих анод, прямо пропорционально энергии падающего пучка нейтронов, поэтому сцинтилляционный детектор может измерять энергию пучка нейтронов.
[122] Разумеется, специалистам в данной области техники хорошо известно, что второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов может быть любым детекторным устройством, подходящим для размещения на выходе пучка или вблизи выхода пучка и использования для детектирования изменения интенсивности и пространственного распределения пучка нейтронов на выходе пучка, таким как пропорциональный счетчик Не-3, пропорциональный счетчик BF3, борная ионизационная камера и делительная камера.
[123] Устройство 600 детектирования смещения может быть детектором инфракрасного сигнала, при этом инфракрасный детектор работает посредством детектирования инфракрасных лучей, испускаемых человеческим телом. Детектор собирает внешнее инфракрасное излучение для накопления на инфракрасном датчике. В инфракрасном датчике обычно используются пироэлектрический элемент. Данный элемент выпускает наружу заряд после получения выявления изменения температуры инфракрасного излучения, и после детектирования подает тревожный сигнал. Данные детектор предназначен для детектирования излучения человеческого тела. Чувствительный к радиации элемент должен иметь хорошую чувствительность к инфракрасному излучению с длиной около 10 мкм.
[124] Разумеется, специалистам в данной области техники хорошо известно, что устройство 600 детектирования смещения может быть любым детекторным устройством, подходящим для детектирования изменения положения подлежащего облучению объекта, таким как датчик смещения. Датчик смещения определяет, движется ли подлежащий облучению объект в соответствии с изменением положения подлежащего облучению объекта по отношению к определенному эталонному веществу. Специалистам в данной области также хорошо известно, что устройство детектирования смещения может использоваться не только для детектирования изменения смещения объекта, подлежащего облучению, но и для детектирования изменения положения опорного элемента для фиксации подлежащего облучению объекта и/или терапевтического стола, что косвенно сообщает об изменении положения подлежащего облучению объекта.
[125] Специалистам в данной области техники хорошо известно, что количество первых устройств детектирования тока, количество вторых устройств детектирования тока, количество устройств детектирования температуры, количество первых устройств мониторинга пучка нейтронов, количество устройств детектирования смещения, а также количество элементов детектирования, не ограничено. Приведенные в настоящем описании количество и элементы детектирования являются лишь примерами.
[126] Неисправные компоненты могут быть явно вычислены по функциональной взаимосвязи между результатами детектирования устройств детектирования и/или мониторинга. Далее рассмотрены несколько ситуаций диагностики неисправностей на основе соответствующих результатов испытаний.
[127] Когда при детектировании выявлено отклонение в работе любого одного устройства детектирования или мониторинга, то есть первого устройства 100 детектирования тока, второго устройства 200 детектирования тока, устройства 300 детектирования температуры, первого устройства 400 мониторинга пучка нейтронов и второго устройства 500 мониторинга пучка нейтронов, в то время как другие устройства детектирования или мониторинга работают нормально, делается вывод о том, что само неисправное устройство детектирования или мониторинга является неисправным; если же в результате детектирования выявлено отклонение в работе устройства 600 детектирования смещения, в то время как другие устройства детектирования или мониторинга контроля работают нормально, делается вывод, что подлежащий облучению объект 50 изменил положение или устройство 600 детектирования смещения является неисправным.
[128] Когда при детектировании выявлено, что первое устройство 100 детектирования тока, второе устройство 200 детектирования тока, устройство 300 детектирования температуры, первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов и второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов 500 все имеют отклонения в работе, делается вывод о неисправности ускорителя 10.
[129] Когда при детектировании выявлено, что второе устройство 200 детектирования тока, устройство 300 детектирования температуры, первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов и второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов все имеют отклонения в работе, в то время как первое устройство 100 детектирования тока и устройство 600 детектирования смещения работают нормально, делается вывод, что о неисправности устройства 20 расширения пучка.
[130] Когда при детектировании выявлено, что устройство 300 детектирования температуры, первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов и второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов все имеют отклонения в работе, в то время как первое устройство 100 детектирования тока, второе устройство 200 детектирования тока и устройство 600 детектирования смещения работают нормально, делается вывод о неисправности модуля Т нейтронной генерации и/или охлаждающего устройства.
