一种具有旋转靶体的束形整形体

1.本发明涉及bnct硼中子俘获治疗的技术领域，尤其涉及一种用于深部肿瘤治疗的束形整形体。


背景技术：

2.目前，光子或带电粒子治疗受限于射线性质，在杀死肿瘤细胞的同时，也会对射线途经区域的正常组织造成较大伤害，而且，对于多行性胶质母细胞瘤、黑色素细胞瘤等高抗辐射性肿瘤细胞，采用传统的放射治疗疗效往往不佳。兼具肿瘤周边正常组织的辐射伤害小，在靶标区域具备高相对生物学效应的中子俘获治疗借由含硼药物在肿瘤细胞的特异性集聚，配合精准调控的中子束，提供比传统射线更好的癌症治疗选择。
3.硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy,bnct)利用硼(
10
b)的热中子俘获截面很大这一特性，载硼(10b)在肿瘤区域富集，热中子/超热中子穿过一定厚度的生物组织后，借由
10
b(n,α)7li反应产生4he和7li两个带电粒子，平均能量分别为0.84mev和1.47mev，具有高let、短射程，其中α粒子的let与射程为 150kev/μm、4～5μm，而7li为175kev/μm、8～9μm，二者射程在细胞尺度范围，相当于一个细胞大小，因此对于生物体造成的辐射伤害限制在细胞层面。当载硼药物选择性聚集于肿瘤细胞，搭配适当的中子放射源，便可实现在不对正常组织造成太大伤害的前提下，达到局部杀死肿瘤细胞的目的。
4.硼中子俘获治疗的疗效取决于肿瘤细胞中硼(
10
b)浓度和到达该区域的热中子数量，因此，除了高性能含硼药物的开发，中子源束流品质的改善在硼中子俘获治疗中亦占据重要地位。
5.公开号为cn104548388b的中国发明申请公开了一种用于中子捕获治疗的射束整形体，提供一种用于中子捕获治疗的射束整形体，其中，射束整形体包括射束入口、靶材、邻接与靶材的缓速体、包围在缓速体外的反射体、与缓速体邻接的热中子吸收体、设置在射束整形体内的辐射屏蔽和射束出口。靶材与自射束入口入射的质子束发生核反应以产生中子，中子形成中子射束，中子射束限定一根主轴，缓速体将自靶材产生的中子减速至超热中子能区，缓速体设置成包含至少一个锥体状的形状，反射体将偏离主轴的中子到会主轴以提高超热中子射束强度，热中子吸收体用于吸收热中子以避免治疗时与浅层组织造成过多剂量，辐射屏蔽用于屏蔽渗漏的中子和光子以减少非照射区的正常组织剂量。该专利存在以下缺陷：
6.(1)、缓速体是一一体成型锥体状的慢化体，这种结构的慢化体不利于加工及制造，且慢化后中子通量无法满足治疗深部肿瘤的效果；
7.(2)、质子入射管道是中空圆柱状的，中空圆柱状的通道容易使得从该区域泄露的中子较多，利用率不高，且还会对加速器端造成危害。


技术实现要素：

8.本发明针对现有技术中的一个或多个问题，提出了一种具有旋转靶体的束形整形
体，旨在解决上述背景技术中提出的技术问题。
9.本发明提出的一种具有旋转靶体的束形整形体，其包括质子束流孔道、旋转靶、慢化体、包围在慢化体和质子束流孔道外的反射体、与慢化体邻接的热中子吸收层、邻接于热中子吸收层的伽马屏蔽层、以及设置在所述束线整形体内的准直体，其特征在于：所述的束形整形体内还设置有用于安装旋转靶的靶体容器，所述靶体容器与质子束流孔道连通，并开设于反射体和慢化体内的；
10.所述的旋转靶包括旋转轴以及固定在旋转轴端上的靶体，所述靶体可拆卸式安装在靶体容器内，并设置在质子束流孔道的末端；
11.所述靶体容器呈中空圆柱状。
12.在一种具体的实施方式中，所述的慢化体是圆台阶梯轴状或圆柱阶梯轴状的，该阶梯轴段的数量是2～10段；
