TWM541868U

TWM541868U - 用於中子捕獲治療的射束整形體

Info

Publication number: TWM541868U
Application number: TW105219899U
Authority: TW
Inventors: 劉淵豪; 李珮儀
Original assignee: 南京中硼聯康醫療科技有限公司
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-05-21
Also published as: JP2019502455A; US20180311511A1; JP2023002608A; EP3395404A1; RU2720707C2; RU2018127729A; RU2018127729A3; US10434333B2; EP3395404B1; JP7464672B2; EP3395404A4; WO2017118291A1

Description

用於中子捕獲治療的射束整形體

本創作係有關於一種射束整形體，特別關於一種用於中子捕獲治療的射束整形體。

隨著原子科學的發展，例如鈷六十、直線加速器、電子射束等放射線治療已成為癌症治療的主要手段之一。然而傳統光子或電子治療受到放射線本身物理條件的限制，在殺死腫瘤細胞的同時，也會對射束途徑上大量的正常組織造成傷害；另外，由於腫瘤細胞對放射線敏感程度的不同，傳統放射治療對於較具輻射抗性的惡性腫瘤(如：多行性膠質母細胞瘤(glioblastoma multiforme)、黑色素細胞瘤(melanoma))的治療成效往往不佳。

為了減少腫瘤周邊正常組織的輻射傷害，化學治療(chemotherapy)中的標靶治療概念便被應用於放射線治療中；而針對高輻射抗性的腫瘤細胞，目前也積極發展具有高相對生物效應(relative biological effectiveness,RBE)的輻射源，如質子治療、重粒子治療、中子捕獲治療等。其中，中子捕獲治療便是結合上述兩種概念，如硼中子捕獲治療，藉由含硼藥物在腫瘤細胞的特異性積聚，配合精準的中子射束調控，提供比傳統放射線更好的癌症治療選擇。

在加速器硼中子捕獲治療中，通過加速器將質子束加速至足以克服靶材原子核庫倫斥力的能量，與該靶材發生核反應以產生中子，因此在產生中子的過程中靶材會受到非常高能量的加速質子束照射，靶材的溫度會大幅上升，從而影響靶材的使用壽命。

因此，實有必要提供一種新的技術方案以解決上述問題。

為了解決上述問題，本申請之一個方面提供一種用於中子捕獲治療的射束整形體，所述中子捕獲治療包括：射束入口；用於加速質子束的加速管；設置於加速管中的靶材，其與自所述射束入口入射的質子束發生核反應產生中子，所述中子形成中子射束；所述射束整形體包括鄰接於所述靶材的緩速體，所述緩速體將自所述靶材產生的中子減速至超熱中子能區；包圍在所述緩速體外的反射體，所述反射體將偏離的中子導回至所述緩速體以提高超熱中子射束強度；與所述緩速體鄰接的熱中子吸收體，所述熱中子吸收體用於吸收熱中子以避免治療時於淺層正常組織造成過多劑量；設置在所述射束整形體內的輻射屏蔽和射束出口，所述輻射遮罩用於屏蔽滲漏的中子和光子以減少非照射區的正常組織劑量；所述射束整形體還設置有冷卻裝置，所述冷卻裝置包括用於冷卻靶材的第一冷卻部、分別沿平行於加速管軸線方向延伸並與第一冷卻部連通的第二冷卻部和第三冷卻部，所述第一冷卻部與靶材平面接觸，所述第二冷卻部向第一冷卻部輸入冷卻介質，第三冷卻部將第一冷卻部中的冷卻介質輸出。

所謂“沿平行於加速管軸線方向延伸”係指冷卻部(不論第二冷卻部還是第三冷卻部)整體結構上的延伸方向是從加速管的一端(如下文將提到的加速管嵌入段的端部)向著另一端(如下文將提到的加速管延伸段遠離嵌入段的端部)有延伸趨勢，如冷卻部以波浪形的管路從加速管的一端延伸到另一端，抑或冷卻部以螺旋形的管路從加速管的一端延伸到另一端。

