Блок формирования пучка для нейтронно-захватной терапии

Изобретение относится к медицине. Блок формирования пучка для нейтронно-захватной терапии содержит вход пучка, мишень для генерации ядерной реакции с протонным пучком, проходящим от входа пучка, для получения нейтронов, которые формируют нейтронный пучок, образующий главную ось, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, для замедления нейтронов, генерируемых мишенью, до диапазона энергий эпитепловых нейтронов, отражатель, окружающий указанный замедлитель, для направления отклоненных нейтронов обратно к главной оси для концентрации эпитепловых нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерных доз для поверхностных здоровых тканей при терапии, радиационный экран для защиты от рассеивающихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровых тканей в необлучаемых областях, выход пучка и сменное устройство, формирующее выход пучка. Причем сменное устройство выполнено с возможностью отсоединения от блока формирования пучка для изменения диапазона облучения нейтронного пучка. При этом сменное устройство является частью отражателя и частью радиационного экрана. Применение данного изобретения позволит повысить эффективность распространения дозы облучения. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

[001] Настоящее изобретение относится в целом к блоку формирования пучка, и в частности к блоку формирования пучка для нейтронно-захватной терапии.

Уровень техники

[002] С развитием атомной технологии радиотерапия с использованием кобальта-60, линейных ускорителей и электронных пучков стала одним из основных средств для терапии рака. Тем не менее, традиционная фотонная или электронная терапия имеет физические ограничения из-за радиоактивных лучей, например, она не только уничтожает опухолевые клетки, но и может привести к повреждению большого количества здоровых тканей. Кроме того, из-за различной чувствительности опухолевых клеток к радиоактивным лучам, во многих случаях обычная радиотерапия не обладает должной эффективностью для лечения злокачественных опухолей, обладающих более высокой радиационной стойкостью (например: мультиформная глиобластома и меланома).

[003] Для того чтобы уменьшить радиационное повреждение здоровых тканей вокруг опухоли, в радиотерапии используется концепция целевой терапии в области химиотерапии. В то же время для опухолевых клеток с высокой радиационной стойкостью также активно разрабатываются источники излучения, обладающие высокой относительной биологической эффективностью (ОБЭ). Среди них, в нейтронно-захватной терапии совмещают целевую терапию с ОБЭ, например бор-нейтронно-захватная терапия (БНЗТ). Благодаря особому группированию борсодержащих препаратов в опухолевых клетках и точной регулировке нейтронного пучка, БНЗТ обеспечивает лучший эффект при терапии рака по сравнению с традиционной радиотерапией.

[004] Преимущество БНЗТ основывается на том, что бор (¹⁰В)-содержащие препараты имеют высокое сечение захвата нейтронов и обеспечивают получение тяжелых заряженных частиц ⁴He и ⁷Li в результате захвата нейтронов ¹⁰B(n,α)⁷Li и ядерной реакции деления. На фиг. 1 и фиг. 2 схематично показана реакция захвата нейтронов бором, где две заряженные частицы, средняя энергия которых составляет около 2,33 МэВ, характеризуются линейной передачей энергии (LET) и малым радиусом действия. Величина LET и радиус действия альфа-частиц соответственно составляют 150 кэВ/мкм и 8 мкм, а указанные величины для тяжелых заряженных частиц ⁷Li соответственно составляют 175 кэВ/мкм и 5 мкм, тогда как общий радиус действия двух частиц приблизительно равен размеру одной ячейки. Следовательно, радиационное повреждение живым организмам может быть ограничено на клеточном уровне. Когда борсодержащие препараты избирательно собраны в опухолевых клетках, только опухолевые клетки будут разрушаться локально подходящим источником нейтронного излучения, без серьезного повреждения здоровых тканей.

[005] БНЗТ также хорошо известна как бинарная терапия рака, так как ее эффективность зависит от концентрации борсодержащих препаратов и количества тепловых нейтронов. В блоке формирования пучка, используемом в существующих установках БНЗТ на базе ускорителя, обычно используются различные коллиматоры с различными апертурами для регулировки нейтронного пучка. Однако в случае, когда коллиматор отсутствует, выход пучка состоит из отражателя и нейтронного экрана, поэтому переменный диапазон выхода пучка будет ограничен исключительно на основе коллимации выхода пучка коллиматором. Например, когда радиус выхода пучка блока формирования пучка без коллиматора составляет 7 см, а площадь опухоли велика, область опухоли не может быть полностью облучена из-за малого диапазона облучения пучка. Когда радиус выхода пучка блока формирования пучка без коллиматора составляет 10 см, но площадь опухоли мала, даже при добавлении коллиматора, коллиматор ограничен его толщиной, а из-за того, что диапазон облучения пучка слишком велик, область облучения пучка не может быть эффективно ограничена, что приводит к ненужному облучению окружающих здоровых тканей.

