Облучатель для нейтронно-захватной терапии Российский патент 2019 года по МПК A61N5/10 G21G1/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области облучения и, в частности к облучателям для нейтронно-захватной терапии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

С развитием атомной науки, лучевая терапия с использованием кобальта-60, линейных ускорителей, электронного пучка и т.д. стала одним из основных средств лечения рака. Тем не менее, из-за ограничения физических условий радиации, традиционная лучевая терапия с использованием фотонов или электронов не только уничтожает опухолевые клетки, но и может привести к повреждению большого количества нормальных тканей. Кроме того, из-за различной чувствительности опухолевых клеток к радиации, обычная лучевая терапия не подходит для лечения злокачественных опухолей, обладающих более высокой радиационной стойкостью, например, мультиформная глиобластома (glioblastoma multiforme), меланома (melanoma).

Для того чтобы уменьшить радиационное повреждение нормальных тканей вокруг опухолей, в области радиационной терапии используют концепцию целевой терапии в области химиотерапии (chemotherapy). Для лечения опухолевых клеток с высокой радиационной стойкостью, также активно разрабатываются источники излучения, обладающие высокой относительной биологической эффективностью (relative biological effectiveness, RBE), такие как протонная терапия, терапия с использованием тяжелых частиц, нейтронно-захватная терапия и т.д. Нейтронно-захватная терапия является комбинацией вышеуказанных двух терапий, например, бор-нейтронозахватная терапия позволяет накоплять борсодержащие препараты в опухолевых клетках, точная регулировка нейтронного пучка обеспечивает лучший эффект при лечении рака в сравнивании с традиционной радиационной терапии.

Бор-нейтронозахватная терапия (Boron Neutron Capture Therapy, БНЗТ) основывается на борсодержащих препаратах (¹⁰В), дающих более высокое сечение захвата нейтронов, в результате захвата нейтронов B(n,α)⁷Li и реакции ядерного деления возникают два вида тяжелых заряженных частиц: ⁴Не и ⁷Li. На фиг. 1 и фиг. 2 соответственно показана принципиальная схему бор-нейтронозахватной терапии с уравнением ядерной реакции для захвата нейтронов ¹⁰В(n,α)⁷, средняя энергия двух видов заряженных частиц составляет около 2.33 МэВ, эти два вида заряженных частиц характеризуются высокой линейностью передачи (линейная передача энергии, LET), малым радиусом действия, энергия линейной передачи и радиус действия а частиц соответственно составляют 150 кэВ/мкм, 8 мкм, энергия линейной передачи и радиус действия заряженных частиц ⁷Li соответственно составляют 175 кэВ/мкм, 5 мкм, общий радиус действия двух частиц составляет около размера одной ячейки, так что радиационное повреждение ограничено только на клеточном уровне. В случае, когда борсодержащие препараты избирательно собраны в опухолевых клетках, следует выбрать подходящий источник нейтронного излучения, который не может привести к серьезному повреждению нормальных тканей и точно уничтожает опухолевые клетки.

Эффективность бор-нейтронозахватной терапии зависит от концентрации борсодержащих препаратов и количества теплых нейтронов, поэтому эта терапия называется бинарной терапией (binary cancer therapy). Как видно, в дополнение к разработке борсодержащих препаратов, улучшение потока нейтронов и качества источника нейтронного излучения играет важную роль в бор-нейтронозахватной терапии.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для того, чтобы улучшить поток нейтронов и качество источника нейтронного излучения, в одном из аспектов настоящее изобретение относится к облучателю для нейтронно-захватной терапии, который содержит вход волоконного пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель вокруг указанного замедлителя, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, массив биологической защиты реактора и выход волоконного пучка, размещенные в указанном облучателе. При работе указанной мишени с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка, возникает атомная реакция с получением нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, указанный замедлитель содержит, по меньшей мере, одну форму в виде усеченного конуса, отклоненные нейтроны будут отражены обратно в ось, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов, указанный поглотитель тепловых нейтронов поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора предназначен для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

Указанный облучатель в дальнейшем предназначен для бор-нейтронозахватной терапии на базе ускорителя.

В процессе бор-нейтронозахватной терапии на базе ускорителя пучок протонов ускоряется с помощью ускорителя, мишень выполнена из металла, ускорение пучка протонов преодолеет силы кулоновского отталкивания ядра мишени, в результате ядерной реакции с указанной мишенью возникают нейтроны.

