БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА ДЛЯ НЕЙТРОН-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ
BEAM FORMING UNIT FOR NEUTRON CAPTURE THERAPY

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к блоку формирования пучка и, в частности, к блоку формирования пучка для нейтрон-захватной терапии.
Уровень техники
[0002] По мере развития атомной технологии лучевая терапия, такая как кобальт-60, линейные ускорители и электронные пучки, стала одним из основных средств терапии рака. Однако обычная фотонная или электронная терапия подвержена физическим ограничениям радиоактивных лучей; например, многие здоровые ткани на пути пучка могут быть повреждены при разрушении опухолевых клеток. С другой стороны, чувствительность опухолевых клеток к радиоактивным лучам сильно различается, таким образом, в большинстве случаев обычная лучевая терапия неэффективна при лечении стойких к облучению злокачественных опухолей (таких как мультиформная глиобластома и меланома).
[0003] С целью уменьшения радиационного повреждения здоровой ткани, окружающей участок опухоли, в лучевой терапии применяют целевую терапию при химиотерапии. При этом для опухолевых клеток с высокой стойкостью к облучению также были разработаны источники излучения с высокой RBE (относительной биологической эффективностью), включая такие, как протонная терапия, терапия с использованием тяжёлых частиц и нейтрон-захватная терапия. Среди них нейтрон-захватная терапия комбинирует целевую терапию с RBE, такую как бор-нейтронозахватная терапия (BNCT). Благодаря специальному группированию борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолевых клетках и точной регулировке пучка нейтронов, BNCT является лучшим выбором для терапии рака, чем обычная лучевая терапия.
10
4
7
10
7
7
[0004] В BNCT используется то преимущество, что борсодержащие (B) фармацевтические препараты обладают большим сечением захвата нейтрона и производят тяжелые заряженные частицы He и Li посредством реакции захвата нейтрона и ядерной реакции деления B(n,α)Li. Как иллюстрировано на фиг. 1, где показан схематический вид реакции захвата нейтрона бором, две заряженные частицы со средней энергией приблизительно 2,33 МэВ имеют линейную передачу энергии (LET) и короткодействующие характеристики. LET и длина пробега альфа-частицы составляют 150 кэВ/микрометр и 8 микрометров соответственно, тогда как эти параметры для тяжелой заряженной частицы Li составляют 175 кэВ/микрометр и 5 микрометров соответственно, при этом общая длина пробега двух частиц приблизительно равна размеру клетки. Таким образом, радиационное повреждение живых организмов может быть ограничено на уровне клеток. Когда борсодержащие фармацевтические препараты собираются в опухолевых клетках избирательно, с помощью подходящего источника нейтронов локально разрушаются только опухолевые клетки при условии отсутствия значительного повреждения здоровой ткани.
[0005] BNCT также хорошо известна для бинарной терапии опухолей, поскольку ее эффективность зависит от концентрации борсодержащих фармацевтических препаратов и количества тепловых нейтронов на участке опухоли. Таким образом, помимо разработки борсодержащих фармацевтических препаратов, важную роль в исследованиях BNCT играют улучшение потока и качества источника нейтронов.
Раскрытие сущности изобретения
[0006] Для улучшения потока и качества источника нейтронов, в одном аспекте настоящего изобретения заявлен блок формирования пучка для нейтрон-захватной терапии, имеющий: вход пучка; мишень, причем мишень выполнена с возможностью вступать в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа пучка для получения нейтронов, при этом нейтроны образуют пучок нейтронов и этот пучок нейтронов определяет ось; замедлитель, примыкающий к мишени, причем замедлитель выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, при этом замедлитель имеет по меньшей мере одну коническую конструкцию, причем коническая конструкция имеет основной корпус и дополнительную секцию, окружающую основной корпус, при этом материалы основного корпуса и дополнительной секции различны; отражатель, окружающий замедлитель, причем отражатель выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю, при этом поглотитель тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран защиты от излучения, расположенный внутри блока формирования пучка, причем экран защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению; и выход пучка.
[0007] В частности, основной корпус содержит коническую секцию, примыкающую к мишени, и цилиндрическую секцию, примыкающую к конической секции, причем дополнительная секция окружает цилиндрическую секцию и соединена с конической секцией с образованием конической конструкции.
[0008] Дополнительно блок формирования пучка дополнительно используется для бор-нейтронзахватной терапии на базе ускорителя.
[0009] Дополнительно падающий пучок протонов ускоряется посредством ускорителя и вызывает ядерную реакцию с мишенью, выполненной из металлического материала, для получения нейтронов.
[0010] Дополнительно нейтроны замедляют до энергий надтепловых нейтронов, при этом тепловые нейтроны и быстрые нейтроны уменьшаются, причем диапазон энергий надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов меньше 0,5 эВ, и диапазон энергий быстрых нейтронов больше 40 кэВ; при этом замедлитель выполнен из материала, обладающего большим сечением реакции с быстрым нейтроном и небольшим сечением реакции с надтепловым нейтроном, причем отражатель выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражать нейтроны, при этом поглотитель тепловых нейтронов выполнен из материала, обладающего большим сечением реакции с тепловыми нейтронами.
2
3
2
2
3
2
2
3
6
[0011] Дополнительно основной корпус изготовлен из любого из DO, AlF, Fluental™, CaF, LiCO, MgF и AlO, при этом отражатель изготовлен из любого из Pb и Ni, и поглотитель тепловых нейтронов изготовлен из Li, причем между поглотителем тепловых нейтронов и выходом пучка расположен воздушный канал, при этом экран защиты от излучения содержит экран защиты от фотонов и экран защиты от нейтронов.