Раскрытие сущности изобретения

[006] С целью создания блока формирования пучка, который может изменять диапазон облучения нейтронного пучка, в соответствии с аспектом настоящего изобретения предложен блок формирования пучка для нейтронно-захватной терапии, содержащий: вход пучка; мишень для генерации ядерной реакции с протонным пучком, проходящим от входа пучка, для получения нейтронов, которые формируют нейтронный пучок, образующий главную ось, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, для замедления нейтронов, генерируемых мишенью, до диапазона энергий эпитепловых нейтронов; отражатель, окружающий указанный замедлитель, для направления отклоненных нейтронов обратно к главной оси для концентрации эпитепловых нейтронов; поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерных доз для поверхностных здоровых тканей при терапии; радиационный экран для защиты от рассеивающихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровых тканей в необлучаемых областях; выход пучка; и сменное устройство, формирующее выход пучка, причем сменное устройство выполнено с возможностью отсоединения от блока формирования пучка для изменения диапазона облучения пучка нейтронов.

[007] Дополнительно, сменное устройство содержит первый сменный элемент, содержащий первый конец, имеющий первый диаметр и расположенный на удалении от мишени, и второй конец, имеющий второй диаметр и расположенный вблизи мишени, и второй сменный элемент, содержащий третий конец, имеющий третий диаметр и расположенный на удалении от мишени, и четвертый конец, имеющий четвертый диаметр и расположенный вблизи мишени, причем первый конец первого сменного элемента образует выход пучка, имеющий первую апертуру, третий конец второго сменного элемента образует выход пучка, имеющий вторую апертуру, и первая апертура не равна второй апертуре.

[008] Дополнительно, первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем внешняя поверхность основной части параллельна главной оси, при этом очевидно, что внешняя поверхность основной части является цилиндрической.

[009] В частности, первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем внешняя поверхность основной части выполнена наклонной от первого конца ко второму концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром, при этом очевидно, что основная часть имеет коническую форму, причем внутренняя поверхность основной части выполнена наклонной от второго конца к первому концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром.

[0010] В другом варианте осуществления, первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем внешняя поверхность основной части выполнена наклонной от второго конца к первому концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром, а внутренняя поверхность основной части выполнена наклонной от второго конца к первому концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром. В данном варианте осуществления, поскольку второй диаметр второго конца больше, чем первый диаметр первого конца, встроенный первый сменный элемент не может быть установлен в блок формирования пучка. Для решения этой проблемы первый сменный элемент разделен на несколько суб сменных элементов вдоль окружного направления, причем суб сменные элементы устанавливаются в блок формирования пучка один за другим для ограничения диапазона облучения выхода пучка.

[0011] Дополнительно, первый конец снабжен сквозным отверстием, проходящим через него во второй конец, причем сквозное отверстие образует выход пучка в первом конце, причем обеспечено излучение нейтронного пучка из выхода пучка.

[0012] Дополнительно, блок формирования пучка имеет внутреннюю поверхность, радиационный экран имеет концевую часть, а первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем первый сменный элемент установлен в блоке формирования пучка от концевой части, внешняя поверхность основной части соединена с внутренней поверхностью блока формирования пучка, а первый конец выполнен заподлицо с концевой частью или выступает от концевой части в направлении от мишени.

[0013] В частности, первый сменный элемент расположен на передней стороне замедлителя вдоль направления прохождения протонного пучка и заподлицо с концевой частью или выступает от концевой части в направлении от мишени, причем первый сменный элемент представляет собой часть отражателя и/или часть радиационного экрана.

[0014] Дополнительно, замедлитель содержит две взаимно смежные конусовидные части, одна из которых расположена смежно с входом пучка, а другая смежно с выходом пучка, причем первый сменный элемент расположен с примыканием к задней стороне конусовидной части замедлителя вблизи выхода пучка.

[0015] Дополнительно, отражатель выполнен из одного или более из следующих материалов: Pb или Ni, причем радиационный экран содержит фотонный экран, выполненный из Pb, и нейтронный экран, выполненный из полиэтилена.

[0016] В частности, блок формирования пучка дополнительно обеспечивает бор-нейтронно-захватную терапию на базе ускорителя с обеспечением ускорения протонного пучка с помощью ускорителя, причем мишень выполнена из металла, обеспечено ускорение протонного пучка до энергии, достаточной для того, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание атомного ядра в мишени и подвергнуться ядерной реакции с мишенью для получения нейтронов, при этом блок формирования пучка обеспечивает замедление нейтронов до диапазона энергий эпитепловых нейтронов и снижение содержания тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, причем диапазон энергий эпитепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов составляет менее 0,5 эВ, диапазон энергий быстрых нейтронов составляет более 40 кэВ.

[0017] При описании вариантов осуществления настоящего изобретения термин “цилиндрический” подразумевает элемент, контур которого от одной стороны к другой стороне вдоль указанного направления остается по существу неизменным. Одна из линий контура может быть отрезком, как соответствующий отрезок цилиндра, или может быть дугой с большой кривизной, близкой к отрезку, как соответствующая дуга сферы с большой кривизной. Вся поверхность контура может быть непрерывно соединена или нет, если поверхность цилиндра или сферы с большой кривизной содержит множество выступов и канавок.