[131] Когда при детектировании выявлено, что первое устройство 400 мониторинга пучка нейтронов и второе устройство 500 мониторинга пучка нейтронов имеют отклонения в работе, в то время как первое устройство 100 детектирования тока, второе устройство 200 детектирования тока, устройство 300 детектирования температуры и устройство 600 детектирования смещения работают нормально, делается вывод о неисправности формирователя 30 пучка.
[132] Когда при детектировании выявлено, что любой из результатов мониторинга первого элемента 401 мониторинга пучка нейтронов и второго элемента 402 мониторинга пучка нейтронов имеет отклонение от нормы и/или один из третьего элемента 501 мониторинга пучка нейтронов и четвертого элемента 502 мониторинга пучка нейтронов имеет отклонения в работе, делается вывод о неисправности самого элемента мониторинга пучка нейтронов или о нарушении равномерности пучка нейтронов.
[133] Разумеется, специалистам в данной области техники хорошо известно, что описанные выше ситуации диагностики неисправностей на основе результатов детектирования являются лишь примерами распространенных ситуаций, которые могут иметь множество модификаций и комбинаций, а приведенные выше подходы могут быть дополнительно адаптированы для оценки, какие системы нейтрон-захватной терапии или устройства детектирования являются неисправными и какие возникают нарушения. Таким образом, хотя они и не все здесь перечислены, могут вноситься различные изменения без отклонения от сущности изобретения, выраженной в прилагаемой формуле изобретения.
[134] Система диагностики пучка содержит устройство 700 управления с блок 710 управления, который выдает сигнал, распознаваемый человеком, на основе результата детектирования системы диагностики пучка, так чтобы подтвердить следующую операцию системы нейтрон-захватной терапии. Воспринимаемый человеком сигнал может быть сигналом, воспринимаемым функциональными органами человека, такими как органы слуха, зрения, осязания или обоняния. Например, сигнал может иметь форму одного или нескольких из таких различных сигналов как звуковая сирена, световая сигнализация, вибрация и резкий запах. Устройство управления 700 может дополнительно содержать дисплейный модуль 720, используемый для отображения результата детектирования устройства детектирования и/или диагностики состояния неисправности на основе результата детектирования на оборудовании отображения, при этом в качестве оборудования отображения применимы такие традиционные устройства как телевизор или жидкокристаллический дисплей. На основе обратной связи от устройства управления оператор может легко определить неисправный компонент, что делает более эффективным обслуживание системы нейтрон-захватной терапии и/или системы диагностики пучка.
[135] На фиг. 5 показан другой вариант осуществления первого устройства мониторинга пучка нейтронов. Данное устройство имеет цифровое обозначение 400'; изображенные на данном чертеже устройства компоненты идентичны тем, что показаны на фиг. 3, поэтому имеют те же цифровые обозначения; для наглядности на чертеже не приведены охлаждающее устройство и другие устройства детектирования /мониторинга.
[136] Первое устройство 400' управления пучка нейтронов может содержать один или более элементов мониторинга пучка нейтронов, оно может располагаться рядом с формирователем 30 пучка для детектирования нейтронного пучка, выходящего из модуля Т нейтронной генерации, так чтобы непосредственно детектировать изменение интенсивности и пространственное распределение пучка нейтронов, а также располагаться рядом с формирователем 30 пучка для детектирования γ-лучей, генерируемых при взаимодействии пучка Р заряженных частиц Р и модуля Т нейтронной генерации. Изменение интенсивности и пространственное распределение пучка нейтронов может быть косвенно детектировано на основе функциональной взаимосвязи между γ-лучами и пучком нейтронов. Устройство 700' управления включает в себя блок 710' управления и дисплейный блок 720'. Дисплейный блок 720' используется для отображения результата детектирования устройства 400' детектирования и/или диагностики состояния неисправности, осуществляемой на основе результата детектирования на оборудовании отображения, которое может представлять собой обычные устройства отображения, такие как телевизор или жидкокристаллический дисплей. На основании обратной связи от устройства управления оператор может легко определить неисправный компонент, чтобы целенаправленно осуществлять следующую операцию на ускорителе 10.