進一步地，所述加速管包括嵌入段和延伸段，所述靶材設於加速管嵌入段的端部，所述嵌入段嵌設於緩速體中，所述延伸段延伸於緩速體外側而被反射體包圍，所述第一冷卻部位於靶材和緩速體之間，所述第二冷卻部和第三冷卻部沿平行於加速管軸線方向延伸至加速管嵌入段的外側而位於射束整形體中。

因為加速管嵌設在緩速體中，為了便於對嵌入式加速管中的靶材進行冷卻，將冷卻裝置設置為匚型結構。具體而言，所述第一冷卻部位於加速管的端部而與所述靶材平面接觸，所述第二冷卻部和第三冷卻部分別位於加速管的上下兩側而與第一冷卻部形成匚型結構。如同本領域技術人員所熟知，將第二冷卻部和第三冷卻部設置在加速管的上下兩側僅為較佳實施例，第二冷卻部和第三冷卻部亦可不設置在加速管上下兩側，例如，可將第二冷卻部及第三冷卻部並排設置在加速管同一側。

進一步地，所述第二冷卻部和第三冷卻部皆是銅製的管狀結構，所述第二冷卻部和第三冷卻部分別垂直於靶材和第一冷卻部所接觸之平面。

進一步地，所述第一冷卻部包括與靶材直接接觸的第一接觸部、與緩速體接觸的第二接觸部及位於第一接觸部和第二接觸部之間供冷卻介質通過的冷卻槽，所述冷卻槽具有與第二冷卻部連通的輸入槽及與第三冷卻部連通的輸出槽。

為了能夠使冷卻介質更加順暢地從冷卻槽中輸入或者輸出，同時還能夠在一定程度上降低冷卻槽中冷卻水的水壓。所述輸入槽的上邊緣位於第二冷卻部的上邊緣上方，所述輸出槽的下邊緣位於第三冷卻部的下邊緣下方。

為了能較合理的控制緩速體的尺寸，使產生的中子束達到較好的緩速效果，同時使射束整形體獲得較好的射束品質，進一步地，將所述緩速體設置為具有至少一個錐體狀的結構。所述錐體狀具有第一端部、第二端部及連接第一端部和第二端部的主體部，所述加速管的嵌入段位於錐體狀的第一端部和第二端部之間，所述第一冷卻部位於靶材和錐體狀的第二端部之間。

所述靶材包括鋰靶層，及位於鋰靶層一側用於防止鋰靶層氧化的抗氧化層。

為了利於靶材的冷卻，進一步地，所述第一接觸部由導熱材料或既能導熱又能抑制發泡的材料製成，所述第二接觸部由抑制發泡的材料製成；即，第一接觸部和第二接觸部可以作為一個整體由既能導熱又能抑制發泡的材料製成，或者是第一接觸部由比抑制發泡的材料的導熱性能更好的導熱材料製成，第二接觸部由抑制發泡的材料製成；如此設置，有利於靶材的散熱並抑制靶材發泡。

所述抗氧化層由Al或者不銹鋼製成，當所述第一接觸部由既能導熱又能抑制發泡的材料製成時，所述第一接觸部可為Fe、Ta或V的任一種，所述第二接觸部可為Fe、Ta或V的任一種製成，所述冷卻介質為水。

與現有技術相比，本申請具有以下有益效果：本申請用於中子捕獲治療的射束整形體通過設置冷卻裝置對靶材進行冷卻，結構簡單，裝配容易，且能夠獲得較高品質的中子射束。

本申請實施例中所述的“錐體”或“錐體狀”是指沿著圖示方向的一側到另一側其外輪廓的整體趨勢逐漸變小的結構，外輪廓的其中一條輪廓線可以是線段，如圓錐體狀所對應的輪廓線，亦可以是圓弧，如球面體狀所對應的輪廓線，外輪廓的整個表面可以是圓滑過渡的，亦可以是非圓滑過渡的，如在圓錐體狀或球面體狀的表面設置凸起或凹槽。

本申請實施例中所述的術語“接觸”、“連通”等是指兩個或多個構件之間的連接，其均包括直接地及間接地，即包括“直接地接觸”和“間接地接觸”；“直接地連通”和“間接地連通”。