[0018] При описании вариантов осуществления настоящего изобретения термин “конус” подразумевает элемент, имеющий контур в виде постепенного уменьшения от одной стороны к другой стороне вдоль указанного направления. Одна из линий контура может быть отрезком, как соответствующий отрезок конуса, или может быть дугой, как соответствующая дуга сферы, а вся поверхность контура может быть непрерывно соединена или нет, если поверхность конусовидной формы или сферической формы содержит множество выступов и канавок.

Краткое описание чертежей

[0019] На фиг. 1 показана схема реакции захвата нейтронов бором.

[0020] На фиг. 2 представлено уравнение ядерной реакции захвата нейтронов ¹⁰B(n,α) ⁷Li.

[0021] На фиг. 3 показана проекция блока формирования пучка без установленного сменного устройства согласно настоящему изобретению.

[0022] На фиг. 4 показана проекция в поперечном сечении блока формирования пучка, в котором установлен первый сменный элемент.

[0023] На фиг. 5 показан схематичный вид первого сменного элемента, установленного в блоке формирования пучка, и второго сменного элемента, не установленного в блоке формирования пучка.

[0024] На фиг. 6a показан схематичный вид другого варианта осуществления первого сменного элемента с фиг. 5.

[0025] На фиг. 6b показан схематичный вид другого варианта осуществления второго сменного элемента с фиг. 5, причем второй сменный элемент имеет диаметр, который меньше диаметра выхода пучка, а основная часть сменного элемента является конусообразной деталью.

Осуществление изобретения

[0026] Нейтронно-захватная терапия (НЗТ) широко используется в последнее время как эффективное средство лечения рака, причем БНЗТ является наиболее часто используемой терапией. Нейтроны, предназначенные для НЗТ, могут быть получены от ядерных реакторов или ускорителей. Например, для БНЗТ на базе ускорителя, основными компонентами являются, в общем случае, ускоритель, предназначенный для ускорения заряженных частиц (например, протонов и дейтронов), мишень, система отвода тепла и блок формирования пучка. Ускоренные заряженные частицы взаимодействуют с металлической мишенью для получения нейтронов, при этом соответствующие ядерные реакции всегда определяются исходя из таких характеристик, как требуемые производительность и энергия нейтронов, доступная энергия и ток ускоренных заряженных частиц и материал металлической мишени, в качестве которого наиболее часто используют ⁷Li (p, n) ⁷Be и ⁹Be (p, n) ⁹B, причем обе реакции эндотермические. Энергетический порог эти двух ядерных реакций соответственно составляет 1,881 МэВ и 2,055 МэВ. Эпитепловые нейтроны с энергией порядка кэВ считаются идеальными источниками нейтронов для БНЗТ. В теории, бомбардировка литиевой мишени протонами с энергией, незначительно превышающей пороговое значение, позволяет получить нейтроны с относительно низкой энергией, так что нейтроны могут быть использованы в клинической терапии без многочисленных замедлений. Однако, литий (Li) и бериллий (Be) и протоны с пороговой энергией имеют невысокое сечение захвата нейтронов. Чтобы получить достаточный поток нейтронов, обычно выбирают протоны с высокой энергией для запуска ядерных реакций.

[0027] Идеальная мишень должна обладать высокой производительностью нейтронов, распределением энергии получаемых нейтронов вблизи диапазона энергий эпитепловых нейтронов (подробнее описано ниже), небольшим количеством сильнопроникающего излучения, безопасностью, низкой стоимостью, легкодоступностью, устойчивостью к высоким температурам и т.д. Однако на практике не существует ядерной реакции, отвечающей всем требованиям, и в настоящем изобретении мишень выполнена из лития. Но, как известно специалистам в области техники, материал мишени может быть изготовлен и из других металлов, кроме обсуждаемого здесь материала.

[0028] Требования к системе удаления тепла варьируются в зависимости от выбранной ядерной реакции. Для ⁷Li (p, n) ⁷Be требования выше, чем для ⁹Be (p, n) ⁹B из-за низкой точки плавления и низкого коэффициента теплопроводности металла мишени (лития). В данных вариантах осуществления изобретения применяется ядерная реакция ⁷Li (p, n) ⁷Be.

[0029] Вне зависимости от того, является ли источником нейтронов для БНЗТ ядерный реактор или ядерные реакции между заряженными частицами ускорителя и мишенью, в результате получают только смешанные поля излучения, то есть, пучки содержат нейтроны и фотоны, имеющие энергию от низкой до высокой. Что касается БНЗТ для глубоких опухолей, то кроме эпитепловых нейтронов, чем больше остаточное количество луча излучения, тем больше доля осаждения дозы неселективного излучения в здоровых тканях. Следовательно, излучение, влекущее за собой ненужную дозу облучения, должно быть сведено к минимуму. Исключая факторы качества пучка в воздушной среде, для того чтобы понять характер распространения дозы облучения нейтронами в организме человека, для выполнения расчетов дозы используется манекен человеческой головы. Факторы качества пучка для манекена используются позже для конструктивного образца нейтронных пучков, как описано ниже.