Указанный облучатель замедляет нейтроны, отправленные в активную зону эпитепловых нейтронов, и снижает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, указанные эпитепловые нейтроны находятся в области энергий от 0.5 до 40 кэВ, указанные тепловые нейтроны находятся в области энергий менее 0.5 эВ, а указанные быстрые нейтроны находятся в области энергий больше 40 кэВ, указанный замедлитель выполнен из материала с большим сечением захвата быстрых нейтронов, малым сечением захвата эпитепловых нейтронов, указанный отражатель выполнен из материала, имеющего высокую отражательную способность нейтронов, указанный поглотитель тепловых нейтронов выполнен из материала с большим сечением захвата тепловых нейтронов.

В предпочтительных вариантах, указанный замедлитель выполнен, по крайней мере, из одного из следующих материалов: D₂O, AlF₃, Fluental™, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ и Al₂O₃.

Кроме того, указанный отражатель выполнен, по меньшей мере, из свинца или никеля, поглотитель тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li, между указанным поглотителем тепловых нейтронов и выходом волоконного пучка выполнен воздушный канал.

Указанный массив биологической защиты реактора включает в себя защиту от фотонов и защиту от нейтронов. В предпочтительных вариантах, защита от фотонов выполнена из свинца, защита от нейтронов выполнена из ПЭ (полиэтилена).

В предпочтительных вариантах, указанный замедлитель содержит один цилиндр, один усеченный конус, прилегающий к указанному цилиндру, или выполнен из двух усеченных конусов, противоположно прилегающих друг к другу.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, термин "цилиндр" или "цилиндрический корпус" относится к конструкции, общая тенденция внешнего контура которой в направлении, показанном вдоль одной стороны к другой стороне, почти не изменяется, одна из контурных линий внешнего контура может быть отрезком линии, например, контурная линия цилиндрической формы, также может быть дуговым сегментом большей кривизны, например, контурная линия сферической формы большей кривизны, вся поверхность внешнего контура может служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, также может не служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, например, на поверхности цилиндрической формы или сферической формы большой кривизны многие выступы и канавки были сделаны.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, термин "конус" или "конусообразный корпус" относится к конструкции, общая тенденция внешнего контура которой в направлении, показанном вдоль одной стороны к другой стороне, постепенно сокращается, одна из контурных линий внешнего контура может быть отрезком линии, например, контурная линия конусообразной формы, также может быть дуговым сегментом большей кривизны, например контурная линия сферической формы большей кривизны, вся поверхность внешнего контура может служить гладкой

поверхностью перехода от одной поверхности к другой, также может не служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, например, на поверхности конусообразной формы или сферической формы большой кривизны многие выступы и канавки были сделаны.

ПРИЛАГАЕМЫЕ ЧЕРТЕЖИ

Фиг. 1 представляет собой схематический вид реакции захвата нейтронов бора.

Фиг. 2 представляет собой уравнение ядерной реакции захвата нейтронов ¹⁰B(n,α)⁷Li.

Фиг. 3 представляет собой схематический план облучателя для нейтронно-захватной терапии, указанного в первом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором, между замедлителем и отражателем выполнен зазор прохода.

Фиг. 4 представляет собой схематический план облучателя для нейтронно-захватной терапии, указанного во втором варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель биконический, а зазор проход, указанный в первом варианте осуществления, заполнен материалом замедлителя.

Фиг. 5 представляет собой схематический план облучателя для нейтронно-захватной терапии, указанный в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель биконический, зазор прохода, указанный в первом варианте осуществления, заполнено материалом замедлителя.

Фиг. 6 показан график дифференциального квантового выхода по энергии и углу нейтронов.

Фиг. 7 представляет собой схематический план облучателя для нейтронно-захватной терапии, указанного в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен цилиндрическим.

Фиг. 8 представляет собой схематический план облучателя для нейтронно-захватной терапии, указанного в пятом варианте осуществления настоящего изобретения, в котором замедлитель выполнен в виде сочетания цилиндра и конуса.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Нейтронно-захватная терапия, как эффективное средство лечения рака, используется широко в последние годы, бор-нейтронозахватная терапия наиболее распространена, нейтроны, предназначенные для бор-нейтронозахватной терапии, питаются от ядерного реактора или ускорителя. Для описания вариантов осуществления настоящего изобретения ускоритель для нейтронно-захватной терапии обычно включает в себя основные следующие компоненты: ускоритель, предназначенный для ускорения заряженных частиц (например, протонов, дейтронов, и т.д.), мишень и систему отвода тепла, облучатель, в результате взаимодействия ускоренных заряженных частиц с металлической мишенью образуются нейтроны, в соответствии с выходом и энергией нейтронов, энергией и током ускоренных заряженных частиц, физическими и химическими свойствами металлической мишени и другими факторами выбирается соответствующая ядерная реакция, наиболее часть возникаемые ядерные реакции включают ⁷Li(p,n)⁷Be и ⁹Ве(р,n)⁹В, эти две реакции эндотермические. Пороговая энергия эти двух ядерных реакций соответственно составляют 1.881 МэВ и 2.055 МэВ, из-за того, что идеальным источником нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии является источник эпитермальных нейтронов с энергией кэВ. В теории, протоны с энергией немного большей порогового значения, используются для бомбардировки мишени из лития, тогда нейтроны с относительно низкой энергией могут быть использованы в клинической терапии без замедления. Однако, мишень из лития (Li) или бериллия (Be) дает невысокое сечение захвата нейтронов и низкую пороговую энергию, в следствии чего, для того, чтобы произвести большой поток нейтронов обычно выбирают протоны с более высокой энергией для запуска ядерной реакции.