[0012] Дополнительно дополнительная секция изготовлена из любого из Zn, Mg, Al, Ti, La, Pb, Zr и Bi.
[0013] Дополнительно замедлитель содержит коническую конструкцию и цилиндрическую конструкцию, примыкающую к конической конструкции.
[0014] Дополнительно замедлитель содержит две конические конструкции, примыкающие друг к другу в противоположных направлениях.
[0015] Дополнительно основной корпус содержит цилиндрическую секцию и две конические секции, расположенные на двух концах цилиндрической секции и соединенные с двумя концами цилиндрической секции, при этом дополнительная секция окружает цилиндрическую секцию и соединена с двумя коническими секциями, для обеспечения возможности выполнения замедлителя с двумя коническими конструкциями, примыкающими друг к другу в противоположных направлениях.
[0016] Замедлитель имеет базовую часть и расширительную часть, расширительная часть имеет первую расширительную часть и вторую часть, причем по меньшей мере одна из первой расширительной части и второй расширительной части выполнена с возможностью замены. В нейтрон-захватной терапии выбирают подходящий материал расширительной части в соответствии с различными состояниями опухоли (включая положение, глубину и тип) для замедления нейтронов до подходящих энергий.
Краткое описание чертежей
[0017] Фиг. 1 - схематический вид реакции захвата нейтрона бором.
10
7
[0018] Фиг. 2 - формула ядерной реакции захвата нейтрона B (n,α)Li.
[0019] Фиг. 3 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в первом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором между замедлителем и отражателем расположен канал зазора.
[0020] Фиг. 4 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии во втором варианте осуществления настоящего изобретения, в котором внешняя поверхность замедлителя имеет первую коническую секцию и вторую коническую секцию, примыкающую к первой конической секции, причем направление конусности первой конической секции противоположно направлению конусности второй конической секции, при этом канал зазора в первом варианте заполнен материалами замедлителя.
[0021] Фиг. 5 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, в котором внешняя поверхность замедлителя имеет первую коническую секцию и вторую коническую секцию, примыкающую к первой конической секции, причем направление конусности первой конической секции противоположно направлению конусности второй конической секции, при этом канал зазора в первом варианте заполнен материалами отражателя.
[0022] Фиг. 6 - двойной дифференциальный график зависимости выхода нейтронов от энергии нейтронов и угла нейтронов.
[0023] Фиг. 7 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель является цилиндрическим.
[0024] Фиг. 8 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в пятом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором внешняя поверхность замедлителя имеет цилиндрическую секцию и первую коническую секцию, примыкающую к цилиндрической секции.
[0025] Фиг. 9 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в шестом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель имеет две конические конструкции, причем замедлитель содержит основной корпус и дополнительную секцию, изготовленные из разных материалов.
[0026] Фиг. 10 - схематический вид блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в шестом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель имеет коническую конструкцию и цилиндрическую конструкцию, примыкающую к конической конструкции, причем материалы конической секции и дополнительной секции изготовлены из разных материалов.
Осуществление изобретения
7
7
9
9
[0027] В последние годы нейтрон-захватная терапия (NCT) все чаще применяется в качестве эффективного средства для лечения рака, при этом наиболее распространена бор-нейтронозахватная терапия (BNCT). Нейтроны для NCT могут подаваться ядерными реакторами или ускорителями. При рассмотрении в качестве примера AB-BNCT, его основные компоненты включают в себя, в целом, ускоритель для ускорения заряженных частиц (таких как протоны и дейтроны), мишень, систему отвода тепла и блок формирования пучка. Ускоренные заряженные частицы взаимодействуют с металлической мишенью для получения нейтронов, при этом подходящие ядерные реакции всегда определяются в соответствии с такими характеристиками, как требуемый выход и энергия нейтронов, доступные энергия и поток ускоренных заряженных частиц и реализация металлической мишени, среди которых наиболее обсуждаются две: Li (p, n) Be и Be (p, n) B, причем обе являются эндотермической реакцией. Их энергетические пороги составляют 1,881 МэВ и 2,055 МэВ, соответственно. Надтепловые нейтроны с уровнем энергии кэВ считаются идеальными источниками нейтронов для BNCT. Теоретически бомбардировка с литиевой мишенью с использованием протонов с энергией, немного превышающей эти пороговые значения, может производить нейтроны с относительно низкой энергией, так что эти нейтроны могут быть использованы в медицинских целях без множества замедлений. Однако Li (литий), Be (бериллий) и протоны с пороговой энергией не обладают большим сечением взаимодействия. Для получения достаточных потоков нейтронов обычно выбирают протоны с высокой энергией для запуска ядерных реакций.
[0028] Предполагается, что считающаяся идеальной мишень обладает преимуществами высокого выхода нейтронов, распределения энергии полученных нейтронов вблизи диапазона энергий надтепловых нейтронов (см. детали ниже), небольшого излучения с сильным проникновением, безопасности, низкой стоимости, легкого доступа, стойкости к действию высоких температур и т. д. Однако на практике никакие ядерные реакции не могут удовлетворить всем требованиям. Мишень в этих вариантах осуществления настоящего изобретения выполнена из лития. Однако, как хорошо известно специалисту в данной области техники, материалы мишени могут быть изготовлены из других металлов, помимо упомянутых выше.