[0030] Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) дает пять рекомендаций в отношении источников нейтронов в клинической БНЗТ, касающихся факторов качества пучка в воздушной среде. Данные рекомендации можно использовать для дифференциации источников нейтронов и в качестве основы при выборе способов получения нейтронов и выбора конструкции блока формирования пучка, как показано ниже.

[0031] Поток эпитепловых нейтронов больше 1·10⁹ н/см2·с.

[0032] Загрязнение быстрыми нейтронами меньше 2·10^-13 Гр-см²/н.

[0033] Загрязнение фотонами меньше 2·10^-13 Гр-см²/н

[0034] Соотношение потоков тепловых и эпитепловых нейтронов меньше 0,05.

[0035] Соотношение силы тока и потока эпитепловых нейтронов больше 0,7.

[0036] Примечание: диапазон энергий эпитепловых нейтронов находится в пределах от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов меньше 0,5 кэВ, а диапазон энергий быстрых нейтронов больше 40 кэВ.

[0037] 1. Поток эпитепловых нейтронов

[0038] Поток эпитепловых нейтронов и концентрация борсодержащих препаратов в опухоли определяют время клинической терапии. Если концентрация борсодержащих препаратов в опухоли достаточно высокая, то поток эпитепловых нейтронов может быть уменьшен. И наоборот, если концентрация борсодержащих препаратов в опухоли низкая, то необходимо, чтобы эпитепловые нейтроны в интенсивном потоке эпитепловых нейтронов обеспечивали достаточную дозу облучения опухоли. Требования МАГАТЭ к потоку эпитепловых нейтронов – количество более 10⁹ эпитепловых нейтронов на один квадратный сантиметр в секунду. При таком потоке нейтронного пучка и при использовании борсодержащих препаратов время терапии может составлять менее 1 часа. Таким образом, короткое время терапии кроме таких преимуществ, как локальность воздействия и степень комфортности, также позволяет эффективно использовать ограниченное время пребывания борсодержащих препаратов в опухоли.

[0039] 2. Загрязнение быстрыми нейтронами.

[0040] Нежелательная доза облучения здоровых тканей быстрыми нейтронами считается загрязнением. Между дозой облучения и энергией нейтронов существует положительная корреляция, поэтому необходимо максимально уменьшить количество быстрых нейтронов в нейтронном пучке. Понятие загрязнения быстрыми нейтронами означает дозу быстрых нейтронов на единицу потока эпитепловых нейтронов и МАГАТЭ в отношении быстрых нейтронов рекомендует дозу менее 2·10^-13Гр-см²/н.

[0041] 3. Загрязнение фотонами (загрязнение гамма-лучами).

[0042] Сильнопроникающее излучение гамма-лучей может избирательно приводить к накоплению дозы облучения во всех тканях по пути следования пучка, поэтому снижение количества гамма-лучей при создании нейтронного пучка также является необходимым требованием. Понятие загрязнения гамма-лучами означает дозу сопутствующих гамма-лучей на единицу потока эпитепловых нейтронов и МАГАТЭ в отношении загрязнения гамма-лучами рекомендует дозу менее 2·10^-13Гр-см²/н.

[0043] 4. Соотношение потока тепловых и эпитепловых нейтронов.

[0044] Так как тепловые нейтроны имеют высокую скорость затухания и низкую проникающую способность, то они теряют большую часть энергии в тканях кожи после попадания в организм человека. За исключением использования тепловых нейтронов для лечения опухолей типа меланомы, где тепловые нейтроны служат источником нейтронов при проведении БНЗТ, в других случаях, таких как опухоли мозга, количество тепловых нейтронов необходимо снизить. Рекомендованное МАГАТЭ соотношение тепловых и эпитепловых нейтронов должно составлять менее 0,05.

[0045] 5. Соотношение силы тока и потока эпитепловых нейтронов.

[0046] Соотношение силы тока и потока эпитепловых нейтронов означает направленность пучка эпитепловых нейтронов; чем больше соотношение, тем лучше направленность нейтронного пучка вперед, а лучшая направленность нейтронного пучка вперед может уменьшить дозу облучения здоровых тканей вокруг по причине рассеивания нейтронов. Кроме того, улучшается глубина лечения и позиционирование. Рекомендованное МАГАТЭ соотношение силы тока и потока эпитепловых нейтронов составляет более 0,7.

[0047] Факторы качества пучка для манекена получают посредством распределения дозы в тканях, полученного на манекене в соответствии с кривой доза-глубина в здоровых тканях и новообразованиях. Следующие три параметра могут быть использованы для сравнения различных эффектов терапии посредством нейтронного пучка.

[0048] 1. Эффективная глубина лечения.

[0049] Доза, применяемая для лечения опухолей, равна глубине при максимальной дозе для здоровых тканей. Доза, получаемая опухолевыми клетками вне этой глубины, меньше максимальной дозы для здоровых тканей; то есть эффективность БНЗТ теряется. Эффективная глубина лечения означает проникающую способность нейтронных пучков. Чем больше эффективная глубина лечения, тем больше глубина излечимых опухолей; этот параметр выражается в см.