Идеальная мишень должна обладать высоким выходом нейтронов, энергия нейтронов распространяется рядом с зоной эпитермальных нейтронов (подробнее будут описаны ниже), мишень не имеет сильного излучения, безопасна и проста в эксплуатации, обладает высокой стойкостью к высокой температуре и другими преимуществами, но на самом деле нет такой ядерной реакции, которая удовлетворяет всем требованиям; в вариантах осуществления настоящего изобретения используется мишень из металлического лития. Специалистам в данной области известно, что мишень может быть сделана из других материалов за исключением вышеуказанных металлических материалов.

Требования к системе отвода тепла вырабатываются в зависимости от вида ядерных реакций, например, из-за низкой точки плавления и теплопроводности металлических мишеней (из металлического лития), требования к ядерной реакции ⁷Li(p,n)⁷Be более высокие в сравнивании с ядерной реакцией ⁹Ве(р,n)⁹В. В вариантах осуществления настоящего изобретения используется ядерная реакция ⁷Li(p,n)⁷Be.

Не зависимо от того, что источник нейтронов БНЗТ получается от реактора или ядерных реакций между заряженными частицами и мишенью ускорителя, созданное поле представляет собой поле смешанного излучения, то есть, пучки содержат нейтроны, фотоны разной энергии. В процессе бор-нейтронозахватной терапии глубоко расположенных опухолей, в дополнение к надтепловым нейтронам, тем больше содержание остальных излучений, чем больше осаждение неселективной дозы для нормальных тканей, поэтому следует сократить избыточное излучение. Кроме качества пучков, чтоб определить распространите дозы в организме человека, в вариантах осуществления настоящего изобретения используется протез дозы головы человека для расчета дозы, результаты расчета используются для проектирования пучка нейтронов, что будет подробно описано ниже.

Согласно стандарту международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), существует пять параметров определения качества пучков нейтронов для нейтронно-захватной терапии и источника нейтронов, используемые как руководство по выбору способа производства нейтронов при проектирования пучка нейтронов. Указанные параметры заключаются в следующем:

поток надтепловых нейтронов (Epithermal neutron flux)>1×10⁹ n/cm²s

Загрязнение быстрыми нейтронами Fast neutron contamination <2×10^-13 Gy-cm²/n.

Загрязнение фотонами Photon contamination <2×10^-13 Gy-cm²/n

Соотношение между теплыми нейтронами и потоком надтепловых нейтронов thermal to epithermal neutron flux ratio <0.05

Соотношение тока надтепловых нейтронов к потоку epithermal neutron current to flux ratio >0.7

Примечание: энергия эпитермальных нейтронов составляет 0.5 эВ - 40 кэВ, энергия теплых нейтронов составляет 0.5 эВ, энергия быстрых выше 40 кэВ.

1. Поток надтепловых нейтронов:

Время клинического лечения зависит от потока нейтронов и концентрации борсодержащих препаратов в опухолях. Если концентрация борсодержащих препаратов более высока, требования к потоку нейтронов понижаются. В противном случае, если концентрация борсодержащих препаратов более низка, то поток эпитермальных нейтронов должен обеспечивать достаточную дозу. По требованиям МАГАТЭ к потоку надтепловых нейтронов, число эпитермальных нейтронов на квадратный сантиметр в секунду больше, чем 109, при этом время лечения с использованием борсодержащих препаратов должно не превышать одного часа, а короткое время лечения не только повысит комфортабельность пациентов, но и повысит эффект лечения.

2. 3агрязнение быстрыми нейтронами.

