專利名稱：一種熱中子俘獲治療裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及硼中子俘獲治療(BNCT)裝置，具體涉及為硼中子俘獲治療(BNCT)提供熱中子源的熱中子俘獲治療裝置。
硼中子俘獲治療的原理，可以用以中子轟擊硼的同位素10B的原子核來說明10B+n→7Li+α10B轉變?yōu)槟芰繛?.84MeV的7Li，產生一個動能為1.47MeV的α粒子，同時發(fā)射一個能量為0.477MeV的光子。
在天然硼中，10B的豐度占19.8％。10B俘獲中子(尤其是熱中子)的本領(反應截面)很大，比構成人體的主要原素的原子核1H、12C、14N、16O分別高1.16×104、1.13×106、2.12×103、2.13×107倍。
上述核反應如果發(fā)生在腫瘤細胞內，由于α粒子射程較短(通常僅為幾十個μm，與人體細胞尺寸差不多)，反沖核7Li能量較底，二者都幾乎跑不出所在細胞，因此，它們的動能全部沉積在細胞中。由于α粒子是高LET射線，能引起細胞內分子的致密電腦和激發(fā)，產生數以萬計的離子對，足以將腫瘤細胞殺死。為了只殺滅腫瘤細胞而不殺傷正常細胞，人們將10B結合到親腫瘤藥物中制成含硼藥物(如流基十二硼烷二鈉鹽)，然后將該藥物注入腫瘤患者體內，由于該藥物分子具有親腫瘤的特異性質，會自動濃集到腫瘤病灶處。此時，如將熱中子束照射已經注射含硼藥物的腫瘤病灶，腫瘤細胞因富集了含硼藥物，會發(fā)生上述的硼中子俘獲反應而被殺死；正常細胞因攝取含硼藥物較少，上述硼中子俘獲反應一般不會發(fā)生(或受到的劑量較少)，因而不會被殺死，這樣就形成了治療過程中的一種自動選擇機制。
由于這種治療方法藥物的腫瘤特異性、中子的高穿透本領和核反應產物對癌細胞的強殺傷力等諸多優(yōu)點于一體，可望在殺死癌細胞的同時，保護正常細胞不受過度的照射，因而是一種十分理想的腫瘤治療技術，通稱硼中子俘獲治療(英文簡稱BNCT)。硼中子俘獲治療不象常規(guī)的放射治療是通過射線照射直接殺死癌細胞，而是用中子射線照射引起親和了10B的腫瘤細胞發(fā)生核爆炸，產生α粒子間接殺死癌細胞。這種獨特的治療方式對形狀復雜的腫瘤尤其有效。
硼中子俘獲治療通過發(fā)生在腫瘤細胞內的原子核反應來摧毀癌細胞，是一種雙模式的治療方法。簡而言之，它的治療原理是這樣的先給病人注射一種含硼的特殊化合物，這種化合物與癌細胞有很強的親和力，進入人體后，迅速濃聚于癌細胞內，而在其它正常組織內分布很少。這時，用一束熱中子射線進行照射，這種射線對人體的損傷不大，但中子射線與進入癌細胞的硼(主要是10B)發(fā)生核反應，釋放出一種殺傷力極強的α射線。由于α射線的射程很短，只有一個癌細胞的長度，所以，只殺死癌細胞，不損傷周圍的組織。這種有選擇性地只殺死癌細胞(對形狀復雜的腫瘤病灶也同樣有效)，而不損傷正常組織的技術，就稱為硼中子俘獲治療方法。
BNCT的治療原理和迄今取得的臨床試驗結果表明，BNCT具有很好的臨床應用前景。硼中子俘獲治療系統(tǒng)目前主要用于治療腦膠質瘤和黑色素瘤。腦膠質瘤是對病人威脅最大的一種惡性腫瘤?；歼@種瘤的病人多為青壯年，平均存活不到180天。由于其形狀復雜，象樹根一樣生長在大腦中，運用手術、常規(guī)放療、化療等根本無法治療這種腫瘤。運用硼中子俘獲治療腦膠質瘤，病人5年存活率可達58％，而用手術、化療、常規(guī)放療等方式病人5年存活率還不到3％。硼中子俘獲治療已被證實是目前治療膠質瘤的最好方式。