[0050] 2. Мощность дозы на эффективной глубине лечения.

[0051] Мощность дозы на эффективной глубине лечения представляет собой мощность дозы для опухоли на эффективной глубине лечения, и также равна максимальной мощности дозы для здоровых тканей. Этот параметр может влиять на продолжительность терапии, поскольку суммарная доза, получаемая здоровыми тканями, является фактором, который может влиять на величину суммарной дозы для опухолей. При этом, чем больше этот параметр, тем короче время излучения для обеспечения определенной дозы на опухоль; этот параметр выражается в сГр/мА-мин.

[0052] 3. Соотношение эффективной терапевтической дозы.

[0053] Соотношение между средней дозой, получаемой опухолевыми тканями и здоровыми тканями, от поверхности головного мозга до предпочтительной глубины, называют предпочтительным соотношением. Средняя доза может быть вычислена с использованием криволинейного интеграла зависимости дозы от глубины. Чем больше предпочтительное соотношение, тем лучшее эффективность терапии с помощью нейтронного пучка.

[0054] Для того, чтобы получить эталонное основание для сравнения при проектировании блока формирования пучка, в дополнение к рекомендуемым МАГАТЭ факторам качества пучка и вышеуказанным параметрам, в вариантах осуществления настоящего изобретения также используются следующие параметры для оценки преимуществ и недостатков нейтронного пучка.

[0055] 1. Время облучения меньше или равно 30 мин (ток протонов для ускорителя составляет 10 мА).

[0056] 2. 30,0 ОБЭ-Гр на глубине лечения больше или равной 7 см.

[0057] 3. Максимальная доза для опухолей больше или равна 60,0 ОБЭ-Гр.

[0058] 4. Максимальная доза для здоровых мозговых тканей меньше или равна 12,5 ОБЭ-Гр.

[0059] 5. Максимальная доза для кожи меньше или равна 11,0 ОБЭ-Гр.

[0060] Примечание: ОБЭ представляет собой относительную биологическую эффективность. Поскольку фотоны и нейтроны обладают разной биологической эффективностью, то вышеупомянутые дозы соответственно умножаются на ОБЭ различных тканей в целях получения эквивалентной дозы.

[0061] В реальном процессе нейтронно-захватной терапии диапазон облучения нейтронного пучка также является важным фактором, который необходимо учитывать. Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на усовершенствование блока формирования пучка для нейтронно-захватной терапии, и в конкретных вариантах осуществления изобретения обеспечено улучшение блока формирования пучка для бор-нейтронно-захватной терапии на базе ускорителя.

[0062] Как показано на фиг. 3, блок 10 формирования пучка для нейтронно-захватной терапии содержит вход 11 пучка, мишень 12, замедлитель 13, примыкающий к указанной мишени 12, отражатель 14, окружающий указанный замедлитель 13, поглотитель 15 тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю 13, радиационный экран 16 и выход 17 пучка, размещенные в указанном блоке 10 формирования пучка, причем в мишени 12 происходит ядерная реакция с протонным пучком, проходящим от входа 11 пучка, для получения нейтронов и формирования нейтронного пучка, образующего главную ось X, замедлитель 13 замедляет нейтроны, генерируемые от мишени 12, до диапазона энергий эпитепловых нейтронов, а отражатель 14 направляет нейтроны, отклоненные от главной оси X, обратно, чтобы сконцентрировать эпитепловые нейтроны, при этом между замедлителем 13 и отражателем 14 предусмотрен проходной канал 18 для увеличения потока эпитепловых нейтронов, и имеется поглотитель 15 тепловых нейтронов для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерных доз для поверхностных здоровых тканей при терапии, а также радиационный экран 16 для защиты от рассеивающихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровых тканей в необлучаемых областях.

[0063] В процессе бор-нейтронно-захватной терапии, для достижения лучших терапевтических эффектов и уменьшения повреждения здоровых тканей, необходимо обеспечить различные диапазоны облучения нейтронного пучка для опухолей разного размера, поэтому необходимо создать блок 10 формирования пучка, способный регулировать диапазон облучения нейтронного пучка. В настоящем изобретении регулировка диапазона облучения нейтронного пучка достигается за счет обеспечения наличия сменного устройства 20. Блок 10 формирования пучка дополнительно содержит сменное устройство 20, содержащее первый сменный элемент 21 и второй сменный элемент 22, которые отличаются по размеру. Первый сменный элемент 21 и второй сменный элемент 22 могут быть установлены в блоке 10 формирования пучка соответственно, и могут быть удалены из блока 10 формирования пучка для замены друг на друга.