7
7
9
9
7
7
[0029] Требования к системе отвода тепла различаются в зависимости от выбранных ядерных реакций. Для Li (p, n) Be требуется больше, чем для Be (p, n) B вследствие низкой температуры плавления и низкого коэффициента теплопроводности металлической (литиевой) мишени. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения используется Li (p, n) Be.
[0030] Независимо от того, происходят ли источники нейтронов BNCT из ядерного реактора или ядерных реакций между заряженными частицами ускорителя и мишенью, образуются лишь поля смешанного радиоактивного излучения, т.е. 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 радиоактивного излучения, тем выше доля неселективного осаждения дозы в здоровой ткани. Таким образом, радиоактивное излучение, вызывающее ненужную дозу, должно быть максимально уменьшено. Помимо показателей качества пучка в воздухе, доза вычисляется с использованием протеза ткани головы человека для понимания распределения дозы нейтронов в организме человека. Показатели качества пучка протеза позже используются в качестве проектной контрольной величины для пучков нейтронов, что подробно описывается ниже.
[0031] Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) представило пять предложений относительно показателей качества пучка в воздухе для клинических источников нейтронов BNCT. Эти предложения могут быть использованы для различения источников нейтронов и в качестве эталона для выбора способов получения нейтронов и проектирования блока формирования пучка, при этом они представлены следующим образом:
9
2
[0032] Поток надтепловых нейтронов > 1 × 10 н/смс
-13
2
[0033] Загрязнение быстрыми нейтронами < 2 × 10 Гр- см/н
-13
2
[0034] Загрязнение фотонами < 2 × 10 Гр- см/н
[0035] Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов < 0,05
[0036] Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов > 0,7
[0037] Примечание: диапазон энергий надтепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов ниже 0,5 эВ, и диапазон энергий быстрых нейтронов выше 40 кэВ.
[0038] 1. Поток надтепловых нейтронов
9
[0039] Поток надтепловых нейтронов и концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в участке опухоли определяют время клинической терапии. Если борсодержащие фармацевтические препараты в участке опухоли имеют достаточно высокую концентрацию, поток надтепловых нейтронов может быть уменьшен. Напротив, если концентрация борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях находится на низком уровне, требуется, чтобы надтепловые нейтроны в большом потоке надтепловых нейтронов обеспечивали достаточные дозы для опухолей. Заданный стандарт на поток надтепловых нейтронов от МАГАТЭ составляет более 10 надтепловых нейтронов на квадратный сантиметр в секунду. В этом потоке пучков нейтронов время терапии может быть приблизительно установлено меньше часа с помощью борсодержащих фармацевтических препаратов. Таким образом, помимо того, что пациенты удобно размещаются и чувствуют себя более комфортно в течение более короткого времени терапии, может быть эффективно использовано ограниченное время пребывания борсодержащих фармацевтических препаратов в опухолях.
[0040] 2. Загрязнение быстрыми нейтронами
-13
2
[0041] Излишняя доза на здоровой ткани, производимая быстрыми нейтронами, рассматривается как загрязнение. Доза имеет прямую зависимость от энергии нейтронов, таким образом, количество быстрых нейтронов в пучках нейтронов должно быть максимально уменьшено. Доза быстрых нейтронов на единицу потока надтепловых нейтронов определяется как загрязнение быстрыми нейтронами, причем, согласно МАГАТЭ, предполагается, что оно меньше 2 * 10 Гр- см/н.
[0042] 3. Загрязнение фотонами (гамма-излучение)
-13
2
[0043] Глубоко проникающее радиоактивное излучение гамма-лучей может избирательно приводить к осаждению дозы всех тканей на траекториях пучка, так что уменьшение количества гамма-излучения также является исключительным требованием при проектировании пучков нейтронов. Доза гамма-излучения, приходящаяся на единицу потока надтепловых нейтронов, определяется как загрязнение гамма-излучением, которое, как предполагается согласно МАГАТЭ, должно составлять менее 2*10 Гр- см/н.
[0044] 4. Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
[0045] Тепловые нейтроны обладают настолько быстрой скоростью распада и небольшой глубиной проникания, что они 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 рекомендованное отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов составляет менее 0,05.
[0046] 5. Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
[0047] Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов обозначает направление пучка, при этом чем выше это отношение, тем лучше направление вперед пучков нейтронов, причем пучки нейтронов в улучшенном направлении вперед могут уменьшать дозу, окружающую здоровую ткань, которая получается в результате рассеяния нейтронов. Дополнительно улучшается обрабатываемая глубина, а также размещение положения. В соответствии с МАГАТЭ отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов предпочтительно составляет более 0,7.
[0048] Показатели качества пучка протеза определяются на основе распределения дозы в ткани, полученной с помощью протеза, в соответствии с кривой зависимости дозы от глубины в здоровой ткани и опухолях. Для сравнения различных эффектов терапии с применением пучка нейтронов могут быть использованы следующие три параметра.
[0049] 1. Предпочтительная глубина
[0050] Доза опухоли равна глубине максимальной дозы здоровой ткани. Доза опухолевых клеток в положении за пределами этой глубины меньше максимальной дозы здоровой ткани, т.е. захват нейтронов бором теряет свои преимущества. Предпочтительная глубина характеризует проницаемость пучков нейтронов. При расчете в см, чем больше предпочтительная глубина, тем больше глубина обрабатываемой опухоли.