美國于1994年開始硼中子俘獲治療的臨床試驗。目前，已進入了第二期臨床試驗。歐共體1987年組織了一個聯(lián)合公關組，由歐共體國家的40個研究中心組織了一批一流的研究成員，從歐共體醫(yī)療保健計劃直接得到財政支持，建立了研究中心，現(xiàn)在也已進入臨床階段。此外，全世界還有澳大利亞、芬蘭、瑞典等30多個國家和地區(qū)廣泛地開展了硼中子俘獲治療的理論和臨床研究。雖然BNCT原理簡單，但是至今仍難以在醫(yī)院推廣應用，也一直未有成型產品進入國際醫(yī)療市場，原因在于開展硼中子俘獲治療所需的高通量熱中子源難以獲得。
放射性核素中子源(如210Po-Be、239Pu-Be等)由于中子產額較低，難以產生臨床治療所需的高通量熱中子束；252Cf作為比較理想的一種同位素中子源，雖然已經被廣泛用于放射治療，但是其熱中子產額與反應堆或加速器產生的熱中子通量相比，仍然低2～3個數量級以上，不能滿足臨床BNCT的要求，僅能用于開展快中子治療。
目前世界上用于BNCT的中子源基本都來自核反應堆。由于反應堆中子源的結構龐雜、造價極高、運行和維護費用昂貴，而且各國在核安全方面有嚴格的管制，因此，反應堆中子源無法在醫(yī)院普及使用。國內目前僅有中科院蘭州重離子研究所、清華大學等少數幾家單位有條件利用小型反應堆作為中子源來開展BNCT的研究，但迄今都尚未獲得實質性的進展。加速器中子源同樣存在系統(tǒng)體積較龐大、造價較高、運行維護不易等困難，也難以在醫(yī)院普及。
發(fā)明內容
本實用新型要解決的是現(xiàn)有的為硼中子俘獲治療(BNCT)提供熱中子源的裝置體積較龐大、造價較高、運行維護不易因而難以在醫(yī)院推廣的問題，目的是為臨床廣泛開展硼中子俘獲治療提供一種結構簡單、成本低廉、操作簡便、安全系數較高的新型熱中子源。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術方案是一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅動機構、源繩、源繩運行管道、屏蔽罐、中子源等，源繩一端與驅動機構連接，另一端與中子源固定連接，驅動機構通過驅動源繩來驅動中子源在源繩運行管道內運行，其特征在于，還包括罐狀的次臨界中子倍增裝置，該裝置由核心向外圍依次為能容納中子源的激勵源槽、由中子慢化劑填充構成的通量阱、由核裂變材料與中子慢化劑構成的核燃料層、由能防止中子泄露的物質構成的反射層、用于輻射安全防護的屏蔽層和外殼；次臨界中子倍增裝置內還設置有準直器，準直器一端插入通量阱，另一端經核燃料層、反射層、屏蔽層和外殼與外界相通；核燃料層內設置有熱中子通量檢測儀和能控制反應功率的控制棒；源繩運行管道貫穿屏蔽罐，與次臨界中子倍增裝置中的激勵源槽相對接。
所述的控制棒與一驅動電機連接，在驅動電機的驅動下，控制棒插入核燃料層的深度可調。
所述的準直器的形狀選自中空的圓桶形、方錐形、圓錐型或喇叭型。
所述的屏蔽罐與中子倍增裝置全埋或半埋于地下。
所述的屏蔽罐與中子倍增裝置可連接成一體。
所述的中子源為252Cf；核裂變材料為235U或239Pu，控制棒由金屬鎘制成，中子慢化劑選自聚乙烯、水和石蠟，防止中子泄露的物質選自金屬Be和石墨，屏蔽層材料選自含硼石蠟和含硼聚乙烯，準直器材料選自鉛和貧化鈾，外殼材料選自鑄鐵、不銹鋼、其它金屬或合金材料。
