中子捕获治疗装置的制作方法

本实用新型涉及一种放射线治疗装置，尤其涉及一种中子捕获治疗装置。

背景技术：

随着原子科学的发展，例如钴六十、直线加速器、电子射束等放射线治疗已成为癌症治疗的主要手段之一。然而传统光子或电子治疗受到放射线本身物理条件的限制，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射束途径上大量的正常组织造成伤害；另外由于肿瘤细胞对放射线敏感程度的不同，传统放射治疗对于较具抗辐射性的恶性肿瘤(如：多行性胶质母细胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素细胞瘤(melanoma))的治疗成效往往不佳。

为了减少肿瘤周边正常组织的辐射伤害，化学治疗(chemotherapy)中的标靶治疗概念便被应用于放射线治疗中；而针对高抗辐射性的肿瘤细胞，目前也积极发展具有高相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)的辐射源，如质子治疗、重粒子治疗、中子捕获治疗等。其中，中子捕获治疗便是结合上述两种概念，如硼中子捕获治疗，借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准的中子射束调控，提供比传统放射线更好的癌症治疗选择。

中子捕获治疗过程中会产生各种放射线，如γ射线和中子束，这些放射线会对人体造成不同程度的损伤，其中γ射线具有极强的穿透本领，人体受到γ射线照射时γ射线会与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能破坏构成活细胞组织的主要成分如蛋白质、核酸等，严重会导致细胞死亡；而中子辐射会造成造血器官衰竭，损伤消化系统和中枢神经系统，中子辐射还会产生遗传效应，影响受辐射者的后代发育。因此在中子捕获治疗过程中合理有效的屏蔽这些放射性射线，保护患者不受放射性射线的伤害成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决中子捕获治疗过程中产生的放射线对操作人员或者患者造成的伤害，本实用新型提供了一种中子捕获治疗装置，其包括中子产生部、缓速体、反射体、射束出口和柔性屏蔽体，其中，所述中子产生部用于产生中子，所述中子形成中子射束，中子射束包括快中子；所述缓速体邻接于所述中子产生部并将所述中子产生部产生的快中子缓速至超热中子；所述反射体包围所述缓速体，用于将向周围扩散的中子反射回所述中子射束；所述射束出口用以使被所述缓速体缓速的中子射束通过并对患者进行照射；所述柔性屏蔽体用于患者在进行中子捕获治疗的过程中覆盖患者无需接受中子照射的部位以屏蔽治疗过程中的中子射线，并在外力作用下能够与所述部位的轮廓贴合。

其中所述柔性屏蔽体是指在外力的作用下能够发生形变并贴合患者轮廓的物体，所述物体可以是在外力消除后形变消失的柔软物体；也可以为外力消除后保持所述形变状态的物体，在该状态下需要再额外施加外力才能够消除所述形变。所述柔性屏蔽体在中子捕获治疗过程中可以在外力的作用下贴合患者无需被中子照射的部位以屏蔽治疗过程中存在的各种中子射线，所述外力包括重力。

优选的是，所述中子捕获治疗装置中，所述中子捕获治疗装置包括准直器和热中子吸收体，其中准直器邻接于所述射束出口外侧，用以汇聚从射束出口出来的中子射束；所述热中子吸收体邻接于所述缓速体，用于吸收热中子以避免治疗时对浅层正常组织造成过多剂量。

中子产生部产生的中子射束能量各异，治疗过程中使用的是超热中子，由中子产生部产生的热中子或经缓速体缓速下来的热中子会对周围环境造成中子污染，热中子吸收体可有效降低中子射束中热中子的含量；准直器能够汇聚中子射束，使其有更好的射束品质和治疗效果。

优选的是，所述中子捕获治疗装置中，所述柔性屏蔽体选自石蜡、铅、聚乙烯或含硼的组合物，其中所述含硼的组合物中的硼元素为¹⁰B。

所述含硼的组合物优选为包括硅胶和含¹⁰B元素的中子捕获材料的组合物，其中含¹⁰B元素的中子捕获材料占所述含硼组合物重量的10％～50％。所述柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽作用主要源自含¹⁰B元素的中子捕获材料，尤其是¹⁰B元素，因此含¹⁰B元素的物质含量越高，所述柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽作用越好，但是如果含¹⁰B元素的物质含量过高，相应的硅胶含量就会降低，进而所述柔性屏蔽体的柔性也会大大降低，影响使用效果。