10‧‧‧射束整形體

11‧‧‧射束入口

12‧‧‧加速管

121‧‧‧嵌入段

122‧‧‧延伸段

13‧‧‧靶材

131‧‧‧鋰靶層

132‧‧‧抗氧化層

14‧‧‧緩速體

140‧‧‧錐體狀

141‧‧‧第一端部

142‧‧‧第二端部

143‧‧‧第三端部

144‧‧‧主體部

15‧‧‧反射體

16‧‧‧熱中子吸收體

17‧‧‧輻射屏蔽

171‧‧‧光子屏蔽

172‧‧‧中子屏蔽

18‧‧‧射束出口

21(21’)‧‧‧第一冷卻部

211‧‧‧第一接觸部

212‧‧‧第二接觸部

213‧‧‧冷卻槽

214‧‧‧輸入槽

215‧‧‧輸出槽

22(22’)‧‧‧第二冷卻部

23(23’)‧‧‧第三冷卻部

X‧‧‧主軸

圖1係本申請用於中子捕獲治療的射束整形體的示意圖；圖2係本申請匚型結構的冷卻裝置示意圖；圖3係本申請I型結構的冷卻裝置的示意圖；圖4係本申請的靶材結構示意圖。

中子捕獲治療作為一種有效的治療癌症的手段近年來的應用逐漸增加，其中以硼中子捕獲治療最為常見，供應硼中子捕獲治療的中子可以由核反應器或加速器供應。本申請之實施例以加速器硼中子捕獲治療為例，加速器硼中子捕獲治療的基本組件通常包括加速帶電粒子(如質子、氘核等)的加速器、靶材與熱移除系統以及射束整形體，其中加速帶電粒子與金屬靶材作用產生中子，依據所需的中子產率與能量、可提供的加速帶電粒子能量與電流大小、金屬靶材的物化性等特性來挑選合適的核反應，常被討論的核反應有⁷Li(p,n)⁷Be及⁹Be(p,n)⁹B，這兩種反應皆為吸熱反應。兩種核反應的能量閾值分別為1.881MeV和2.055MeV，由於硼中子捕獲治療的理想中子源為keV能量等級的超熱中子，理論上若使用能量僅稍高於閾值的質子轟擊金屬鋰靶材，可產生相對低能的中子，不須太多的緩速處理便可直接用於臨床，然而鋰金屬(Li)和鈹金屬(Be)兩種靶材與閾值能量的質子作用截面不高，為產生足夠大的中子通量，通常選用較高能量的質子來引發核反應。

理想的靶材應具備高中子產率、產生的中子能量分佈接近超熱中子能區(將在下文詳細描述)、無太多強穿輻射產生、安全便宜易於操作且耐高溫等特性，但實際上並無法找到符合所有要求的核反應，本申請的實施例中採用鋰金屬製成的靶材。然而誠如本領域技術人員所熟知，靶材的材料也可以由其他除了上述談論到的金屬材料之外的金屬材料製成。

針對熱移除系統的要求則根據選擇的核反應而異，如⁷Li(p,n)⁷Be因金屬靶材(鋰金屬)的熔點及熱導係數差，對熱移除系統的要求便較⁹Be(p,n)⁹B高。本申請的實施例中採用⁷Li(p,n)⁷Be的核反應。由此可知，受到高能量等級的加速質子束照射的靶材溫度必然會大幅上升，從而影響靶材的使用壽命。

無論硼中子捕獲治療的中子源來自核反應爐或加速器帶電粒子與靶材的核反應，產生的皆為混合輻射場，即射束包含了低能至高能的中子、光子；對於深部腫瘤的硼中子捕獲治療，除了超熱中子外，其餘的輻射線含量越多，造成正常組織非選擇性劑量沉積的比例越大，因此這些會造成不必要劑量的輻射應儘量降低。除了空氣射束品質因素，為更瞭解中子在人體中造成的劑量分佈，本申請的實施例中使用人體頭部組織假體進行劑量計算，並以假體射束品質因素來作為中子射束的設計參考，將在下文詳細描述。