在采用上述技術方案后，由于將已有的以252Cf作為中子源的中子后裝治療機主機，與以235U或239Pu為核裂變材料的次臨界中子倍增裝置相結合，這種裝置不僅能將252Cf發(fā)出的熱中子的通量放大幾十至幾百倍，可以滿足硼中子俘獲治療臨床應用的要求，而且具有整體結構相對簡單、造價相對低廉、運行維護容易、安全系數較高的優(yōu)勢，從而解決了現(xiàn)有的為BNCT提供熱中子源的治療裝置體積龐大、造價較高、運行維護不易的難題，為向國內外醫(yī)院廣泛推廣應用BNCT提供了切實的可能性。
如
圖1所示，一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅動機構1、源繩2、源繩運行管道3、屏蔽罐4、中子源5、罐狀的次臨界中子倍增裝置6和治療床7，源繩2一端與驅動機構1連接，另一端與中子源5固定連接，驅動機構1通過驅動源繩2來驅動中子源5在源繩運行管道3內運行，次臨界中子倍增裝置6由核心向外圍依次為能容納中子源5的激勵源槽61、由中子慢化劑填充構成的通量阱62、由核裂變材料與中子慢化劑構成的核燃料層63、由能防止中子泄露的物質構成的反射層64、用于安全防護的屏蔽層65和外殼66；次臨界中子倍增裝置6內還設置有準直器67，它一端插入通量阱62，另一端經核燃料層63、反射層64、屏蔽層65和外殼66與外界相通；核燃料層63內設置有熱中子通量檢測儀60和能控制反應功率的控制棒68；源繩運行管道3經貫穿屏敲罐4，進入次臨界中子倍增裝置6的通量阱62內與激勵源槽61對接；控制棒68與一驅動電機69連接，在驅動電機69的作用下控制棒68插入核燃料層的深度可調；驅動機構1內部設置有步進電機、緊急回源電機、手動回源裝置。
屏蔽罐4與中子倍增裝置6可埋于地下，四周用混凝土澆注，這樣可以提高輻射防護效果，縮小屏蔽層體積，降低成本。
中子源為252Cf；核裂變材料為235U或239Pu；控制棒由金屬鎘制成；中子慢化劑為聚乙烯或水或石蠟；防止中子世露的物質為金屬Be或石墨；屏蔽層材料為含硼石蠟或含硼聚乙烯，屏蔽罐內的防護材料與此相同；準直器材料為鉛或貧化鈾；外殼材料為鑄鐵或不銹鋼或其它金屬或合金。
中子倍增的形成機制治療時，中子源在源繩的驅動下進入激勵源槽，中子源自發(fā)裂變發(fā)射的中子轟擊核裂變材料235U或239Pu等，使后者發(fā)生核裂變反應，由于1個中子使235U裂變，能平均產生2.5個中子，因此發(fā)出成倍增加的中子；這些新生中子再去轟擊核裂變材料，又會產生更多的中子，即出現(xiàn)所謂“鏈式反應”；由于核裂變材料的裝料量保證低于臨界質量(指產生不可控制“鏈式反應”所需質量)，因此，上述發(fā)生在核燃料層的“鏈式反應”不能自行持續(xù)下去，每個中子只能引發(fā)較短的一段“鏈式反應”，從而保證整個系統(tǒng)內的中子數目保持在一個基本恒定的水平。在反射層的作用下，大部分中子進入通量阱并得到慢化，其間的熱中子通量與中子源相比，可以有數倍至數百倍的放大。這就是“中子倍增”效應。
在通量阱內產生高通量熱中子后，通過準直器引導和屏蔽(主要過濾γ射線)，將熱中子引至裝置外表面，形成熱中子束流，然后，使之照射腫瘤患者的病灶部位，這些病灶此前已經注射含硼藥物，從而開始硼中子俘獲治療過程。
熱中子俘獲治療系統(tǒng)的安全機制由于金屬鎘(Cd)的中子吸收截面較大，能大量吸收熱中子，因此通常用鎘作成控制棒。在系統(tǒng)出現(xiàn)核反應功率突然急劇上升而熱中子通量檢測儀顯示熱中子通量快速增大有可能引發(fā)“核爆”的時候，將控制棒迅速插入核燃料層，使其間熱中子數量快速下降，緩解“鏈式反應”的密度，從而保證整個系統(tǒng)的安全。