[137] Далее, на фиг. 6 показан вид в плане устройства детектирования излучения, которое используется для детектирования γ-лучей, мгновенно испускаемых при излучении нейтронного пучка; в системе нейтрон-захватной терапии устройство детектирования излучения (а именно, устройство для детектирования γ-лучей, мгновенно испускаемых при излучении нейтронного пучков) обозначен как 800, устройства/компоненты, включенные также фиг. 3, имеют те же обозначения, при этом для наглядности опущено изображение устройства охлаждения и других устройств детектирования/мониторинга.
[138] Устройство 800 детектирования γ-луча содержит один или более компонентов детектирования γ-лучей, а именно, делительную камеру или сцинтилляционный детектор для детектирования γ-лучей. Эти γ-лучи представляют собой γ-лучи, мгновенно испускаемые после реакции бор-нейтронного захвата при излучении нейтронного пучка. Когда стало известно измеренное число у (0.48 МэВ, генерируемое в реакции бор-нейтронного захвата, приведено лишь в качестве примера), можно рассчитать величину концентрации бора на основе функциональной зависимости между γ-лучами и концентрацией бора. Устройство 700'' управления содержит контрольный блок 710'' и дисплейный блок 720''. Дисплейный блок 720'' используется для отображения результата детектирования устройства 800 детектирования и/или состояние диагностики неполадки, полученное на основе результата детектирования на дисплейном устройстве; дисплейное устройство может быть телевизором, жидкокристаллическим дисплеем или другим обычным устройство отображения. На основе обратной связи устройства управления оператор может легко подтвердить неисправный компонент, для осуществления соответствующей работы ускорителя 10.
[139] Указанные γ-лучи, мгновенно испускаемые при излучении нейтронного пучка являются γ-лучами, которые генерируются во время осуществления ядерной реакции нейтронного захвата между нейтронным пучком и другими элементами, которые не ограничиваются бором-10, так что могут быть другими элементами, хорошо известными в данной области техники как способные генерировать γ-лучи в ходе реакции бор-нейтронного захвата. В варианте осуществления изобретения γ-лучи, мгновенно испускаемые при излучении нейтронного пучка представляют собой γ-лучи, генерируемые в ходе бор-нейтронной реакции нейтронного пучка и бора-10.
[140] Предпочтительно величина концентрации бора рассчитывается по формуле А:
[142] где B(t) это концентрация бора во время t, единицей B(t) является ppm, единицей времени t является секунда, к это измеренная величина, GC(t) это величина, полученная после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны, детектированного во время t; k рассчитывается по формуле В:
0
0
0
0
0
0
0
[144] где B(t) является концентрацией бора во время t, единицей B(t) является ppm, единицей времени t является секунда, GC(t) это величина, полученная после того, как число фонового γ вычтено из общего числа γ предустановленной энергетической зоны во время t, при этом B(t) рассчитывается по формуле С:
blood
0
0
0
T/N
[146] где B(t) это величина концентрации бора в крови во время t, единицей B(t) является ppm; R это отношение концентрации бора в опухоли, которая может быть получена на основе ПЭТ или экспериментальных данных или на теоретической основе, к концентрации бора в нормальной ткани.
[147] Для корректной оценки, какое из устройств детектирования или мониторинга вышло из строя, когда указанные ниже величины детектирования и стандартные величины имеют существенное различие, соответствующее устройство детектирования или устройства мониторинга может быть отнесено к неработоспособным.