所述含硼的组合物除了包括硅胶和含¹⁰B元素的中子捕获材料外，可以根据本领域技术人员熟知地为了使柔性屏蔽体具有一定的形态而加入适量的固化剂。

进一步地，所述含¹⁰B元素的中子捕获材料优选为¹⁰BN或¹⁰B₄C。

更进一步优选的是，所述柔性屏蔽体的厚度小于等于1cm。在构成柔性屏蔽体的材料及配比固定的前提下，柔性屏蔽体的厚度越厚，其对中子射线的屏蔽线效果越好，但同时柔性屏蔽体的柔性也随着厚度的增加而降低，为了避免柔性屏蔽体的厚度过厚影响其柔性并且为了减轻较重的柔性屏蔽体对患者造成的不适感，本实用新型优选柔性屏蔽体的厚度小于等于1cm，优选为0.5cm、0.7cm和1cm。

在中子捕获治疗过程中，患者待照射的部位需要尽可能靠近准直器的射束出口以提高治疗效果，优选柔性屏蔽体距离准直器最近的距离小于等于20cm。

进一步优选的是，所述中子捕获治疗装置中，所述柔性屏蔽体具有弹性，在中子捕获治疗过程中，所述柔性屏蔽体在弹力的作用下紧贴患者轮廓。

优选的是，所述中子捕获治疗装置中，所述柔性屏蔽体的任一开口处均设有收紧结构，所述收紧结构使柔性屏蔽体在开口处贴合患者轮廓，以避免中子射线从所述开口和患者轮廓之间的空隙进入进而伤害患者的正常组织。

在所述中子捕获治疗装置中，所述柔性屏蔽体覆盖的正常组织在中子捕获治疗过程中接受的辐射剂量小于18Gy/h。

本实用新型所述的柔性屏蔽体用于患者在治疗过程中将无需被中子照射的部位覆盖起来，所述柔性屏蔽体可以剪裁成衣服的形状，也可以是其他能够保护患者不被中子射线伤害的形状。

注：超热中子能区在0.5eV到40keV之间，热中子能区小于0.5eV，快中子能区大于40keV。

本实用新型的有益效果是提供了一种能有效减轻中子射线对患者造成额外伤害的中子捕获治疗装置。

附图说明

图1为加速器式中子捕获治疗装置示意图；

图2为反应堆式中子捕获治疗装置示意图；

图3为测量柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽效果示意图；

图4为裁剪成衣服形状的柔性屏蔽体。

具体实施方式

中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，中子捕获治疗装置根据中子产生部的不同可以分为核反应堆式中子捕获治疗装置或加速器式中子捕获治疗装置。如图1所示加速器硼中子捕获治疗装置的基本组件通常包括用于对带电粒子(如质子、氘核等)进行加速的加速器11a、靶材T、射束整形体30a、准直器40a和用柔性屏蔽体50包裹的待照射体51b，其中加速带电粒子P与金属靶材T作用产生中子，依据所需的中子产率与能量、可提供的加速带电粒子能量与电流大小、金属靶材的物化性等特性来挑选合适的核反应，常被讨论的核反应有⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B，这两种反应皆为吸热反应。两种核反应的能量阀值分别为1.881MeV和2.055MeV，由于硼中子捕获治疗的理想中子源为keV能量等级的超热中子，理论上若使用能量仅稍高于阀值的质子轰击金属锂靶材，可产生相对低能的中子，不须太多的缓速处理便可用于临床，然而锂金属(Li)和铍金属(Be)两种靶材与阀值能量的质子作用截面不高，为产生足够大的中子通量，通常选用较高能量的质子来引发核反应。