[0064] Бор-нейтронно-захватная терапия на базе ускорителя ускоряет протонный пучок ускорителем. В конкретных вариантах осуществления, мишень 12 изготовлена из металлического лития, а протонный пучок ускоряется до энергии, достаточной для того, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание атомного ядра в мишени и подвергнуться ядерной реакции ⁷Li(p,n)⁷Be с мишенью 12 для получения нейтронов (как показано на фиг. 1 и фиг. 2). Блок 10 формирования пучка обеспечивает замедление нейтронов до диапазона энергий эпитепловых нейтронов и снижение содержания тепловых нейтронов и быстрых нейтронов. Замедлитель 13 выполнен из материала, имеющего большое сечение захвата для быстрых нейтронов и малое сечение захвата для перегретых нейтронов, так, в варианте осуществления замедлитель 13 выполнен из любого одного или более из D₂O, AlF₃, Fluental^TM, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ и Al₂O₃. Отражатель 14 выполнен из материала, обладающего большой способностью отражения нейтронов, и в вариантах осуществления отражатель 14 выполнен из любого одного или более из Pb или Ni. Поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из материала, имеющего большое сечение захвата для тепловых нейтронов, и в вариантах осуществления поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li. Между поглотителем 15 тепловых нейтронов и выходом 17 пучка предусмотрен воздушный канал 19, и расположение воздушных каналов 19 обеспечивает непрерывное направление назад нейтронов, отклоняющихся от главной оси, для получения эффекта концентрирования эпитепловых нейтронов. Радиационный экран 16 содержит фотонный экран 161 и нейтронный экран 162. В варианте осуществления, фотонный экран 161 выполнен из свинца (Pb), а нейтронный экран 162 выполнен из полиэтилена (PE).

[0065] Замедлитель 13 расположен в виде двух конических частей, которые смежны друг с другом в противоположных направлениях. В направлении, показанном на фиг. 3, левая сторона замедлителя 13 представляет собой коническую часть 131, которая постепенно уменьшается по направлению к левой стороне, правая сторона замедлителя 13 представляет собой коническую часть 132, которая постепенно уменьшается по направлению к правой стороне, причем две конических части примыкают друг к другу. Коническая часть 131 на левой стороне замедлителя 13 представляет собой коническую часть вблизи входа 11 пучка, коническая часть 132 на правой стороне замедлителя 13 представляет собой коническую часть вблизи выхода 17 пучка. Замедлитель 13 окружен отражателем 13, а между замедлителем 13 и отражателем 14 выполен проходной канал 18. Так называемый проходной канал 18 представляет собой пустую область, не покрытую твердым материалом, через которую легко проходит нейтронный пучок, и может быть воздушным каналом или вакуумным каналом. Поглотитель 15 тепловых нейтронов, расположенный рядом с замедлителем 13, выполнен из очень тонкого слоя материала ⁶Li, причем фотонный экран 161, выполненный из Pb, может быть расположен как одно целое с отражателем или отдельно от него. Нейтронный экран 162, выполненный из PE, может быть установлен рядом с выходом 17 пучка. Как известно специалистам в данной области техники, фотонный экран 161 может быть изготовлен из других материалов, если он при этом выполняет функцию защиты от рассеивающихся фотонов, а нейтронный экран 162 также может быть изготовлен из других материалов, если они имеют достаточную способность защиты от рассеивающихся нейтронов.

[0066] Как показано на фиг. 4 и фиг. 5, радиационный экран 16 имеет концевую часть 163, расположенную на самой внешней стороне блока 10 формирования пучка и ближе всего к подлежащему облучению объекту, причем блок 10 формирования пучка имеет внутреннюю поверхность 101. Первый сменный элемент 21 установлен от концевой части 163 радиационного экрана 16 в блок 10 формирования пучка и расположен на задней стороне конической части 132 замедителя 13 вблизи концевой части 163 радиационного экрана 16 (то есть первый сменный элемент 21 расположен на передней стороне замедителя 13 вдоль направления прохождения протонного пучка), а внешная поверхность 26 первого сменного элемента 21 находится в контакте с внутренней поверхностью 101 блока 10 формирования пучка. Для того, чтобы облегчить установку первого сменного элемента 21 в блок 10 формирования пучка, первый сменный элемент 21 может быть отсоединен от блока 10 формирования пучка для его замены вторым сменным элементом 22; первый сменный элемент 21 имеет следующую конструкцию.

[0067] Первый сменный элемент 21 имеет первый конец 23, второй конец 24 и основную часть 25, соединяющую первый конец 23 и второй конец 24. Внутренняя поверхность 211 первого сменного элемента 21 выполнена наклонной от второго конца 24 к первому концу 23 так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром. Первый конец 23 находится на удалении от мишени 12 и выполнен заподлицо с концевой частью 163 радиационного экрана 16 или выступает от концевой части 163 по направлению от мишени 12. Второй конец 24 расположен смежно с мишенью 12, а диаметр D1 первого конца 23 не меньше диаметра D2 второго конца 24. В варианте осуществления, внешная поверхность 26 основной части 25 параллельна главной оси Х, образуемой нейтронным пучком, то есть внешняя поверхность 26 основной части 25 является цилиндрической. Первый конец 23 снабжен сквозным отверстием 27, проходящим через него во второй конец 24, причем сквозное отверстие 27 образует выход пучка с первой апертурой d1 на первом конце 23. В другом варианте осуществления внешняя поверхность основной части 25’ может быть расположена наклонно от первого конца 23’ ко второму концу 24’ так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром. Как показано на фиг. 6a, диаметр D1’ первого конца 23’ больше диаметра D2’ второго конца 24’, а первый конец 23’ первого сменного элемента 21’ образует выход пучка, имеющий первую апертуру d1’.