13.所述的阶梯轴段靠近旋转靶部分的阶梯轴端面外径最大，靠近热中子吸收层部分的阶梯轴端面外径最小；
14.所述外径最大的阶梯轴段包围在质子束流孔道的末端外，且该阶梯轴段的后部开设有第一凹槽，所述第一凹槽与质子束流孔道连通；
15.所述反射体上开设有与第一凹槽相对应的第二凹槽，所述反射体与慢化体组合安装后，第一凹槽与第二凹槽形成用于安装旋转靶的靶体容器。
16.在一种具体的实施方式中，所述的靶体容器厚度范围为53～120mm，且所述靶体容器的内径范围为702～803mm。
17.在一种具体的实施方式中，所述外径最小的阶梯轴段与反射体之间存在有间隙，所述间隙范围为1～20mm；
18.所述热中子吸收层与外径最小的阶梯轴段相邻接。
19.在一种具体的实施方式中，所述的质子束流孔道是圆柱状的，所述质子束流孔道内设置有圆环状的阻挡块。
20.在一种具体的实施方式中，所述的质子束流孔道内的阻挡块设置在距离靶体容器0～10mm的位置。
21.在一种具体的实施方式中，所述的热中子吸收层的外径大于慢化体的外径。
22.在一种具体的实施方式中，所述阶梯轴段的厚度范围为50～100mm。
23.在一种具体的实施方式中，所述相邻两块阶梯轴段之间的外径相差范围为0～50mm。
24.在一种具体的实施方式中，所述旋转靶还包括屏蔽旋转轴，所述屏蔽旋转轴与旋转轴的另一端固定连接，所述屏蔽旋转轴的外径大于旋转轴的外径；
25.所述反射体内开设有供旋转轴贯穿反射体到靶体容器内的第一旋转轴孔，所述第一旋转轴孔与靶体容器相连通；
26.所述反射体内开设有供屏蔽旋转轴贯穿反射体到第一旋转轴孔的第二旋转轴孔，所述第二旋转轴孔的外径大于第一旋转轴孔的外径，且屏蔽旋转轴的外径大于第一旋转轴孔的外径。
27.本发明提供的一种具有旋转靶体的束形整形体，具有如下的有益效果：
28.1、本发明的慢化体，通过设计呈圆柱阶梯轴状的，这样的结构设计更易于加工、维
护或更换，且组装与拆卸也方便，呈圆柱阶梯轴状的慢化体可有效避免直通束；
29.2、本发明的靶体容器通过设置在慢化体和反射体的内部，且靶体深入到慢化体中的深度不小于50mm，有利于反冲中子得到充分的慢化，也提升引出口的超热中子通量；
30.3、本发明中外径最小的慢化体阶梯轴段与反射体之间存在有间隙，这样能增加引出口的超热中子的泄露，提高超热中子通量；
31.4、本发明的质子束流孔道内通过设置有圆环状的阻挡块，既降低了反冲中子往加速器端的泄露，减少对加速器端的辐照剂量，又提升了引出口处的超热中子通量，也减小超热中子束流的损失。
附图说明
32.为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：
33.图1是实施例一的横截面结构示意图；
34.图2是实施例二的横截面结构示意图；
35.图3是实施例三的横截面结构示意图；
36.图4是实施例四的横截面结构示意图；
37.图5是实施例五的横截面结构示意图；
38.图6是变形例一的横截面结构示意图；
39.图7是变形例二的横截面结构示意图；
40.图8是变形例二(a)与变形例一(b)之间的引出口中子能谱关系图；
41.图9是变形例一(b)与实施例一(c)之间的引出口中子能谱关系图；
42.图10是实施例一(c)、实施例二(d)与实施例三(e)之间的引出口中子能谱关系图；
43.图11是实施例三(e)与实施例四(f)之间的引出口中子能谱关系图；
44.其中，图中各附图标记：