[0051] 2. Мощность дозы предпочтительной глубины
[0052] Мощность дозы предпочтительной глубины представляет собой мощность дозы опухоли предпочтительной глубины, при этом она также равна мощности максимальной дозы здоровой ткани. Она может влиять на продолжительность времени терапии, поскольку общая доза на здоровой ткани является фактором, способным влиять на общую дозу, которой подвергаются опухоли. Чем она выше, тем короче время облучения для введения определенной дозы на опухолях, при этом она вычисляется в единицах сГр/мА-мин.
[0053] 3. Предпочтительное отношение
[0054] Среднее отношение доз, полученных опухолями и здоровой тканью от поверхности мозга до предпочтительной глубины, называется предпочтительным отношением. Это среднее отношение может быть вычислено с использованием криволинейного интеграла глубины дозы. Чем выше предпочтительное отношение, тем лучше терапевтический эффект пучков нейтронов.
[0055] Для обеспечения сравнительной контрольной величины для конструкции блока формирования пучка, также используются следующие параметры для оценки преимуществ и недостатков выражения пучков нейтронов в вариантах осуществления настоящего изобретения, помимо показателей качества пучка в воздухе согласно МАГАТЭ и упомянутых выше параметров.
[0056] 1. Время облучения <= 30 мин (ток протонов для ускорителя составляет 10 мА)
[0057] 2. Глубина обработки 30.0RBE-Гр >= 7 см
[0058] 3. Максимальная доза опухоли >= 60,0RBE-Гр
[0059] 4. Максимальная доза здоровой мозговой ткани <= 12,5RBE-Гр
[0060] 5. Максимальная доза кожи <= 11,0RBE-Гр
[0061] Примечание: RBE обозначает относительную биологическую эффективность. Поскольку фотоны и нейтроны проявляют различную биологическую эффективность, указанная выше доза должна быть умножена на RBE разных тканей для получения эквивалентной дозы.
[0062] Для улучшения потока и качества источников нейтронов, варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают усовершенствование блока формирования пучка для нейтрон-захватной терапии, предпочтительно усовершенствование блока формирования пучка для AB-BNCT. Как показано на фиг. 3, блок 10 формирования пучка для нейтрон-захватной терапии в первом варианте осуществления настоящего изобретения содержит вход 11 пучка, мишень 12, замедлитель 13, смежный с мишенью 12, отражатель 14, окружающий замедлитель 13, поглотитель 15 тепловых нейтронов, смежный с замедлителем 13, экран 16 защиты от излучения и выход 17 пучка, причем экран 16 защиты от излучения установлен внутри блока 10 формирования пучка. Мишень 12 вступает в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа 11 пучка для получения нейтронов; нейтроны образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет основную ось X, при этом замедлитель 13 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, причем отражатель 14 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов; между замедлителем 13 и отражателем 14 расположен канал 18 зазора для увеличения потока надтепловых нейтронов; поглотитель 15 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран 16 защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению.
7
7
6
2
3
2
2
3
2
2
3
[0063] AB-BNCT обеспечивает ускорение пучка протонов с использованием ускорителя. Предпочтительно, мишень 12 выполнена из металлического материала, при этом пучок протонов ускоряется достаточно, чтобы преодолеть энергию кулоновского отталкивания атомного ядра мишени, и вступает в реакцию Li (p, n) Be с мишенью 12 для получения нейтронов. Блок 10 формирования пучка замедляет нейтроны до энергий надтепловых нейтронов и уменьшает количество тепловых нейтронов и быстрых нейтронов; замедлитель 13 выполнен из материала, имеющего поперечное сечение для взаимодействия в основном с быстрыми нейтронами, но практически с отсутствием реакции с надтепловыми нейтронами. Предпочтительно замедлитель 13 выполнен по меньшей мере из одного из DO, AlF, Fluental™, CaF, LiCO, MgF и AlO. Отражатель 14 выполнен из материала, обладающего высокой способностью отражать нейтроны, и предпочтительно выполнен по меньшей мере из одного из Pb или Ni. Поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из материала, имеющего поперечное сечение для реакции с тепловыми нейтронами, и предпочтительно выполнен из Li. Между поглотителем 15 тепловых нейтронов и выходом 17 пучка расположен воздушный канал 19. Экран 16 защиты от излучения содержит экран 161 защиты от фотонов и экран 162 защиты от нейтронов и содержит экран 161 защиты от фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 162 защиты от нейтронов, предпочтительно выполненный из полиэтилена (PE).