理想的靶材应具备高中子产率、产生的中子能量分布接近超热中子能区(将在下文详细描述)、无太多强穿辐射产生、安全便宜易于操作且耐高温等特性，但实际上并无法找到符合所有要求的核反应，本实用新型的实施例中采用锂金属制成的靶材。但是本领域技术人员熟知的，靶材的材料也可以由其他除了上述谈论到的金属材料之外的金属材料制成。

针对热移除系统的要求则根据选择的核反应而异，如⁷Li(p,n)⁷Be因金属靶材(锂金属)的熔点及热导系数差，对热移除系统的要求便较⁹Be(p,n)⁹B高。本实用新型的实施例中采用⁷Li(p,n)⁷Be的核反应。

无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应，产生的皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子；对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。

国际原子能机构(IAEA)针对临床硼中子捕获治疗用的中子源，给定了五项空气射束品质因素建议，此五项建议可用于比较不同中子源的优劣，并供以作为挑选中子产生途径、设计射束整形体时的参考依据。这五项建议分别如下：

超热中子射束通量Epithermal neutron flux>1x 10⁹n/cm²s

快中子污染Fast neutron contamination<2x 10^-13Gy-cm²/n

光子污染Photon contamination<2x 10^-13Gy-cm²/n

热中子与超热中子通量比值thermal to epithermal neutron flux ratio<0.05

中子电流与通量比值epithermal neutron current to flux ratio>0.7

注：超热中子能区在0.5eV到40keV之间，热中子能区小于0.5eV，快中子能区大于40keV。

1、超热中子射束通量：

中子射束通量和肿瘤中含硼药物浓度共同决定了临床治疗时间。若肿瘤含硼药物浓度够高，对于中子射束通量的要求便可降低；反之，若肿瘤中含硼药物浓度低，则需高通量超热中子来给予肿瘤足够的剂量。IAEA对于超热中子射束通量的要求为每秒每平方厘米的超热中子个数大于10⁹，此通量下的中子射束对于目前的含硼药物而言可大致控制治疗时间在一小时内，短治疗时间除了对病人定位和舒适度有优势外，也可较有效利用含硼药物在肿瘤内有限的滞留时间。

2、快中子污染：

由于快中子会造成不必要的正常组织剂量，因此视之为污染，此剂量大小和中子能量呈正相关，因此在中子射束设计上应尽量减少快中子的含量。快中子污染定义为单位超热中子通量伴随的快中子剂量，IAEA对快中子污染的建议为小于2x 10^-13Gy-cm²/n。

3、光子污染(γ射线污染)：

γ射线属于强穿辐射，会非选择性地造成射束路径上所有组织的剂量沉积，因此降低γ射线含量也是中子束设计的必要要求，γ射线污染定义为单位超热中子通量伴随的γ射线剂量，IAEA对γ射线污染的建议为小于2x 10^-13Gy-cm²/n。

4、热中子与超热中子通量比值：

由于热中子衰减速度快、穿透能力差，进入人体后大部分能量沉积在皮肤组织，除黑色素细胞瘤等表皮肿瘤需用热中子作为硼中子捕获治疗的中子源外，针对脑瘤等深层肿瘤应降低热中子含量。IAEA对热中子与超热中子通量比值建议为小于0.05。

5、中子电流与通量比值：

中子电流与通量比值代表了射束的方向性，比值越大表示中子射束前向性佳，高前向性的中子束可减少因中子发散造成的周围正常组织剂量，另外也提高了可治疗深度及摆位姿势弹性。IAEA对中子电流与通量比值建议为大于0.7。

利用假体得到组织内的剂量分布，根据正常组织及肿瘤的剂量-深度曲线，推得假体射束品质因素。如下三个参数可用于进行不同中子射束治疗效益的比较。

1、有效治疗深度：

肿瘤剂量等于正常组织最大剂量的深度，在此深度之后的位置，肿瘤细胞得到的剂量小于正常组织最大剂量，即失去了硼中子捕获的优势。此参数代表中子射束的穿透能力，有效治疗深度越大表示可治疗的肿瘤深度越深，单位为cm。