Поскольку быстрые нейтроны могут вызвать ненужные дозы в нормальных тканях, и, следовательно, рассматриваются как загрязнение, размер дозы положительно коррелирует с энергией нейтронов, так что пучки нейтронов должны сводить к минимуму содержание быстрых нейтронов. Загрязнение быстрыми нейтронами определяется как единичная дозу быстрых нейтронов, которая зависит от потока эпитермальных нейтронов; по стандарту МАГАТЭ рекомендуемое значение загрязнения быстрыми нейтронами должно быть меньше 2×10^-13 Gy-cm²/n.

3. Загрязнение фотонами (загрязнение γ-лучами):

γ-лучи представляют собой сильное излучение, которое может привести к неселективному осаждению дозы в любых тканях на пути луча; необходимо уменьшать содержание γ-лучей при проектировании нейтронного пучка; загрязнение γ-лучами определяется как единичная доза γ-лучей, которая зависит от потока эпитермальных нейтронов; по стандарту МАГАТЭ рекомендуемое значение загрязнения γ-лучей должно быть меньше 2×10^-13 Gy-cm²/n.

4. Соотношение между теплыми нейтронами и потоком надтепловых нейтронов:

в связи с высокой скоростью ослабления и низкой проникающей способностью тепловых нейтронов, большая часть энергии оседает в кожных тканях; кроме тепловых нейтронов, которые используются как источник нейтронов при бор-нейтронозахватной терапии меланомы и других опухолей кожи, следует сократить дозу тепловых нейтронов для лучения опухоли головного мозга и других глубоких опухолей; по стандарту МАГАТЭ рекомендуемое соотношение между теплыми нейтронами и потоком надтепловых нейтронов должно быть меньше 0,05.

5. Соотношение тока надтепловых нейтронов к потоку:

соотношение тока надтепловых нейтронов к потоку представляет направление луча; чем больше отношение, тем выше направленность вперед нейтронных пучков, повышение направленности вперед нейтронных пучков может сократить дозу нейтронов в окружающих нормальных тканях, вызванную рассеянием нейтронов и также может повышать глубину лечения и улучшить удобность лучения. По стандарту МАГАТЭ рекомендуемое соотношение тока надтепловых нейтронов к потоку должно быть больше 0,7.

С помощью протеза определяется распределение дозы внутри тканей, в соответствии с кривой зависимости дозы от глубины определяются факторы, влияющие на качество пучка. Следующие три параметра могут быть использованы для сравнения эффективности лечения различных нейтронных пучков.

1. Эффективная глубина лечения.

Доза, применяемая для лечения опухолей, равна глубине при максимальной дозе для лечения нормальных тканей; если полученная доза у опухолевых клеток глубже этой глубины меньше максимальной дозы для лечения нормальных тканей, то ухудшается эффект бор-нейтронозахватной терапии. Этот параметр обозначает проникающую способность нейтронного пучка - чем больше эффективная глубина лечения опухолей, тем большей глубины излечимы опухоли; параметр выражается в сантиметрах.

2. Интенсивность дозы на эффективной глубине.

Интенсивность дозы на эффективной глубине также равна максимальной интенсивности дозы нормальных тканей. Применяемая доза нормальных тканей влияет на суммарную дозу опухолей, следовательно, параметр влияет на время лечения - чем больше интенсивность дозы на эффективной глубине, тем короче требуемое время лечения; выражен в cGy/mA-min.

3. Соотношение эффективной дозы и эффекта.

Соотношение между средней дозой, принятой опухолевыми тканями и средней дозой, принятой нормальными тканями на эффективной глубине от поверхности головного мозга, называют соотношением эффективной дозы и эффекта. Средняя доза вычисляется по кривой зависимости дозы от глубины. Чем больше эффективная дозы и эффект, тем лучшее эффективность лучения с помощью этого нейтронного пучка

При проектировании облучателя, помимо упомянутых пяти рекомендуемых параметров МАГАТЭ и трех вышеуказанных параметров, в вариантах осуществления настоящего изобретения следующие параметры также используются для оценки дозы нейтронного лучка:

1. Время облучения <30 min (в ускорителе используется ток протонов 10 мА)

2. 30.0RBE-Gy излечимая глубина ≥7 cm

3. Максимальная доза опухолей ≥60.0RBE-Gy

4. Максимальная доза нормальной мозговой ткани ≤12.5RBE-Gy

5. Максимальная доза кожи ≤11.0RBE-Gy

Параметр RBE (относительная биологическая эффективность) представляет собой относительную биологическую эффективность, в связи с различием биологических эффектов протонов, нейтронов, так что вышеупомянутые дозы соответственно умножаются на относительную биологическую эффективность различных тканей в целях получения эквивалентной дозы.