6
[0064] Внешняя поверхность замедлителя 13 имеет первую коническую секцию и вторую коническую секцию, примыкающую к первой конической секции, причем направление конусности первой конической секции противоположно направлению конусности второй конической секции, как показано на фиг. 3, при этом левая сторона внешней поверхности замедлителя 13 выполнена в первой конической секции, постепенно сужающейся по направлению к левой стороне, правая сторона внешней поверхности замедлителя 13 выполнена во второй конической секции, постепенно сужающейся по направлению к правой стороне, причем эти две конические секции соединены друг с другом. Предпочтительно левая сторона внешней поверхности замедлителя 13 выполнена с формой конуса, сужающегося по направлению к левой стороне, при этом правая сторона также может иметь другие формы, прилегающие к конусу, например, цилиндрические. Отражатель 14 плотно окружает замедлитель 13, при этом между замедлителем 13 и отражателем 14 расположен канал 18 зазора. Так называемый канал 18 зазора представляет собой пустую область, не заполненную твердыми материалами и обеспечивающую легкое прохождение пучков нейтронов. Канал 18 зазора может представлять собой воздушный или вакуумный канал. Поглотитель 15 тепловых нейтронов, расположенный в непосредственной близости от замедлителя 13, выполнен из тонкого слоя материала Li, при этом экран 161 защиты от фотонов, выполненный из Pb в экране 16 защиты от излучения, может быть интегрирован с отражателем 14 или отделен от него, экран 162 защиты от нейтронов, выполненный из полиэтилена в экране 16 защиты от излучения, может быть расположен рядом с выходом 17 пучка. Между поглотителем 15 тепловых нейтронов и выходом 17 пучка расположен воздушный канал 19, причем в этой области нейтроны, отклоненные от основной оси X, могут направляться назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Протез B расположен на расстоянии около 1 см от выхода 17 пучка. Как хорошо известно специалисту в области техники, экран 161 защиты от фотонов может быть выполнен из других материалов для экранирования фотонов; экран 162 защиты от нейтронов также может быть выполнен из других материалов или размещен в других местоположениях для экранирования утечки нейтронов.
[0065] Для сравнения различий между блоками формирования пучка с каналом зазора и без него, на фиг. 4 и 5 показаны канал зазора, заполненный замедлителем во втором варианте осуществления, и канал, заполненный отражателем в третьем варианте осуществления. Как показано на фиг. 4, блок 20 формирования пучка имеет вход 21 пучка, мишень 22, замедлитель 23, примыкающий к мишени 22, отражатель 24, окружающий замедлитель 23, поглотитель 25 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 23, экран 26 защиты от излучения и выход 27 пучка, причем экран 26 защиты от излучения установлен в блоке 20 формирования пучка. Мишень 22 вступает в ядерную реакцию с падающим пучком фотонов из входа 21 пучка для получения нейтронов, нейтроны образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет основную ось X1, замедлитель 23 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, и отражатель 24 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X1, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Внешняя поверхность замедлителя 23 имеет первую коническую секцию и вторую коническую секцию, примыкающую к первой конической секции, причем направление конусности первой конической секции противоположно направлению конусности второй конической секции, как показано на фиг. 4, при этом левая сторона внешней поверхности замедлителя 23 выполнена в первой конической секции, постепенно сужающейся по направлению к левой стороне, правая сторона внешней поверхности замедлителя 23 выполнена во второй конической секции, постепенно сужающейся по направлению к правой стороне, причем эти две конические секции соединены друг с другом. Поглотитель 25 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран 26 защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению.
[0066] Предпочтительно мишень 22, замедлитель 23, отражатель 24, поглотитель 25 тепловых нейтронов и экран 26 защиты от излучения во втором варианте осуществления могут быть теми же, что в первом варианте осуществления, при этом экран 26 защиты от излучения содержит экран 261 защиты от фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 262 защиты от нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), причем экран 262 защиты от нейтронов может быть расположен на выходе 27 пучка. Между поглотителем 25 тепловых нейтронов и выходом 27 пучка расположен воздушный канал 28. Протез B1 расположен на расстоянии около 1 см от выхода 27 пучка.
[0067] Как показано на фиг. 5, блок 30 формирования пучка имеет вход 31 пучка, мишень 32, замедлитель 33, примыкающий к мишени 32, отражатель 34, окружающий замедлитель 33, поглотитель 35 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 33, экран 36 защиты от излучения и выход 37 пучка, причем экран 36 защиты от излучения установлен в блоке 30 формирования пучка. Мишень 32 вступает в ядерную реакцию с падающим пучком фотонов из входа 31 пучка для получения нейтронов, нейтроны образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет основную ось X2, замедлитель 33 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, и отражатель 34 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X2, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Внешняя поверхность замедлителя 33 имеет первую коническую секцию и вторую коническую секцию, примыкающую к первой конической секции, причем направление конусности первой конической секции противоположно направлению конусности второй конической секции, как показано на фиг. 5, при этом левая сторона внешней поверхности замедлителя 33 выполнена в первой конической секции, постепенно сужающейся по направлению к левой стороне, правая сторона внешней поверхности замедлителя 33 выполнена во второй конической секции, постепенно сужающейся по направлению к правой стороне, причем эти две конические секции соединены друг с другом. Поглотитель 35 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран 36 защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению.
[0068] Предпочтительно мишень 32, замедлитель 33, отражатель 34, поглотитель 35 тепловых нейтронов и экран 36 защиты от излучения в третьем варианте осуществления могут быть теми же, что и в первом варианте осуществления, при этом экран 36 защиты от излучения содержит экран 361 защиты от фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 362 защиты от нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), причем экран 362 защиты от нейтронов может быть расположен на выходе 37 пучка. Между поглотителем 35 тепловых нейтронов и выходом 37 пучка расположен воздушный канал 38. Протез B2 расположен на расстоянии около 1 см от выхода 37 пучка.
[0069] Ниже приведены аналоговые вычисления трех вариантов осуществления с помощью программного обеспечения MCNP (пакет программного обеспечения общего пользования, разработанный Национальной лабораторией Соединенных Штатов в Лос-Аламосе для расчета нейтронов, фотонов, заряженных частиц или транспортировки связанных нейтронов/фотонов/заряженных частиц в сложных геометрических структурах в 3D).
[0070] Среди них в приведенной ниже Таблице 1 показаны характеристики показателей качества пучка в воздухе в трех различных вариантах осуществления (каждый элемент в таблице вычислен в тех же самых единицах выше, таким образом, не повторяется здесь и сходным образом ниже).