2、有效治疗深度剂量率：

即有效治疗深度的肿瘤剂量率，亦等于正常组织的最大剂量率。因正常组织接收总剂量为影响可给予肿瘤总剂量大小的因素，因此参数影响治疗时间的长短，有效治疗深度剂量率越大表示给予肿瘤一定剂量所需的照射时间越短，单位为cGy/mA-min。

3、有效治疗剂量比：

从大脑表面到有效治疗深度，肿瘤和正常组织接收的平均剂量比值，称之为有效治疗剂量比；平均剂量的计算，可由剂量-深度曲线积分得到。有效治疗剂量比值越大，代表该中子射束的治疗效益越好。

为了使射束整形体在设计上有比较依据，除了五项IAEA建议的空气中射束品质因素和上述的三个参数，本实用新型实施例中也利用如下的用于评估中子射束剂量表现优劣的参数：

1、照射时间≤30min(加速器使用的质子电流为10mA)

2、30.0RBE-Gy可治疗深度≥7cm

3、肿瘤最大剂量≥60.0RBE-Gy

4、正常脑组织最大剂量≤12.5RBE-Gy

5、皮肤最大剂量≤11.0RBE-Gy

注：RBE(Relative Biological Effectiveness)为相对生物效应，由于光子、中子会造成的生物效应不同，所以如上的剂量项均分别乘上不同组织的相对生物效应以求得等效剂量。

中子捕获治疗作为一种有效的治疗癌症的手段近年来的应用逐渐增加，其中以硼中子捕获治疗最为常见，下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它成分或其组合的存在或添加。

中子捕获治疗装置中使用的中子由中子产生部产生，根据中子产生的原理不同中子产生部分为加速器式中子产生部和反应堆式中子产生部，无论硼中子捕获治疗的中子源来自核反应堆或加速器带电粒子与靶材的核反应，产生的皆为混合辐射场，即射束包含了低能至高能的中子、光子；对于深部肿瘤的硼中子捕获治疗，除了超热中子外，其余的辐射线含量越多，造成正常组织非选择性剂量沉积的比例越大，因此这些会造成不必要剂量的辐射应尽量降低。

<实施例1>

如图1所示加速器式中子捕获治疗装置包括加速器式中子产生部10a、射束整形体30a、准直器40a和柔性屏蔽体50组成，其中加速器式中子产生部10a包括加速器11a和内嵌于射束整形体30a的中子产生体12a，其中中子产生体12a内部有靶材T；加速器11a用于加速带电粒子P，带电粒子和靶材T作用产生中子。射束整形体30a包括反射体31a、缓速体32a和热中子吸收体33a，加速器式中子产生部10a生成的中子由于能谱很广，除了超热中子满足治疗需要以外，需要尽可能的减少其他种类的中子含量以避免对操作人员或患者造成伤害，因此从中子产生部10a出来的中子需要经过缓速体32a将其中的快中子能量调整到超热中子能区，缓速体32a的材料可以使用含有Al，Mg，Ca，Pb，F等元素的化合物或者铁氟龙中的一种或多种组合；反射体31a包围所述缓速体32a，并将穿过缓速体32a向四周扩散的中子反射回中子射束N以提高中子的利用率，缓速体32a后部有一个热中子吸收体33a，所述热中子吸收体33a用于吸收穿过缓速体32a的热中子以减少中子射束N中热中子的含量，热中子吸收体33a后部有一个射束出口34a用以使中子射束N通过，另外，所述射束出口34a外部设置一个准直器40，准直器40用以汇聚所述中子射束，使中子射束在进行治疗的过程中具有较高的靶向性；中子射束经过准直器40汇聚后照射到患者51身上，而通过准直器40的中子射束及混杂在所述中子射束中的伽马射线照射到患者无需治疗的部位时往往会对患者造成严重的伤害，因此患者51在治疗准备时需要将无需被超热中子照射的部位用柔性屏蔽体50遮挡加以保护，柔性屏蔽体50就起到将待照射部位52暴露于中子射束的照射范围内并且保护患者不被更多的中子射线伤害的作用，所述柔性屏蔽体50包围患者身体的正常部位，并且可以在外力的作用下贴合患者51的身体，图1所示的柔性屏蔽装置和患者有一定距离只是为了说明柔性屏蔽装置能够根据患者身体的轮廓而任意改变其形状，对柔性屏蔽体是否贴合患者没有任何限制意义，相反，当柔性屏蔽体贴合患者时能够更好地防止中子射线在柔性屏蔽体内通过改变传播的方向而对人体造成伤害。所述柔性屏蔽体51可以具有弹性，在自身的弹力作用下紧贴患者的身体。