國際原子能總署(IAEA)針對臨床硼中子捕獲治療用的中子源，給定了五項空氣射束品質因素之建議值，該五項參數可用於比較不同中子源的優劣，並供以作為挑選中子產生途徑、設計射束整形體時的參考依據。該五項參數分別如下：超熱中子射束通量Epithermal neutron flux>1 x 10⁹n/cm²s

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

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

熱中子與超熱中子通量比值Thermal to epithermal neutron flux ratio<0.05

超熱中子電流與通量比值Epithermal neutron current to flux ratio>0.7

註：超熱中子能區在0.5eV到40keV之間，熱中子能區小於0.5eV，快中子能區大於40keV。

1、超熱中子射束通量：

中子射束通量和腫瘤中含硼藥物濃度共同決定了臨床治療時間。若腫瘤含硼藥物濃度夠高，對於中子射束通量的要求便可降低；反之，若腫瘤中含硼藥物濃度低，則需高通量超熱中子來給予腫瘤足夠的劑量。IAEA對於超熱中子射束通量的要求為每秒每平方公分的超熱中子個數大於10⁹，此通量下的中子射束對於目前的含硼藥物而言可大致控制治療時間在一小時內，短治療時間除了對病人定位和舒適度有優勢外，也可較有效利用含硼藥物在腫瘤內有限的滯留時間。

2、快中子污染：

由於快中子會造成不必要的正常組織劑量，因此視之為污染，此劑量大小和中子能量呈正相關，因此在中子射束設計上應儘量減少快中子的含量。快中子污染定義為單位超熱中子通量伴隨的快中子劑量，IAEA對快中子污染的建議為小於2 x 10^-13Gy-cm²/n。

3、光子污染(γ射線污染)：

γ射線屬於強穿輻射，會非選擇性地造成射束路徑上所有組織的劑量沉積，因此降低γ射線含量也是中子束設計的必要要求，γ射線污染定義為單位超熱中子通量伴隨的γ射線劑量，IAEA對γ射線污染的建議為小於2 x 10^-13Gy-cm²/n。

4、熱中子與超熱中子通量比值：

由於熱中子衰減速度快、穿透能力差，進入人體後大部分能量沉積在皮膚組織，除黑色素細胞瘤等表皮腫瘤需用熱中子作為硼中子捕獲治療的中子源外，針對腦瘤等深層腫瘤應降低熱中子含量。IAEA對熱中子與超熱中子通量比值建議為小於0.05。

5、超熱中子電流與通量比值：

超熱中子電流與通量比值代表了超熱中子射束的方向性，比值越大表示中子射束前向性佳，高前向性的中子束可減少因中子發散造成的周圍正常組織劑量，另外也提高了可治療深度及擺位姿勢彈性。IAEA對中子電流與通量比值建議為大於0.7。

為了使中子捕獲治療的射束整形體在解決靶材冷卻問題的同時，能夠獲得較好的中子射束品質，本申請揭露一種用於中子捕獲治療的射束整形體10，所述射速整形體10內設有用於對靶材進行冷卻的冷卻裝置20。

如圖1所示，所述射速整形體10包括射束入口11、位於射束整形體10中的加速管12、設於加速管12中的靶材13、鄰接於所述靶材13的緩速體14、包圍在所述緩速體14外的反射體15、與所述緩速體14鄰接的熱中子吸收體16、設置在所述射束整形體10內的輻射屏蔽17和射束出口18。所述靶材13與自所述射束入口11入射的質子束髮生核反應以產生中子，所述中子形成中子射束，所述中子射束限定一根主軸X。所述緩速體14將自所述靶材13產生的中子減速至超熱中子能區，所述反射體15將偏離中子射束主軸X的中子導回至所述緩速體14以提高超熱中子射束強度。所述熱中子吸收體16用於吸收熱中子以避免治療時與淺層正常組織造成過多劑量。所述輻射屏蔽17用於遮罩滲漏的中子和光子以減少非照射區的正常組織劑量。