[0071] Таблица 1 Показатели Качества Пучка в Воздухе
Показатели качества пучка в воздухе
Канал зазора, заполненный замедлителем
Канал зазора, заполненный отражателем
Канал зазора
Поток надтепловых нейтронов
1,35E+09
1,38E+09
1,42E+09
Загрязнение быстрыми нейтронами
2,35E-13
2,58E-13
2,83E-13
Загрязнение фотонами
1,22E-13
8,92E-14
8,02E-14
Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
0,03
0,02
0,02
Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
0,64
0,64
0,64
[0072] В Таблице 2 показана эффективность дозы в трех вариантах осуществления:
[0073] Таблица 2. Характеристики дозы
Эффективность дозы
Канал зазора, заполненный замедлителем
Канал зазора, заполненный отражателем
Канал зазора
Предпочтительная глубина
10,9
10,9
11,0
Мощность дозы предпочтительной глубины
4,47
4,60
4,78
Средняя мощность
5,66
5,69
5,68
[0074] В Таблице 3 показаны аналоговые значения параметров для оценки эффективности дозы пучка нейтронов в трех вариантах осуществления:
[0075] Таблица 3 Параметры для Оценки Эффективности Дозы Пучка Нейтронов
Параметры
Канал зазора, заполненный замедлителем
Канал зазора, заполненный отражателем
Канал зазора
Время облучения
25,3
24,8
23,9
30,0RBE-Гр Глубина обработки
7,7
7,7
7,7
Максимальная доза опухоли
68,5
69,1
68,8
Максимальная доза здоровой ткани мозга
11,3
11,4
11,4
Максимальная доза кожи
11,0
11,0
11,0
[0076] Примечание: из этих трех таблиц видно, что блок формирования пучка с каналом зазора между замедлителем и отражателем может подавать пучки нейтронов, обладающие наилучшим терапевтическим эффектом.
[0077] Нейтроны, полученные из литиевой мишени, имеют более высокую направленную вперед среднюю энергию. Как показано на фиг. 6, средняя энергия нейтронов составляет около 478 кэВ при угле рассеяния нейтронов от 0° до 30°, и составляет лишь около 290 кэВ от 30° до 180°. Если движущиеся вперед нейтроны сильно сталкиваются с замедлителем вследствие изменения геометрической формы блока формирования пучка, боковые нейтроны могут легко попасть к выходу пучка за счет меньшего столкновения, таким образом, теоретически замедление нейтронов может быть оптимизировано наилучшим образом, при этом может быть эффективно улучшен поток надтепловых нейтронов. В этом случае из геометрических форм блока формирования пучка может быть оценено влияние на поток надтепловых нейтронов различных геометрических форм блока формирования пучка.
[0078] На фиг. 7 показан вид геометрической формы блока формирования пучка в четвертом варианте осуществления. Блок 40 формирования пучка имеет вход 41 пучка, мишень 42, замедлитель 43, примыкающий к мишени 42, отражатель 44, окружающий замедлитель 43, поглотитель 45 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 43, экран 46 защиты от излучения и выход 47 пучка, причем экран 46 защиты от излучения установлен в блоке 40 формирования пучка. Мишень 42 вступает в ядерную реакцию с падающим пучком фотонов из входа 41 пучка для получения нейтронов, замедлитель 43 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, и отражатель 44 выполнен с возможностью отведения нейтронов назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Внешняя поверхность замедлителя 43 является колоннообразной, предпочтительно цилиндрической. Поглотитель 45 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран 46 защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению, при этом между поглотителем 45 тепловых нейтронов и выходом 47 пучка расположен воздушный канал 48.
[0079] На фиг. 8 показан вид геометрической формы блока формирования пучка в пятом варианте осуществления. Блок 50 формирования пучка имеет вход 51 пучка, мишень 52, замедлитель 53, примыкающий к мишени 52, отражатель 54, окружающий замедлитель 53, поглотитель 55 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 53, экран 56 защиты от излучения и выход 57 пучка, причем экран 56 защиты от излучения установлен в блоке 50 формирования пучка. Мишень 52 вступает в ядерную реакцию с падающим пучком фотонов из входа 51 пучка для получения нейтронов, нейтроны образуют пучок нейтронов, пучок нейтронов определяет основную ось X3, замедлитель 53 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, и отражатель 54 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X3, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Внешняя поверхность замедлителя 53 имеет цилиндрическую секцию и коническую секцию, примыкающую к цилиндрической секции, при этом левая сторона внешней поверхности замедлителя 53 выполнена в цилиндрической, правая сторона внешней поверхности замедлителя 53 выполнена с формой конуса, постепенно сужающегося от правой стороны, причем цилиндрическая и конус примыкают друг к другу. Поглотитель 55 тепловых нейтронов используется для поглощения тепловых нейтронов для предотвращения передозировки в поверхностной здоровой ткани в течение терапии; экран 56 защиты от излучения используется для экранирования утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу здоровой ткани, не подвергаемой облучению.
[0080] Предпочтительно мишень 52, замедлитель 53, отражатель 54, поглотитель 55 тепловых нейтронов и экран 56 защиты от излучения в пятом варианте осуществления могут быть теми же, что в первом варианте осуществления, при этом экран 56 защиты от излучения содержит экран 561 защиты от фотонов, выполненный из свинца (Pb), и экран 562 защиты от нейтронов, выполненный из полиэтилена (PE), причем экран 562 защиты от нейтронов может быть расположен на выходе 57 пучка. Между поглотителем 55 тепловых нейтронов и выходом 57 пучка расположен воздушный канал 58. Протез B3 расположен на расстоянии около 1 см от выхода 57 пучка.