Для того, чтобы улучшить поток и качество источника нейтронного потока, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к улучшенному облучателю, предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к улучшенному облучателю для нейтронно-захватной терапии, как показано на фиг. 3. Облучатель 10 для нейтронно-захватной терапии, предложенный в первом варианте осуществления настоящего изобретения содержит вход волоконного пучка 11, мишень 12, замедлитель 13, примыкающий к указанной мишени 12, отражатель 14 вокруг указанного замедлителя 13, поглотитель тепловых нейтронов 15, примыкающий к указанному замедлителю 13, массив биологической защиты реактора 16 и выход волоконного пучка 17, размещенные в указанном облучателе 10. Указанная мишень 12 работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка 11, возникает атомная реакция для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось X указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель 13, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени 12, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, отражатель 14 отражает отклоненные нейтроны обратно по оси X, для повышения интенсивности пучка эпитепловых нейтронов, между замедлителем 13 и отражателем 14 выполнен проход в виде зазора 18, чтоб повысить поток нейтронов. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 15 поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора 16 предназначен для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

В процессе бор-нейтронозахватной терапии на базе ускорителя пучок протонов ускоряется с помощью ускорителя, в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения указанная мишень 12 выполнена из металлического лития, ускорение пучка протонов преодолевает силы кулоновского отталкивания ядра мишени, в результате ядерной реакции ⁷Li(p,n)⁷Be с указанной мишенью 12 образуются нейтроны.

Указанный облучатель 10 замедляет нейтроны, отправленные в активную зону эпитепловых нейтронов и снижает содержание тепловых нейтронов и быстрых нейтронов. Указанный замедлитель 13 выполнен из материала с большим сечением захвата быстрых нейтронов, малым сечением захвата эпитепловых нейтронов, в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, указанный замедлитель 13, по крайней мере, выполнен из одного из следующих материалов: D₂O, AlF₃, Fluental™, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ и Al₂O₃. Указанный отражатель 14 выполнен из материала, имеющего высокую отражательную способность нейтронов, в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, указанный отражатель 14 выполнен, по меньшей мере, из свинца или никеля. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 15 выполнен из материала с большим сечением захвата тепловых нейтронов, в одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, указанный поглотитель 15 тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li и содержит воздушный канал 19 между указанным поглотителем тепловых нейтронов 15 и выходом волоконного пучка 17. Указанный массив биологической защиты реактора 16 включает в себя защиту от фотонов 161, защиту от нейтронов 162. В предпочтительном варианте, защита от фотонов 16 выполнена из свинца, защита от нейтронов 162 выполнена из ПЭ (полиэтилена).

Указанный замедлитель 13 выполнен в форме двух усеченных конусов, которые прилегают друг к другу в противоположных направлениях, как показано на фиг. 3, при этом левая сторона замедлителя 13 выполнена из конуса, который постепенно сужается влево, а правая сторона замедлителя 13 выполнена из конуса, который постепенно сужается вправо, и два конуса примыкают другу к другу. В предпочтительном варианте, левая сторона замедлителя 13 выполнена из конуса, который постепенно сужается влево, а правая сторона замедлителя может быть выполнена другой формы, примыкающей к указанному конусу, например в виде цилиндра и т.п. Отражатель 14 тесно расположен вокруг замедлителя 13, и также между замедлителем 13 и отражателем 14 выполнен проход в виде зазора 18. Так называемый зазор прохода 18 относится к зоне, покрытой твердым материалом, через которую легко проходят нейтронные пучки, проход зазора 18 может быть воздушным или вакуумным каналом. Установленный рядом с замедлителем поглотитель тепловых нейтронов выполнен из очень тонкого слоя материала ⁶Li, указанный массив биологической защиты реактора 16 включает в себя защиту от фотонов 161, которая выполнена из свинца, и может быть установлена в целом с отражателем 14, также может быть установлено отдельно, а указанный массив биологической защиты реактора 16 включает в себя защиту от нейтронов, выполненную из полиэтилена, которая может установлена на месте рядом с выходом пучка 17. Между поглотителем тепловых нейтронов 15 и выходом пучка 17 установлен воздушный канал 19, отклоненные нейтроны будут обратно отражены по оси X, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов, протез В устанавливают на расстоянии около 1 см от выхода волоконного пучка 17. Специалистам в данной области хорошо известно, что защита от фотонов 161 может быть выполнена из других материалов, при условии, что она может играть роль защиты от фотонов, защита от нейтронов 162 также может быть выполнена из других материалов и установлена в других местах, при условии, что она отвечает требованиям к защите от утечке нейтронов.