<实施例2>

如图2所示反应堆式中子捕获治疗装置包括反应堆式中子产生部10b、射束整形体30b、准直器40b和柔性屏蔽体50，其中反应堆产生的中子为混合辐射场，射束整形体30b中的缓速体32b用于将混合辐射场中的快中子缓速为超热中子，而反射体31b将向四周扩散的中子反射回中子射束N，热中子吸收体33b用于吸收经缓速体32b缓速过的中子射束中的热中子以提高中子射束中超热中子的含量；超热中子射束通过射束出口34b到达患者51，其中位于射束出口34b处的准直器40b用于汇聚中子射束N以提高治疗的精准度。柔性屏蔽体50将患者51的待照射部位52暴露于中子射束中而将患者无需治疗的部位覆盖起来，这样患者51的正常组织则可避免被中子射束及混杂的中子射束中的伽马射线伤害。

<实施例3>

在利用中子捕获治疗装置对患者进行治疗时，将由准直器汇聚后的中子射束N’对患者的病患部位进行照射，同时，用柔性屏蔽体对不需要进行照射的部位加以保护。

图3所示为测量柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽效果的示意图，N’为加速器式中子捕获治疗装置或反应堆式中子捕获治疗装置中被准直器汇聚后的中子射束，图3中50所示的是厚度为1cm的柔性屏蔽体，其中柔性屏蔽体包括硅胶和¹⁰BN，本实施例分别选用¹⁰BN的重量为柔性屏蔽体重量的10％、20％、30％、40％和50％的材料作为柔性屏蔽体分别计算具有不同含量¹⁰BN的柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽效果。图3中53所示的是用于测量中子反应率的侦检器，

侦检器检测中子反应率是根据铜片和中子反应并产生伽马射线，并且产生的伽马射线的数量和经过铜片的中子通量成正比关系，侦检器通过测量所述伽马射线的数量来确定中子反应率，为了简化对本实施例的描述，在本实施例中，所述侦检器的位置表达的均是和中子反应产生伽马射线的铜片的位置。

本实施例用参数A评述柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽效果，其中，

A＝RR/RR_ref

其中RR为侦检器在图3所示的位置时，在侦检器和中子射束中间设置柔性屏蔽体，侦检器检测到的中子反应率；

RR_ref为侦检器在图3所示的位置时，在侦检器和中子射束中间不设置柔性屏蔽体，侦检器测到的中子反应率。

由此可见A的值越小，说明柔性屏蔽体对中子的屏蔽效果越好。

侦检器测量RR和RR_ref时，其相对于准直器的位置固定不变。

在上述实验条件下，当柔性屏蔽体分别含有10％、20％、30％、40％和50％的¹⁰BN时，其相应的A值分别为：8.3％、7.5％、6.2％、5.4％/和4.9％，由此可见柔性屏蔽体材料中添加¹⁰BN能有效的屏蔽中子射线，并且随着¹⁰BN含量的增多，柔性屏蔽体对中子射线的屏蔽作用变强。

<实施例4>

为了提高患者在接受治疗过程中的舒适度，柔性屏蔽体可以根据需要裁剪成各种形状以保护患者，优选的是所述柔性屏蔽体裁剪成衣服的形状(如图4所示)，并且柔性屏蔽体可以通过裁剪使患者需要照射中子束的部位露出来。

本实用新型揭示的中子捕获治疗装置并不局限于以上实施例所述的内容以及附图所表示的结构。在本实用新型的基础上对其中构件的材料、形状及位置所做的显而易见地改变、替代或者修改，都在本实用新型要求保护的范围之内。