[0068] Второй сменный элемент 22 имеет третий конец 28 и четвертый конец 29, причем диаметр D3 третьего конца 28 не меньше диаметра D4 четвертого конца 29. Третий конец 28 дополнительно снабжен сквозным отверстием 30, проходящим через него в четвертый конец 29, причем сквозное отверстие 30 образует выход пучка со вторым диаметром d2 на третьем конце 28. Для обеспечения взаимозаменяемости второго сменного элемента 22 с первым сменным элементом 21 с одновременным достижением эффекта регулирования диапазона облучения нейтронного пучка, в варианте осуществления конструкция второго сменного элемента 22 соотносится с конструкцией первого сменного элемента 21 так, что размеры первой апертуры d1 и второй апертуры d2 не совпадают. На фиг. 6b показано, что внешняя поверхность второго сменного элемента 22’ расположена наклонно от первого конца 28’ ко второму концу 29’ так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром, причем диаметр D3’ третьего конца 28’ больше диаметра D4’ второго конца 29’, а третий конец 28’ второго сменного элемента 22’ образует выход пучка, имеющий вторую апертуру d2’.

[0069] Например, первый сменный элемент 21 установлен в блоке 10 формирования пучка, когда первая апертура d1, образованная сквозным отверстием 27 первого сменного элемента 21 на первом конце 23, мала, в то время как требуемый диапазон облучения нейтронного пучка должен быть большим для текущей лучевой терапии, удаляют первый сменный элемент 21 из блока 10 формирования пучка и устанавливают второй сменный элемент 22 со второй апертурой, имеющей больший диаметр d2, образованный на третьем конце 23. Аналогичным образом, когда первая апертура d1, образованная сквозным отверстием 27 установленного первого сменного элемента 21 на первом конце, является большой, в то время как диапазон облучения нейтронного пучка, который необходимо излучать, мал в текущей лучевой терапии, удаляют первый сменный элемент 21 из блока 10 формирования пучка и устанавливают второй сменный элемент 22 со второй апертурой, имеющей меньший диаметр d2, образованный на третьем конце 23. Первый сменный элемент и второй сменный элемент имеют широкий диапазон конфигураций и размеров, причем в соответствии с текущими нуждами касательно диапазона облучения нейтронного пучка может быть выбран первый сменный элемент или второй сменный элемент, имеющие подходящий диаметр выхода пучка.

[0070] Сменное устройство 20 может направлять нейтроны, отклоняющиеся от главной оси X, обратно, для получения эффекта концентрирования эпитепловых нейтронов, а также обеспечивать защиту от рассеивающихся нейтронов и/или фотонов. В варианте осуществления настоящего изобретения сменное устройство 20 является частью отражателя 14 и радиационного экрана 16, и очевидно, что сменное устройство 20 представляет собой сборную конструкцию, состоящую из части отражателя 14 и части радиационного экрана 16. Первый сменный элемент 21 установлен в блоке 10 формирования пучка для концентрации нейтронного пучка, замену первого сменного элемента 21 вторым сменным элементом 22, имеющим соответствующий диаметр второй апертуры в соответствии с текущими нуждами для того, чтобы регулировать диапазон облучения нейтронного пучка. Конечно, сменное устройство 20 также не ограничено тем, что содержит часть отражателя 14 и/или часть радиационного экрана 16, но может также содержать часть замедлителя 13 и/или часть поглотителя 15 тепловых нейтронов, и сменное устройство 20 может содержать часть коллиматора (не показан). Когда первый конец первого сменного элемента выступает из концевой части 163 в направлении от мишени 12, понятно, что первый сменный элемент 21 включает в себя часть коллиматора, поскольку апертуру выхода пучка можно регулировать для изменения диапазона облучения нейтронного пучка благодаря размещению устройства 20, и достичь эффекта концентрирования тепловых нейтронов в разной степени.

[0071] В настоящем изобретении сменное устройство 20 может содержать только один сменный элемент. Когда первый сменный элемент не установлен, как показано на фиг. 5, может быть сформирован выход пучка с большой апертурой. После установки первого сменного элемента формируется выход пучка с относительно малой апертурой. Сменное устройство 20 может также содержать первый сменный элемент 21 и второй сменный элемент 22 или большее количество сменных элементов для формирования выходов пучка с различной апертурой.

[0072] При описании вариантов осуществления настоящего изобретения термин “цилиндрический” подразумевает элемент, контур которого от одной стороны к другой стороне вдоль указанного направления остается по существу неизменным. Одна из линий контура может быть отрезком, как соответствующий отрезок цилиндра, или может быть дугой с большой кривизной, близкой к отрезку, как соответствующая дуга сферы с большой кривизной. Вся поверхность контура может быть непрерывно соединена или нет, если поверхность цилиндра или сферы с большой кривизной содержит множество выступов и канавок.