Для того чтобы сравнить разницу между облучателем с проходом зазора и облучателем без прохода зазора, фиг. 4, фиг. 5 соответственно иллюстрируют второй вариант осуществления настоящего изобретения, в котором зазор прохода заполнен замедлителем и третий вариант осуществления настоящего изобретения, в котором зазор прохода заполнен отражателем. Как показано на фиг. 4, указанный облучатель 20 содержит вход волоконного пучка 21, мишень 22, замедлитель 23, примыкающий к указанной мишени, отражатель 24 вокруг указанного замедлителя, поглотитель тепловых нейтронов 25, примыкающий к указанному замедлителю 23, массив биологической защиты реактора 26 и выход волоконного пучка 27, размещенные в указанном облучателе 20. Указанная мишень 22 работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка 21, возникает атомная реакция для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось X1 указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель 23, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени 22, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, отражатель 24 отражает отклоненные нейтроны обратно в ось X1, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов. Указанный замедлитель 23 выполнен в форме двух усеченных конусов, которые прилегают друг к другу в противоположном направлении, левая сторона замедлителя 23 выполнена из конуса, который постепенно сужается влево, правая сторона замедлителя 23 выполнена из конуса, который постепенно сужается вправо и два конуса примыкают другу к другу. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 25 поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора 26 предназначается для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

Как предпочтительный вариант, во втором варианте осуществления мишень 22, замедлитель 23, отражатель 24, поглотитель тепловых нейтронов 25 и массив биологической защиты реактора 26 могут быть выполнены так же, как в первом варианте осуществления. Указанный массив биологической защиты реактора 26 включает в себя защиту от фотонов 261, выполненную из свинца, защиту от нейтронов 262, выполненную из полиэтилена, указанная защита от нейтронов 262 может быть на выходе пучка 27. Между поглотителем тепловых нейтронов 25 и выходом пучка 27 установлен воздушный канал 28. Протез В1 установлен в расстоянии около 1 см от выхода волоконного пучка 27.

Как показано на фиг. 5, указанный облучатель 30 содержит вход волоконного пучка 31, мишень 32, замедлитель 33, примыкающий к указанной мишени, отражатель 34 вокруг указанного замедлителя, поглотитель тепловых нейтронов 35, примыкающий к указанному замедлителю 33, массив биологической защиты реактора 36 и выход волоконного пучка 37, размещенные в указанном облучателе 30. Указанная мишень 32 работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка 31, возникает атомная реакция для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось X1 указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель 33, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени 32, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, отражатель 34 отражает отклоненные нейтроны обратно по оси X1, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов. Указанный замедлитель 33 выполнен из в форме двух усеченных конусов, которые прилегают друг к другу в противоположном направлении, левая сторона замедлителя 33 выполнена из конуса, который постепенно сужается влево, правая сторона замедлителя 33 выполнена из конуса, который постепенно сужается вправо и два конуса примыкают другу к другу. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 35 поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора 36 предназначается для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

Как предпочтительный вариант, во втором варианте осуществления мишень 32 замедлитель 33, отражатель 34, поглотитель тепловых нейтронов 35 и массив биологической защиты реактора 36 могут быть такими же, как в первом варианте осуществления. Указанный массив биологической защиты реактора 36 включает в себя защиту от фотонов 361, выполненную из свинца, защиту от нейтронов 362, выполненную из полиэтилена, указанная защита от нейтронов 362 может быть на выходе пучка 37. Между поглотителем тепловых нейтронов 35 и выходом пучка 37 установлен воздушный канал 38. Протез В1 установлен в расстоянии около 1 см от выхода волоконного пучка37.

Программное обеспечение MCNP, разработанное в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LosAlamos National Laboratory) включает семейство программ для моделирования процесса переноса ионизирующего излучения нейтронов, фотонов, электронов и др. в материальных системах с использованием методов Монте-Карло и используется для аналогового расчета вышеуказанных трех вариантов осуществления.

В таблице 1 показывается параметры, влияющие на качество волоконного пучка для трех вариантов осуществления (единицы параметров соответствуют указанным ранее).

В таблице 2 показана интенсивность дозы согласно трем вариантам осуществления.

В таблице 3 приведены аналоговые параметры для оценки интенсивности дозы трех вариантов осуществления:

Так как нейтроны, возникшие от литиевой мишени, имеют более высокую среднюю энергию, как показано на рисунке 6, когда угол рассеяния нейтронов составляет 0°-30° средняя энергия нейтронов составляет около 478 кэВ, а когда угол рассеяния нейтронов составляет 30°-180°, средняя энергия нейтронов составляет около 290 кэВ, изменение геометрической формы облучателя может привести к умножению столкновения между замедлителем, теоретической оптимизации замедления нейтронов, повышению потока надтепловых нейтронов. Ниже мы будем оценивать влияние геометрической формы на поток надтепловых нейтронов.