[0081] Ниже показаны аналоговые вычисления с помощью MCNP замедлителя с внешней поверхностью, имеющей две противоположные конические секции во втором варианте осуществления, цилиндрического замедлителя в четвертом варианте осуществления и замедлителя с внешней поверхностью, имеющей цилиндрическую секцию и коническую секцию, примыкающую к цилиндрической секции, в пятом варианте осуществления.
[0082] Среди них, в Таблице 4 показаны показатели качества пучка в воздухе в этих трех вариантах осуществления:
[0083] Таблица 4 Показатели качества пучка в воздухе
Показатели качества пучка в воздухе
Цилиндрическая секция
Цилиндрическая секция и коническая секция
Две противоположные конические секции
Поток надтепловых нейтронов
7,14E+08
1,29E+09
1,35E+09
Загрязнение быстрыми нейтронами
2,67E-13
2,40E -13
2,35E-13
Загрязнение фотонами
1,72E-13
1,42E-13
1,22E-13
Отношение потока тепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
0,04
0,03
0,03
Отношение диффузного потока надтепловых нейтронов к потоку надтепловых нейтронов
0,69
0,64
0,64
[0084] В Таблице 5 показана эффективность дозы в трех вариантах осуществления.
[0085] Таблица 5 Параметры дозы
Эффективность дозы
Цилиндрическая секция
Цилиндрическая секция и коническая секция
Две противоположные конические секции
Предпочтительная глубина
11,8
10,9
10,9
Мощность дозы предпочтительной глубины
2,95
4,28
4,47
Предпочтительная мощность
5,52
5,66
5,66
[0086] В Таблице 6 показаны аналоговые значения параметров для оценки эффективности дозы пучка нейтронов в этих трех вариантах осуществления:
[0087] Таблица 6 Параметры для оценки эффективности дозы пучка нейтронов
Параметры
Цилиндрическая секция
Цилиндрическая секция и коническая секция
Две противоположные конические секции
Время облучения (10 мА)
40,7
26,1
25,3
Глубина обработки 30,0RBE-Гр
8,4
7,6
7,7
Максимальная доза опухоли
70,9
67,4
68,5
Максимальная доза здоровой ткани мозга
12,0
11,2
11,3
Максимальная доза кожи
11,0
11,0
11,0
[0088] Примечание: из этих трех таблиц видно, что внешняя поверхность замедлителя может иметь по меньшей мере одну коническую секцию, при этом его пучки нейтронов могут обеспечивать достижение лучшего терапевтического эффекта.
[0089] На фиг. 9 показан шестой вариант осуществления настоящего изобретения, при этом блок 60 формирования пучка имеет вход 61 пучка, мишень 62, замедлитель 63, примыкающий к мишени 62, отражатель 64, окружающий замедлитель 63, поглотитель 65 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 63, экран 66 защиты от излучения и выход 67 пучка, причем экран 66 защиты от излучения расположен внутри блока 60 формирования пучка. Мишень вступает в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа 61 пучка для получения нейтронов, при этом нейтроны образуют пучок нейтронов и этот пучок нейтронов определяет основную ось Х6. Замедлитель 63 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, причем отражатель 64 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X6, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Между замедлителем 63 и отражателем 64 выполнен канал 68 зазора, причем между поглотителем 65 тепловых нейтронов и выходом 67 пучка расположен воздушный канал 69. Этот вариант осуществления является усовершенствованием третьего варианта осуществления. В частности, улучшение заключается в том, что замедлитель 63 содержит две конические конструкции, примыкающие друг к другу в противоположных направлениях. Замедлитель 63 имеет основной корпус 631 и дополнительную секцию 632, окружающую основной корпус 631. Основной корпус 631 содержит цилиндрическую секцию 633 и две конические секции 634, расположенные на двух концах цилиндрической секции 633 и соединенные с двумя концами цилиндрической секции 633, при этом дополнительная секция 632 окружает цилиндрическую секцию 633 и соединена с двумя коническими секциями 634, чтобы обеспечить возможность образования замедлителем 63 двух конических конструкций, примыкающих друг к другу в противоположных направлениях.
[0090] На фиг. 10 показан седьмой вариант осуществления настоящего изобретения, при этом блок 70 формирования пучка имеет вход 71 пучка, мишень 72, замедлитель 73, примыкающий к мишени 72, отражатель 74, окружающий замедлитель 73, поглотитель 75 тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю 73, экран 76 защиты от излучения и выход 77 пучка, причем экран защиты от излучения расположен внутри блока 70 формирования пучка. Мишень вступает в ядерную реакцию с падающим пучком протонов из входа 61 пучка для генерации нейтронов, при этом нейтроны образуют пучок нейтронов и этот пучок нейтронов определяет основную ось Х7. Замедлитель 73 выполнен с возможностью замедления нейтронов до энергий надтепловых нейтронов, причем отражатель 74 выполнен с возможностью отведения нейтронов, отклоненных от основной оси X7, назад для увеличения интенсивности пучка надтепловых нейтронов. Между поглотителем 75 тепловых нейтронов и выходом 77 пучка расположен воздушный канал 78. Общим для седьмого варианта осуществления и шестого варианта осуществления является то, что левая сторона замедлителя 73 представляет собой коническую конструкцию, причем эта коническая конструкция содержит основную корпус 731 и дополнительную секцию, основной корпус имеет коническую секцию 734 и цилиндрическую секцию 733, дополнительная секция 732 окружает цилиндрическую секцию 733, при этом седьмой вариант осуществления и шестой вариант осуществления отличаются тем, что правая сторона замедлителя 63 также представляет собой коническую конструкцию (такую же конструкцию, что и левая сторона замедлителя), примыкающую к конической конструкции на левой стороне в противоположных направлениях, тогда как в седьмом варианте осуществления правая сторона замедлителя 73 представляет собой цилиндрическую конструкцию, примыкающую к конической конструкции на левой стороне. Иными словами, замедлитель 73 в седьмом варианте осуществления выполнен в виде конической конструкции, примыкающей к цилиндрической конструкции.