45.1-束线整形体、11-质子束流孔道、12-旋转靶、121-靶体、122-旋转轴、123
‑ꢀ
屏蔽旋转轴、13-慢化体、131-前端体、132-中端体、133-后端体、14-反射体、15
‑ꢀ
靶体容器、16-热中子吸收层、17-辐射屏蔽层、18-准直体、19-引出口、20-间隙、 21-阻挡块。
具体实施方式
46.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
47.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存
在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
48.实施例一
49.如图1所示，本发明提出的一种具有旋转靶体的束形整形体，其包括质子束流孔道和旋转靶，以质子入射的方向为正方向，则质子束流孔道一端设置有加速器，另一端设置有旋转靶，以质子入射处为前端，则引出口为后端(即超热中子束流射出端)，由此可知，旋转靶是设置在质子束流孔道的末端。
50.该束形整形体还包括慢化体、包围在慢化体和质子束流孔道外的反射体、与慢化体邻接的热中子吸收层、邻接于热中子吸收层的伽马屏蔽层、以及设置在束线整形体内中子引出口的准直体；另外，热中子吸收层的外径大于慢化体的外径。
51.具体地，因现有用于慢化中子束流的一般都是一体成型呈锥体状的慢化体，这种结构的慢化体不利于加工及制造，而且慢化后中子通量无法满足治疗深部肿瘤的效果，同时，传统的中子发生靶都是固定式结构，位置不可移动，当靶体的使用寿命到尽或产生中子量方面未能达到所需要求，拆卸与安装都非常麻烦。所以，本发明实施例的束形整形体内还设置有用于安装旋转靶的靶体容器，该靶体容器是圆柱中空状，且与质子束流孔道相连通；以及，该靶体容器是开设于反射体和慢化体内的，位于慢化体部分的靶体容器与质子束流孔道相连通，具体来说，是反射体内挖空的第一凹槽与慢化体内挖空的第二凹槽相合并成靶体容器，并且该靶体容器厚度范围为53～120mm，本实施例优选53mm，这样靶体容器厚度越小，可提高总中子注量率和超热中子注量率；另外，本实施例过程中旋转靶位于质子束流孔道末端的部分是深入到慢化体深度不小于50mm的位置，以及慢化体的外径大于质子束流孔道的外径。本领域技术人员还可以这样理解：反射体内挖空的第一凹槽厚度范围为53～ 120mm，优选53mm，慢化体内挖空的第二凹槽厚度范围为53～120mm，优选53mm，两者相合并成靶体容器。
52.实施例二
53.如图2所示，本实施例在前述实施例一的基础上进行优化，具体地，本实施例过程中的慢化体是圆柱阶梯轴状的，该阶梯轴段的数量是2～10段，优选是2～8段，最好是4段。本领域技术人员也可以这样理解：以质子入射处为前端，慢化体可以依次包括一前端体、若干中端体及一后端体，该前端体、中端体和后端体组成圆柱阶梯轴状的慢化体，该中端体的阶梯轴段数量是0～8段，优选是0～6段，最好是2 段；并且以质子入射的方向为正方向，阶梯轴段按照外径不同呈逐渐减少分布(本领域技术人员容易理解的是：以质子入射的方向为正方向，前端体、中端体及后端体按照外径不同呈逐渐减少分布，且中端体的阶梯轴段按照外径不同呈逐渐减少分布)，此时，阶梯轴段靠近旋转靶部分的阶梯轴端面外径最大(本领域技术人员容易理解的是：前端体是外径最大的阶梯轴段)，靠近热中子吸收层部分的阶梯轴端面外径最小(本领域技术人员容易理解的是：后端体是外径最小的阶梯轴段)；当然，除了以质子入射的方向为正方向，本领域技术人员也可以理解为：以阶梯轴靠近热中子吸收层的方向，阶梯轴段外径逐渐减少。每块阶梯轴段的厚度范围为50～ 100mm，优选50mm，相邻两块阶梯轴段之间的外径相差0～50mm，优选20mm，这样的慢化体结构更易于加工、维护或更换，且组装与拆卸也方便，呈圆柱阶梯轴状的慢化体可有效避免直通束，实现了在不