[0073] При описании вариантов осуществления настоящего изобретения термин “конус” подразумевает элемент, имеющий контур в виде постепенного уменьшения от одной стороны к другой стороне вдоль указанного направления. Одна из линий контура может быть отрезком, как соответствующий отрезок конуса, или может быть дугой, как соответствующая дуга сферы, а вся поверхность контура может быть непрерывно соединена или нет, если поверхность конусовидной формы или сферической формы содержит множество выступов и канавок.

[0074] Выше проиллюстрированы и описаны базовые принципы, существенные признаки и преимущества настоящего изобретения. Специалист в области техники должен понимать, что раскрытые выше варианты осуществления не ограничивают настоящее изобретение. Технические решения, полученные путем эквивалентной замены или эквивалентных изменений, находятся в пределах объема правовой охраны настоящего изобретения.

1. Блок формирования пучка для нейтронно-захватной терапии, содержащий:

- вход пучка;

- мишень для генерации ядерной реакции с протонным пучком, проходящим от входа пучка, для получения нейтронов, которые формируют нейтронный пучок, образующий главную ось;

- замедлитель, примыкающий к указанной мишени, для замедления нейтронов, генерируемых мишенью, до диапазона энергий эпитепловых нейтронов;

- отражатель, окружающий указанный замедлитель, для направления отклоненных нейтронов обратно к главной оси для концентрации эпитепловых нейтронов;

- поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, для поглощения тепловых нейтронов, чтобы избежать чрезмерных доз для поверхностных здоровых тканей при терапии;

- радиационный экран для защиты от рассеивающихся нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для здоровых тканей в необлучаемых областях;

- выход пучка; и

- сменное устройство, формирующее выход пучка, причем сменное устройство выполнено с возможностью отсоединения от блока формирования пучка для изменения диапазона облучения нейтронного пучка, при этом сменное устройство является частью отражателя и частью радиационного экрана.

2. Блок по п. 1, в котором сменное устройство содержит первый сменный элемент, содержащий первый конец, имеющий первый диаметр и расположенный на удалении от мишени, и второй конец, имеющий второй диаметр и расположенный вблизи мишени, и второй сменный элемент, содержащий третий конец, имеющий третий диаметр и расположенный на удалении от мишени, и четвертый конец, имеющий четвертый диаметр и расположенный вблизи мишени, причем первый конец первого сменного элемента образует выход пучка, имеющий первую апертуру, третий конец второго сменного элемента образует выход пучка, имеющий вторую апертуру, и первая апертура не равна второй апертуре.

3. Блок по п. 2, в котором первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем внешняя поверхность основной части параллельна главной оси.

4. Блок по п. 2, в котором первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем внешняя поверхность основной части выполнена наклонной от первого конца ко второму концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром, а внутренняя поверхность основной части выполнена наклонной от второго конца к первому концу так, что имеет форму конуса с постепенно уменьшающимся диаметром.

5. Блок по п. 2, в котором первый конец снабжен сквозным отверстием, проходящим через него во второй конец, причем сквозное отверстие образует выход пучка в первом конце, причем обеспечено излучение нейтронного пучка из выхода пучка.

6. Блок по п. 2, причем блок формирования пучка имеет внутреннюю поверхность, радиационный экран имеет концевую часть, а первый сменный элемент имеет основную часть, соединяющую первый конец и второй конец, причем первый сменный элемент установлен в блоке формирования пучка от концевой части, внешняя поверхность основной части соединена с внутренней поверхностью блока формирования пучка, а первый конец выполнен заподлицо с концевой частью или выступает от концевой части в направлении от мишени.

7. Блок по п. 6, в котором первый сменный элемент расположен на передней стороне замедлителя вдоль направления прохождения протонного пучка и заподлицо с концевой частью или выступает от концевой части в направлении от мишени.

8. Блок по п. 7, в котором замедлитель содержит две взаимно смежные конусовидные части, одна из которых расположена смежно с входом пучка, а другая смежно с выходом пучка, причем первый сменный элемент расположен с примыканием к задней стороне конусовидной части замедлителя вблизи выхода пучка.

9. Блок по п. 1, в котором отражатель выполнен из одного или более из следующих материалов: Pb или Ni, причем радиационный экран содержит фотонный экран, выполненный из Pb, и нейтронный экран, выполненный из полиэтилена.

10. Блок по п. 1, причем блок формирования пучка дополнительно обеспечивает бор-нейтронно-захватную терапию на базе ускорителя с обеспечением ускорения протонного пучка с помощью ускорителя, причем мишень выполнена из металла, обеспечено ускорение протонного пучка до энергии, достаточной для того, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание атомного ядра в мишени и подвергнуться ядерной реакции с мишенью для получения нейтронов, при этом блок формирования пучка обеспечивает замедление нейтронов до диапазона энергий эпитепловых нейтронов и снижение содержания тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, причем диапазон энергий эпитепловых нейтронов составляет от 0,5 эВ до 40 кэВ, диапазон энергий тепловых нейтронов составляет менее 0,5 эВ, диапазон энергий быстрых нейтронов составляет более 40 кэВ.