加速器硼中子捕獲治療通過加速器將質子束加速，作為一種優選實施例，靶材13由鋰金屬製成，質子束加速至足以克服靶材原子核庫倫斥力的能量，與靶材13發生⁷Li(p,n)⁷Be核反應以產生中子，射束整形體10能將中子緩速至超熱中子能區，並降低熱中子及快中子含量。

所述緩速體14由具有快中子作用截面大、超熱中子作用截面小的材料製成，所述反射體15由具有中子反射能力強的材料製成，熱中子吸收體16由與熱中子作用截面大的材料製成。作為一種優選實施例，緩速體14由D₂O、AlF₃、Fluental^TM、CaF₂、Li₂CO₃、MgF₂和Al₂O₃中的至少一種製成，反射體15由Pb或Ni中的至少一種製成，熱中子吸收體16由⁶Li製成。輻射屏蔽17包括光子屏蔽171和中子屏蔽172，作為一種優選實施例，輻射屏蔽17包括由鉛(Pb)製成的光子屏蔽171和由聚乙烯(PE)製成的中子屏蔽172組成。

所述加速管12包括嵌入段121和延伸段122，所述靶材13設於加速管12嵌入段121的端部。所述嵌入段121嵌設於緩速體14中，所述延伸段122延伸於緩速體14外側而被反射體15包圍。本實施例中，加速管12嵌設於緩速體14中，為了使得冷卻裝置20對嵌入式加速管12中之靶材13進行冷卻的同時，確保射束整形體10所產生之中子射束能維持良好的射束品質，將冷卻裝置20設置如下。

所述冷卻裝置20包括用於冷卻靶材13的第一冷卻部21、沿加速管12軸線方向延伸並位於加速管12兩側的第二冷卻部22和第三冷卻部23，所述第二冷卻部22向第一冷卻部21輸入冷卻介質，第三冷卻部23將第一冷卻部21中的冷卻介質輸出。所述第一冷卻部21位於靶材13和緩速體14之間，所述第一冷卻部21的一側與靶材13接觸另一側與緩速體14接觸。所述第二冷卻部22和第三冷卻部23分別自加速管12延伸段122的外側延伸至加速管12嵌入段121的外側而分別與第一冷卻部21連通並位於緩速體14中。也就是說，第一冷卻部21位於加速管12的嵌入段121的端部而位於靶材13一側並與靶材13直接接觸，所述第二冷卻部22和第三冷卻部23分別位於加速管12的上下兩側而分別與第一冷卻部21連通，從而使得整個冷卻裝置20呈匚型結構設置。本實施例中，所述第一冷卻部21與靶材13平面接觸，第二冷卻部22和第三冷卻部23皆為銅製管狀結構，且第二冷卻部22和第三冷卻部23分別垂直於所述第一冷卻部21和靶材13的接觸平面(結合圖2)。

所述第一冷卻部21包括第一接觸部211、第二接觸部212及位於第一接觸部211和第二接觸部212之間的供冷卻介質通過的冷卻槽213；所述第一接觸部211由導熱材料製成，並與靶材13直接接觸；所述第二接觸部212與緩速體14可以是直接接觸也可以通過空氣間接接觸。所述冷卻槽213具有與第二冷卻部22連通的輸入槽214及與第三冷卻部23連通的輸出槽215；所述輸入槽214的上邊緣可位於第二冷卻部22的上邊緣上方，所述輸出槽215的下邊緣位於第三冷卻部23的下邊緣下方，這樣設置的好處是，冷卻裝置20能夠更加順暢地將冷卻水輸入冷卻槽213中並且較及時地對靶材13進行冷卻，而受熱後的冷卻水也能夠較為順暢的從冷卻槽213中輸出，同時，還能夠在一定程度上降低冷卻槽213中的冷卻水水壓。