2
3
2
2
3
2
2
3
[0091] В шестом варианте осуществления и в седьмом варианте осуществления часть 631 (731) основного корпуса замедлителя 63 (73) изготовлена из по меньшей мере одного из DO, AlF, Fluental™, CaF, LiCO, MgF и AlO, при этом дополнительная секция 632 (732) изготовлена из любого из Zn, Mg, Al, Ti, La, Pb, Zr и Bi, причем материал дополнительной секции 632 (732) и материал основного корпуса 631 (731) различен.
2
2
[0092] Были выполнены вычислительные расчеты с помощью программного обеспечения MCNP на основе того, что основной корпус в шестом варианте осуществления и в седьмом варианте осуществления выполнен из MgF, при этом дополнительная секция выполнена из Zn, Mg, Al, Ti, La, Pb, Zr и Bi (для сравнения, в дополнительной секции также используется тот же материал MgF, что и в основном корпусе).
[0093] В Таблице 7 показаны значения вычислений параметров для оценки эффективности дозы пучка нейтронов в этих двух вариантах осуществления.
[0094] Таблица 7: параметры для оценки эффективности дозы пучка нейтронов
Параметры
Дополнительная часть (материал)
MgF<sub>2</sub>
Mg
Al
Zn
Ti
La
Pb
Zr
Bi
Время облучения (10 мА)
33,2
28,5
27,6
34,4
33,5
28,0
28,0
30,3
27,8
Глубина обработки 30,0RBE-Гр
7,49
7,56
7,55
7,58
7,53
7,47
7,47
7,46
7,45
Максимальная доза опухоли
72,2
68,4
67,7
68,7
68,2
63,2
66,5
68,9
66,9
Максимальная доза здоровой ткани мозга
12,0
11,3
11,2
11,3
11,7
10,6
11,1
11,5
11,1
Максимальная доза кожи
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
11,0
2
2
2
2
2
[0095] Из Таблицы 7 видно, что по сравнению со случаем, когда основной корпус и дополнительная секция выполнены из MgF, глубина обработки дозы пучка нейтронов может быть улучшена, если основной корпус выполнен из MgF, а дополнительная секция выполнена из Zn или Ti. Время облучения дозы пучка нейтронов может быть улучшено, если основной корпус выполнен из MgF, а дополнительная секция выполнена из La, Pb, Zr или Bi. При этом глубина обработки и время облучения дозы пучка нейтронов могут быть значительно улучшены, если основной корпус выполнен из MgF, а дополнительная секция выполнена из Mg или Al. Таким образом, предпочтительно основной корпус 631 (731) замедлителя выполнен из MgF, при этом дополнительная секция 632 (732) выполнена из Mg или Al.
[0096] Дополнительно, материалы, включающие в себя Zn, Mg, Al, Ti, La, Pb, Zr и Bi, как показано в таблице 7, могут быть легко получены, при этом стоимость изготовления замедлителя может быть значительно уменьшена, если эти материалы используются для выполнения дополнительной секции.
[0097] Термин "цилиндрическая" или "цилиндрическая секция" или "цилиндрическая конструкция", упоминаемый в варианте осуществления настоящего изобретения, представляет собой элемент с контуром с по существу неизменяемой формой от одной стороны к другой стороне вдоль показанного направления. Одна из линий контура может быть линейным сегментом, сходным с соответствующим сегментом цилиндра, или может быть дугой большой кривизны, приближенной к линейному сегменту, сходной с соответствующим сегментом сферы с большой кривизной. Интегральная поверхность контура может быть непрерывно соединенной или не соединенной, если поверхность цилиндра или сферы с большой кривизной имеет множество выступов и канавок.
[0098] Термин "коническая" или "коническая секция" или "коническая конструкция", упоминаемый в варианте осуществления настоящего изобретения, представляет собой элемент с контуром с по существу конической формой от одной стороны к другой стороне вдоль показанного направления. Одна из линий контура может быть линейным сегментом, сходным с соответствующим сегментом конуса, или может быть дугой, сходной с соответствующим сегментом сферы, при этом интегральная поверхность контура может быть непрерывно соединенной или не соединенной, если поверхность формы конуса или формы сферы имеет множество выступов и канавок.
[0099] Выше показаны и описаны основные принципы, основные признаки и преимущества настоящего изобретения. Специалисту в области техники понятно, что указанные выше варианты осуществления не ограничивают настоящее изобретение в какой-либо форме. Все технические решения, получаемые путем эквивалентной замены или эквивалентных модификаций, подпадают под объем настоящего изобретения.