На фиг. 7 показана геометрическая форма облучателя в четвертом варианте осуществления, указанный облучатель 40 содержит вход волоконного пучка 41, мишень 42, замедлитель 43, примыкающий к указанной мишени 42, отражатель 44 вокруг указанного замедлителя 43, поглотитель тепловых нейтронов 45, примыкающий к указанному замедлителю 43, массив биологической защиты реактора 46 и выход волоконного пучка 47, размещенные в указанном облучателе 40. Указанная мишень 42 работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка 41, возникает атомная реакция для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось X1 указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель 43, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени 42, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, отражатель 44 отражает отклоненные нейтроны обратно, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов. Указанный замедлитель 43 выполнен цилиндрической формы. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 45 поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора 46 предназначается для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах. Между указанным поглотителем тепловых нейтронов 45 и выходом волоконного пучка 47 образован воздушный канал 48.

На фиг. 8 показана геометрическая форма облучателя в четвертом варианте осуществления, указанный облучатель 50 содержит вход волоконного пучка 51, мишень 52, замедлитель 53, примыкающий к указанной мишени 52, отражатель 54 вокруг указанного замедлителя 53, поглотитель тепловых нейтронов 55, примыкающий к указанному замедлителю 53, массив биологической защиты реактора 56 и выход волоконного пучка 57, размещенные в указанном облучателе 50. Указанная мишень 52 работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка 51, возникает атомная реакция для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось ХЗ указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель 53, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени 52, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, отражатель 54 отражает отклоненные нейтроны обратно, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов. Указанный замедлитель 53 выполнен в форме двух усеченных конусов, которые прилегают друг к другу в противоположном направлении. Левая сторона замедлителя 53 может выполнена цилиндрической формы, а правая сторона замедлителя 53 - в виде конуса, который постепенно сужается вправо. Указанный поглотитель тепловых нейтронов 25 поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора 26 предназначается для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

Как предпочтительный вариант, в пятом варианте осуществления мишень 52, замедлителя 53, отражатель 54, поглотитель тепловых нейтронов 55, массив биологической защиты реактора 56 могут быть такие же, как в первом варианте осуществления. Указанный массив биологической защиты реактора 56 включает в себя защиту от фотонов 561, выполненную из свинца, защиту от нейтронов 562, выполненную из полиэтилена, указанная защита от нейтронов может быть расположена на выходе пучка 57. Между поглотителем тепловых нейтронов 55 и выходом пучка 57 установлен воздушный канал 58. Протез В3 установлен в расстоянии около 1 см от выхода волоконного пучка 57.

Программное обеспечение MCNP используется для аналогового расчета биконического замедлителя согласно второму варианту осуществления, цилиндрического замедлителя согласно четвертому варианту осуществления и замедлителя в форме цилиндр + конус - в пятом варианте осуществления:

В таблице 4 показывается параметры, влияющие на качество волоконного пучка согласно трем таким вариантам.

В таблице 5 показана интенсивность дозы согласно трем таким вариантам.

В таблице 6 приведены аналоговые параметры для оценки интенсивности дозы согласно трем вариантам.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, термин "цилиндр" или "цилиндрический корпус" обозначает конструкцию общая тенденция внешнего контура которой в направлении, показанном вдоль одной стороны к другой стороне, почти не изменяется, одна из контурных линий внешнего контура может быть отрезком линии, например контурная линия цилиндрической формы, также может быть дуговым сегментов большей кривизны, например, контурная линия сферической формы большей кривизны, вся поверхность внешнего контура может служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, также может не служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, например, на поверхности цилиндрической формы или сферической формы большой кривизны многие выступы и канавки были сделаны.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, термин "Конус" или "конусообразный корпус" обозначает конструкцию общая тенденция внешнего контура которой в направлении, показанном вдоль одной стороны к другой стороне, постепенно сократится, одна из контурных линий внешнего контура может быть отрезком линии, например, контурная линия конусообразной формы, также может быть дуговым сегментов большей кривизны, например контурная линия сферической формы большей кривизны, вся поверхность внешнего контура может служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, также может не служить гладкой поверхностью перехода от одной поверхности к другой, например, на поверхности конусообразной формы или сферической формы большой кривизны многие выступы и канавки были сделаны.