中子源由源繩在步進電機的控制下，沿源繩運行管道往返輸送，即中子源到達通量阱時將啟動治療，中子源離開通量阱后自動結束治療，從而實現(xiàn)次臨界中子倍增裝置的“開、關”功能。
驅動機構內部還設置有緊急回源電機和手動回源裝置，在出現(xiàn)步進電機失靈，或出現(xiàn)阻源或卡源等故障時，可啟用功率較大的緊急回源電機將中子源收回至屏蔽罐內；如緊急回源電機也失靈，還可啟用手動回源裝置，強行將中子源拉回屏蔽罐內。這些應急裝置可大大提高系統(tǒng)的安全系數。
權利要求1.一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅動機構(1)、源繩(2)、源繩運行管道(3)、屏蔽罐(4)、中子源(5)等，源繩(2)一端與驅動機構(1)連接，另一端與中子源(5)固定連接，驅動機構(1)通過驅動源繩(2)來驅動中子源(5)在源繩運行管道(3)內運行，其特征在于，還包括罐狀的次臨界中子倍增裝置(6)，次臨界中子倍增裝置(6)由核心向外圍依次為能容納中子源(5)的激勵源槽(61)、由中子慢化劑填充構成的通量阱(62)、由核裂變材料與中子慢化劑構成的核燃料層(63)、由能防止中子泄露的物質構成的反射層(64)、用于輻射安全防護的屏蔽層(65)和外殼(66)；中子倍增裝置(6)內還設置有準直器(67)，它一端插入通量阱(62)，另一端經核燃料層(63)、反射層(64)、屏蔽層(65)和外殼(66)與外界相通；核燃料層(63)內設置有熱中子通量檢測儀(60)和能控制反應功率的控制棒(68)；源繩運行管道(5)貫穿屏蔽罐(4)與次臨界中子倍增裝置(6)中的激勵源槽(61)相對接。
2.如權利要求1所述的熱中子俘獲治療系統(tǒng)，其特征是，所述的控制棒(68)與一驅動電機(69)連接，在驅動電機(69)的作用下控制棒(68)插入核燃料層的深度可調。
3.如權利要求1或2所述的熱中子俘獲治療系統(tǒng)，其特征是，所述的準直器(67)的形狀選自中空的圓桶形、方錐形、圓錐形或喇叭形。
4.如權利要求1或2所述的熱中子俘獲治療系統(tǒng)，其特征是，所述的屏蔽罐(4)與中子倍增裝置(6)全埋或半埋于地下。
5.如權利要求1或2所述的熱中子俘獲治療系統(tǒng)，其特征是，所述的屏蔽罐(4)與中子倍增裝置(6)可連接成一體。
6.如權利要求1或2所述的熱中子俘獲治療系統(tǒng)，其特征是，所述的中子源為252Cf，核裂變材料為235U或239Pu，控制棒由金屬鎘制成，中子慢化劑選自聚乙烯、水和石蠟，防止中子泄露的物質選自金屬Be和石墨，屏蔽層材料選自含硼石蠟和含硼聚乙烯，準直器材料選自金屬鉛和貧化鈾，外殼材料選自鑄鐵、不銹鋼、其它金屬或合金材料。
專利摘要本實用新型涉及為硼中子俘獲治療(BNCT)提供熱中子源的治療裝置，該裝置通過在原有中子后裝治療機結構的基礎上增加中子倍增裝置，這種中子倍增裝置通?？梢詫嶂凶油糠糯髱资翈装俦?，可達到BNCT臨床應用的要求，從而解決了現(xiàn)有為硼中子俘獲治療(BNCT)提供熱中子源的治療裝置體積較龐大、造價較高、運行維護不易的技術問題。
文檔編號A61N5/10GK2541932SQ0222986
公開日2003年3月26日 申請日期2002年4月4日 優(yōu)先權日2002年4月4日
發(fā)明者唐雪飛 申請人:唐雪飛