提高质子打靶功率的前提下，能大大提高超热中子束流的通量，提升了束形整形体的经济性。
54.同时，(外径最大的阶梯轴段)前端体包围在质子束流孔道的末端外，也包围在质子打靶区域的靶体容器和旋转体外，用于慢化反冲中子，提升引出口的超热中子通量。因此，本实施例中的第一凹槽是开设于前端体的后部，并与质子束流孔道相连通，而反射体与圆柱阶梯轴状的慢化体组合安装后，第一凹槽与第二凹槽形成用于安装旋转靶的靶体容器，该靶体容器的内径范围为702～803mm，而旋转靶包括旋转轴以及固定在旋转轴端上的靶体，且靶体外径范围为700～800mm，以及，靶体设置在靶体容器内，并设置在质子束流孔道的末端位置，且靶体深入到前端体中的深度不小于50mm，有利于反冲中子得到充分的慢化。由此可知，在便于加工的慢化体结构基础上，采用使用寿命长及易安装拆卸的旋转靶，可以实现超热中子通量的持久性，也提高打靶效率。
55.还需要说明的是，本发明实施例过程中的慢化体除了采用圆柱阶梯轴状的，也可以采用圆台阶梯轴状的，或者其它能形成阶梯轴状的结构。
56.另外，热中子吸收层的外径是大于(外径最大的阶梯轴段)前端体的外径，用于吸收热中子，防止热中子的逃逸，避免治疗时与浅表层组织造成过多的剂量；而邻接于热中子吸收层的伽马屏蔽层，用于屏蔽泄露的中子和光子，以减少非照射区的正常组织剂量。
57.实施例三
58.如图3所示，本实施例在前述实施例二的基础上进一步的优化，具体地，本实施例过程中的后端体(外径最小的阶梯轴段)与反射体之间存在有间隙，设计的间隙不能过大，过大的间隙会明显增大引出口的快中子成分，间隙不能过小，过小的间隙会使得引出口超热中子成分增加有限，所以，间隙范围为1～20mm，优选10mm，这样能增加引出口的超热中子的泄露，提高超热中子通量，并且(外径最小的阶梯轴段)后端体与热中子吸收层相邻接，具有较好的经济性。
59.实施例四
60.如图4所示，本实施例在前述实施例三的基础上再进一步的优化，具体地，本实施例的质子束流孔道是呈中空圆柱状的，在质子束流孔道内设置有圆环状的阻挡块，且该阻挡块设置在距离靶体容器0～10mm的位置(即阻挡块设置在距离质子束流孔道与靶体容器相连通口处0～10mm)，本实施例优选0mm，这样的结构设计紧凑、灵巧，既降低了反冲中子往加速器端的泄露，减少对加速器端的辐照剂量，又提升了引出口处的超热中子通量，也减小超热中子束流的损失。
61.实施例五
62.如图5所示，本实施例在前述实施例一至四的基础上再，具体地，本实施例的旋转靶还包括屏蔽旋转轴，屏蔽旋转轴一端与旋转轴另一端固定连接，该屏蔽旋转轴的另一端与驱动机构连接，屏蔽旋转轴的外径大于旋转轴的外径；
63.反射体内开设有供旋转轴贯穿反射体到靶体容器内的第一旋转轴孔，第一旋转轴孔与靶体容器相连通，此处旋转轴与第一旋转轴孔之间的缝隙小于1mm；
64.反射体内开设有供屏蔽旋转轴贯穿反射体到第一旋转轴孔的第二旋转轴孔，第二旋转轴孔的外径大于第一旋转轴孔的外径，且屏蔽旋转轴的外径大于第一旋转轴孔的外径，此处旋转轴与第二旋转轴孔之间的缝隙小于1mm。