Хотя настоящее изобретение было описано с выделением предпочтительных вариантов осуществления, специалистам в данной области техники ясно, что настоящее изобретение не ограничивается вариантами осуществления, описанными и проиллюстрированными выше. Различные варианты осуществления и адаптации, помимо показанных и описанных здесь, а также многие вариации, модификации и эквивалентные устройства ясно следуют из приведенного выше описания и чертежей.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к облучателю для нейтронно-захватной терапии, который содержит вход волоконного пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель вокруг указанного замедлителя, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к замедлителю, массив биологической защиты реактора и выход волоконного пучка, размещенные в облучателе. Мишень работает с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка. Ось пучков нейтронов направлена на замедлитель, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов. Замедлитель содержит по меньшей мере одну форму усеченного конуса. Отклоненные нейтроны будут отражены обратно в ось, чтоб повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов, поглотитель тепловых нейтронов поглощает тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями. Массив биологической защиты реактора предназначается для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах. 9 з.п. ф-лы, 8 ил., 6 табл.

1. Облучатель для нейтронно-захватной терапии, характеризующийся тем, что указанный облучатель содержит вход волоконного пучка, мишень, замедлитель, примыкающий к указанной мишени, отражатель вокруг указанного замедлителя, поглотитель тепловых нейтронов, примыкающий к указанному замедлителю, массив биологической защиты реактора и выход волоконного пучка, размещенные в указанном облучателе, указанная мишень служит для работы с протонными пучками, выведенными от входа волоконного пучка с возникновением атомной реакции для получения нейтронов, указанные нейтроны образуют пучки нейтронов, ось указанных пучков нейтронов направлена на указанный замедлитель, который замедляет нейтроны, выделенные от мишени, направленные в активную зону эпитепловых нейтронов, указанный замедлитель имеет форму по меньшей мере в виде одного усеченного конуса, при этом облучатель выполнен с возможностью отражения отклоненных нейтронов обратно по оси, чтобы повысить интенсивность пучка эпитепловых нейтронов, указанный поглотитель тепловых нейтронов поглощает при этом тепловые нейтроны, чтобы избежать чрезмерных поверхностных доз при терапии прямо под поверхностными нормальными тканями, указанный массив биологической защиты реактора предназначен для защиты от утечки нейтронов и фотонов, чтобы уменьшить дозу для нормальных тканей в необлученных зонах.

2. Облучатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный облучатель в дальнейшем предназначается для бор-нейтронозахватной терапии на базе ускорителя.

3. Облучатель по п. 2, отличающийся тем, что в процессе бор-нейтронозахватной терапии на базе ускорителя пучок протонов ускоряется с помощью ускорителя, указанная мишень выполнена из металла, ускорение пучка протонов преодолевает силы кулоновского отталкивания ядра мишени, в результате ядерной реакции с указанной мишенью возникают нейтроны.

4. Облучатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный облучатель выполнен с возможностью замедления нейтронов, отправленных в активную зону эпитепловых нейтронов, и снижения содержания тепловых нейтронов и быстрых нейтронов, указанные эпитепловые нейтроны находятся в области энергий от 0.5 эВ до 40 кэВ, указанные тепловые нейтроны находятся в области энергий менее 0.5 эВ, указанные быстрые нейтроны находятся в области энергий больше 40 кэВ, указанный замедлитель выполнен из материала с большим сечением захвата быстрых нейтронов, малым сечением захвата эпитепловых нейтронов, указанный отражатель выполнен из материала, имеющего высокую отражающую способность нейтронов, указанный поглотитель тепловых нейтронов выполнен из материала с большим сечением захвата тепловых нейтронов.

5. Облучатель по п. 4, отличающийся тем, что указанный замедлитель, по крайней мере, выполнен из одного из следующих материалов: D₂O, AlF₃, Fluental™, CaF₂, Li₂CO₃, MgF₂ и Al₂O₃.

6. Облучатель по п. 4, отличающийся тем, что указанный отражатель выполнен по меньшей мере из свинца или никеля.

7. Облучатель по п. 4, отличающийся тем, что указанный поглотитель тепловых нейтронов выполнен из ⁶Li, а между указанным поглотителем тепловых нейтронов и выходом волоконного пучка выполнен воздушный канал.

8. Облучатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный массив биологической защиты реактора включает в себя защиту от фотонов и защиту от нейтронов.

9. Облучатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный замедлитель содержит один цилиндр и один усеченный конус, прилегающий к указанному цилиндру.

10. Облучатель по п. 1, отличающийся тем, что указанный замедлитель выполнен в форме двух усеченных конусов, которые прилегают друг к другу в противоположном направлении.