[148] Уровень дозы опухоли во время t может быть рассчитан по формуле D:
T
B
B
n
n
γ
γ
B
[150] где единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень дозы бора во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень нейтронной дозы во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, D(t) это уровень фотонной дозы во время t, единицей D(t) является взвешенный Гр/с, при этом D(t) может быть рассчитан по формуле Е:
[152] Dn(t) рассчитывается по формуле F:
[154] Dγ(t) рассчитывается по формуле G:
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
B,ref
n,ref
γ,nbcap,ref
γ,bcap,ref
n
n
n
ref
blood
blood
blood,ref
blood,ref
blood
blood,ref
[156] где D, D, D и D это, соответственно, заданная эталонная величина или уточненная эталонная величина уровня дозы бора, заданная эталонная величина уровня нейтронной дозы, заданная эталонная величина уровня дозы фотонов, генерируемых при реакции небор-нейтронного захвата, и заданная эталонная величина дозы фотонов, генерируемых при реакции бор-нейтронного захвата в системе планового лечения, причем единицей D, D, D и D является взвешенный Гр/с; S(t) представляет собой показание интенсивности нейтронного пучка устройства нейтронного мониторинга во время t, при этом единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения; S, это заданная величина или уточненная заданная величина интенсивности нейтронного пучка в системе планового лечения; B(t) это величина концентрации бора измеряемого образца крови во время t, при этом единицей B(t) является ppm; B это заданная величина концентрации бора или уточненная заданная величина концентрации бора в системе планового лечения, при этом единицей B является ppm; и f(B(t),B) это набор функций, предварительно вычисленных согласно плану лечения, чтобы скорректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли.
[157] Предпочтительно доза опухоли во время t может также рассчитываться по формуле Н:
B
B
B
[159] где S(t) это показание устройства детектирования излучения во время t, причем единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения, при этом S(t) рассчитывается по формуле I, а С рассчитывается по формуле J:
NB,ref
BG
n
o
o
n
o
blood
o
o
blood
o
blood
o
blood,ref
B
o
B
o
[162] где N это эталонная величина числа событий реакции бор-нейтронного захвата в плане лечения; K это поправка к фону, σ это эффективность детектирования устройства детектирования излучения, S(t) это показание интенсивности нейтронного пучка устройства нейтронного мониторинга во время t, причем единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения; B(t) это величина концентрации бора в измеряемом образце крови во время t, причем единицей B(t) является ppm; f(B(t),B) это набор функций, предварительно вычисленных согласно плану лечения, чтобы скорректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли; и S(t) является показанием, установленным на начальной стадии облучения, устройства нейтронного мониторинга, причем единицей S(t) является число или показание, которое может быть выбрано устройством детектирования излучения.
blood
tumor
11
[163] Фиг. 7 показывает функциональное отношение между концентрацией бора B(t) и дозой опухоли B(t) в этом варианте осуществления. Предпочтительно, на основе того, что интенсивность источника нейтронного излучения 1.7×10n/s вычисляется нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли посредством формулы K, что в результате позволяет скорректировать данное нелинейное отношение в системе нейтрон-захватной терапии и повысить точность плана лечения.
blood
tumor
blood
tumor
[165] Как хорошо известно специалистам, показанное на фиг. 7 функциональное отношение между концентрацией бора B(t) и дозой опухоли B(t) не ограничивается формулой K, при условии что нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли находят по эмпирическому значению. Показанное на фиг. 7 функциональное отношение между концентрацией бора B(t) и дозой опухоли B(t) не ограничивается также и интенсивностью источника радиационного излучения 1.7×1011n/s, и опытным путем могут быть получены другие функциональные отношения на основе других интенсивностей нейтронного источника излучения. Система нейтрон-захватной терапии согласно варианту осуществления настоящего изобретения позволяет корректировать нелинейное отношение между концентрацией бора и дозой опухоли, с повышением тем самым точности плана лечения.
[166] Необходимо отметить, что как устройство нейтронного мониторинга, так и устройство детектирования излучения следует скорректировать с точки зрения эффекта гистерезиса.
[167] Способ детектирования излучения для системы нейтрон-захватной терапии позволяет повысить точность дозы облучения нейтронным пучком в системе нейтрон-захватной терапии и своевременно выявить местоположение неисправности, причем способ детектирования излучения соответствует системе детектирования излучения.
[168] Наконец, не имеет значения, расположено ли первое устройство мониторинга нейтронного пучка в формирователе пучка или рядом с формирователем пучка, и применимо любое устройство детектирования, которое может детектировать изменение интенсивности и пространственное распределение нейтронного пучка в формирователе пучка.
[169] Описанные система детектирования излучения для системы нейтрон-захватной терапии и соответствующий способ детектирования излучения не ограничатся раскрытыми выше вариантами осуществления или проиллюстрированной на чертежах конфигурацией. Любые варианты, замена и модификации материала, формы и положения компонентов без отхода от существе изобретения следует рассматривать как попадающие в объем испрашиваемой правовой охраны.