當然，也可將冷卻裝置設置成I型結構對嵌入式的加速管12中的靶材13進行冷卻；所述I型冷卻裝置20中的第一冷卻部21’與匚型冷卻裝置20的第一冷卻部21設置相同，不同之處在於，所述I型冷卻裝置20的第二冷卻部22’和第三冷卻部23’與第一冷卻部21’位於同一平面，且第二冷卻部22’和第三冷卻部23’分別沿與加速管12軸線垂直的方向穿出緩速體14，也就是上述I型結構(如圖3所示)；所述I型結構的冷卻裝置20雖然也能夠實現對靶材13的冷卻，但是需要在緩速體14上設置槽24讓第二冷卻部22’和第三冷卻部23’穿過，該槽24會截斷緩速體14及反射體15各自之連續性，因此裝設技術相較匚型結構複雜，並且將冷卻裝置設置為I型結構後的射束整形體10所產生的中子通量及品質表現相較於將冷卻裝置設置成匚型結構後的射束整形體10所產生中子通量及品質表現差。

現以緩速體14採用AlF₃(密度2.78g/cm³)材料製成為例，採用MCNP軟體(是由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)所開發，係為一套基於蒙特卡羅方法的通用套裝轉體，用於計算三維複雜幾何結構中的中子、光子、帶電粒子或耦合中子/光子/帶電粒子遷移問題)分別對設置匚型和I型冷卻裝置後的射束整形體進行模擬計算：

表一為此兩種實施例之空氣中射束品質因素：

其中，如下表二示出了中子通量在這兩種實施例中的表現：

所述靶材13包括鋰靶層131和位於鋰靶層131一側用於防止鋰靶層131氧化的抗氧化層132。所述靶材13的抗氧化層132由Al或者不銹鋼製成。第一接觸部211由導熱材料(如Cu、Fe、Al等導熱性能好的材料)或既能導熱又能抑制發泡的材料製成，第二接觸部由抑制發泡的材料製成，抑制發泡的材料或既能導熱又能抑制發泡的材料由Fe、Ta或V的任一種製成。靶材13受到高能量加速質子束照射後溫度升高，所述第一接觸部211將熱量導出，並通過流通在冷卻槽213中的冷卻介質將熱量帶出，從而對靶材13進行冷卻。在本實施例中，所述冷卻介質為水。

作為一種優選的實施方式，將所述緩速體14設置成具有至少一個錐體狀140的結構。所述緩速體14具有第一端部141和第二端部142，所述錐體狀140具有位於第一端部141和第二端部142之間的第三端部143和連接第一端部141和第二端部142的主體部144。所述加速管12的嵌入段121位於錐體狀140的第一端部141和第三端部143之間，所述第一冷卻部21位於靶材13和錐體狀140的第三端部143之間。這樣設置的好處是，能夠比較合理的控制緩速體14的尺寸，使產生的中子束達到較好的緩速效果，同時使射束整形體獲得較好的射束品質；具體而言，因為第一冷卻部21位於靶材13和錐體狀140的第三端部143之間，位於第三端部143之後部分的緩速體14能夠對前向性較好且能量較高的中子進行緩速，意即，此設置留有夠長尺寸的緩速體足以對高能且前向性好的中子進行充分緩速；而對於偏離中子射束主軸X的中子，當偏離射束主軸X的中子經過主體部144緩速後遷移到反射體15，反射體15通過緩速體14的錐體狀設計以一定的角度將偏離射束主軸X的中子反射回中子射束主軸X，同時錐體狀設計可避免能量較低的中子在反射回射束主軸X的路徑上過度緩速，在提升對高能中子之緩速效果時，可同時維持中子射束的強度，繼而保證射束整形體10得到較好的中子射束品質。

本申請實施例中所述緩速體的“錐體”或“錐體狀”結構是指緩速體沿著圖示方向的一側到另一側其外輪廓的整體趨勢逐漸變小的結構，外輪廓的其中一條輪廓線可以是線段，如圓錐體狀所對應的輪廓線，亦可以是圓弧，如球面體狀所對應的輪廓線，外輪廓的整個表面可以是圓滑過渡的，也可以是非圓滑過渡的，如在圓錐體狀或球面體狀的表面做了很多凸起和凹槽。

本申請所揭示之用於中子捕獲治療系統並不侷限於以上實施例所述的內容以及附圖所表示的結構。在本申請的基礎上，對其組件材料、形狀及位置進行任何變更、替代或修改，均應包含於本申請要求保護之範圍內。