65.这样，孔缝隙在小于1mm的结构下，打靶产生的反冲中子在极端条件下，可能会进入到孔缝隙中，但是，其首先进入反射体的第一旋转轴孔孔缝隙，由于屏蔽旋转轴的外径大于第一旋转轴孔的外径，使得中子无法进入到第二旋转轴孔内，避免通过孔缝隙外泄，并且旋转轴孔都被反射体包围着，中子是无法泄露到本发明的束形整形体外。
66.当然，本实施例过程中，可以在屏蔽旋转轴与驱动机构之间设置一比屏蔽旋转轴外径更大的旋转轴，或者，还可以在屏蔽旋转轴与驱动机构之间设置多段呈阶梯轴状的旋转轴，靠近屏蔽旋转轴的旋转轴段外径小，靠近驱动机构的旋转轴段外径大，但是靠近屏蔽旋转轴的旋转轴段外径要比屏蔽旋转轴的外径大，这样可以完全杜绝中子通过孔缝隙外泄。
67.变形例一
68.如图6所示，本变形例与实施例一相比，不同的是：本变形例中用于安装旋转靶的靶体容器是开设于反射体内的，且靶体容器与质子束流孔道相连通，并设置于慢化体的前表面；具体来说，是反射体内挖空的一凹槽与慢化体的前表面相合并成靶体容器，该凹槽厚度(即靶体容器厚度)范围为53～120mm，本变形例优选53mm。
69.变形例二
70.如图7所示，本变形例与变形例二相比，不同的是：本变形例中靶体容器的厚度(即凹槽厚度)优选120mm。
71.对比例一
72.通过实验对比，得出变形例一与变形例二的引出口中子注量率(n/cm2/p)的对比数据表如下：
[0073][0074]
如图8所示是变形例二(a)与变形例一(b)之间的引出口中子能谱关系图，由此可知，变形例一的靶体容器厚度设置为53mm，相比变形例二中厚度120mm的靶体容器，变形例一的总中子注量率和超热中子注量率均有明显的提高。
[0075]
对比例二
[0076]
通过实验对比，得出变形例一与实施例一的引出口中子注量率(n/cm2/p)的对比数据表如下：
[0077][0078]
如图9所示是变形例一(b)与实施例一(c)之间的引出口中子能谱关系图，由此可知，实施例一中通过慢化体材料包裹了位于质子打靶区域的靶体容器及旋转靶，相比变形例一，实施例一的总中子注量率提高、超热中子注量率提高及超热中子占比提高。
[0079]
对比例三
[0080]
通过实验对比，得出实施例一、实施例二与实施例三的引出口中子注量率 (n/cm2/p)的对比数据表如下：
[0081][0082]
如图10所示是实施例一(c)、实施例二(d)与实施例三(e)之间的引出口中子能谱关系图，由此可知，不管实施例二中通过慢化体采用圆柱阶梯轴状，还是实施例三中通过在(外径最小的阶梯轴段)后端体与反射体之间设计有间隙时，相比实施例一，实施例二的超热中子注量率及超热中子占比提升更高，实施例三的总中子注量率提升更高。
[0083]
变形例四
[0084]
通过实验对比，得出实施例三与实施例四的引出口中子注量率(n/cm2/p)的对比数据表如下：
[0085][0086]
如图11所示是实施例三(e)与实施例四(f)之间的引出口中子能谱关系图，由此可知，实施例四在质子束流孔道内设置有圆环状的阻挡块，且该阻挡块设置在距离靶体容器0的位置，相比实施例三，实施例四的引出口处总中子注量率和超热中子注量率明显提高，超热中子占比也明显提高，并且入射通道泄露中子显著降低。
[0087]
另外，在本发明所有实施例、变形例以及对比例的过程中需要说明的是：本发明所提及的快中子是高于10kev的，本发明所提及的超热中子是位于0.5ev至10kev 之间的，本发明所提及的热中子是低于0.5ev的。
[0088]
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。