專利名稱：一種熱中子俘獲治療裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(zhuǎn)變?yōu)槟芰繛?.84MeV的7Li，產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)能為1.47MeV的α粒子，同時(shí)發(fā)射一個(gè)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(lǐng)(反應(yīng)截面)很大，比構(gòu)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(yīng)如果發(fā)生在腫瘤細(xì)胞內(nèi)，由于α粒子射程較短(通常僅為幾十個(gè)μm，與人體細(xì)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(xì)胞，因此，它們的動(dòng)能全部沉積在細(xì)胞中。由于α粒子是高LET射線，能引起細(xì)胞內(nèi)分子的致密電腦和激發(fā)，產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的離子對(duì)，足以將腫瘤細(xì)胞殺死。為了只殺滅腫瘤細(xì)胞而不殺傷正常細(xì)胞，人們將10B結(jié)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(nèi)，由于該藥物分子具有親腫瘤的特異性質(zhì)，會(huì)自動(dòng)濃集到腫瘤病灶處。此時(shí)，如將熱中子束照射已經(jīng)注射含硼藥物的腫瘤病灶，腫瘤細(xì)胞因富集了含硼藥物，會(huì)發(fā)生上述的硼中子俘獲反應(yīng)而被殺死；正常細(xì)胞因攝取含硼藥物較少，上述硼中子俘獲反應(yīng)一般不會(huì)發(fā)生(或受到的劑量較少)，因而不會(huì)被殺死，這樣就形成了治療過程中的一種自動(dòng)選擇機(jī)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(lǐng)和核反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)癌細(xì)胞的強(qiáng)殺傷力等諸多優(yōu)點(diǎn)于一體，可望在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)，保護(hù)正常細(xì)胞不受過度的照射，因而是一種十分理想的腫瘤治療技術(shù)，通稱硼中子俘獲治療(英文簡(jiǎn)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(xì)胞，而是用中子射線照射引起親和了10B的腫瘤細(xì)胞發(fā)生核爆炸，產(chǎn)生α粒子間接殺死癌細(xì)胞。這種獨(dú)特的治療方式對(duì)形狀復(fù)雜的腫瘤尤其有效。
硼中子俘獲治療通過發(fā)生在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的原子核反應(yīng)來摧毀癌細(xì)胞，是一種雙模式的治療方法。簡(jiǎn)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(xì)胞有很強(qiáng)的親和力，進(jìn)入人體后，迅速濃聚于癌細(xì)胞內(nèi)，而在其它正常組織內(nèi)分布很少。這時(shí)，用一束熱中子射線進(jìn)行照射，這種射線對(duì)人體的損傷不大，但中子射線與進(jìn)入癌細(xì)胞的硼(主要是10B)發(fā)生核反應(yīng)，釋放出一種殺傷力極強(qiáng)的α射線。由于α射線的射程很短，只有一個(gè)癌細(xì)胞的長(zhǎng)度，所以，只殺死癌細(xì)胞，不損傷周圍的組織。這種有選擇性地只殺死癌細(xì)胞(對(duì)形狀復(fù)雜的腫瘤病灶也同樣有效)，而不損傷正常組織的技術(shù)，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(yàn)結(jié)果表明，BNCT具有很好的臨床應(yīng)用前景。硼中子俘獲治療系統(tǒng)目前主要用于治療腦膠質(zhì)瘤和黑色素瘤。腦膠質(zhì)瘤是對(duì)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(fù)雜，象樹根一樣生長(zhǎng)在大腦中，運(yùn)用手術(shù)、常規(guī)放療、化療等根本無法治療這種腫瘤。運(yùn)用硼中子俘獲治療腦膠質(zhì)瘤，病人5年存活率可達(dá)58％，而用手術(shù)、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(shí)是目前治療膠質(zhì)瘤的最好方式。
美國(guó)于1994年開始硼中子俘獲治療的臨床試驗(yàn)。目前，已進(jìn)入了第二期臨床試驗(yàn)。歐共體1987年組織了一個(gè)聯(lián)合公關(guān)組，由歐共體國(guó)家的40個(gè)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(jì)劃直接得到財(cái)政支持，建立了研究中心，現(xiàn)在也已進(jìn)入臨床階段。此外，全世界還有澳大利亞、芬蘭、瑞典等30多個(gè)國(guó)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(jiǎn)單，但是至今仍難以在醫(yī)院推廣應(yīng)用，也一直未有成型產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)際醫(yī)療市場(chǎng)，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(chǎn)額較低，難以產(chǎn)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(jīng)被廣泛用于放射治療，但是其熱中子產(chǎn)額與反應(yīng)堆或加速器產(chǎn)生的熱中子通量相比，仍然低2～3個(gè)數(shù)量級(jí)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(yīng)堆。由于反應(yīng)堆中子源的結(jié)構(gòu)龐雜、造價(jià)極高、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用昂貴，而且各國(guó)在核安全方面有嚴(yán)格的管制，因此，反應(yīng)堆中子源無法在醫(yī)院普及使用。國(guó)內(nèi)目前僅有中科院蘭州重離子研究所、清華大學(xué)等少數(shù)幾家單位有條件利用小型反應(yīng)堆作為中子源來開展BNCT的研究，但迄今都尚未獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。加速器中子源同樣存在系統(tǒng)體積較龐大、造價(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)不易等困難，也難以在醫(yī)院普及。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)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(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、操作簡(jiǎn)便、安全系數(shù)較高的新型熱中子源。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、源繩、源繩運(yùn)行管道、屏蔽罐、中子源等，源繩一端與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，另一端與中子源固定連接，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)源繩來驅(qū)動(dòng)中子源在源繩運(yùn)行管道內(nèi)運(yùn)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(lì)源槽、由中子慢化劑填充構(gòu)成的通量阱、由核裂變材料與中子慢化劑構(gòu)成的核燃料層、由能防止中子泄露的物質(zhì)構(gòu)成的反射層、用于輻射安全防護(hù)的屏蔽層和外殼；次臨界中子倍增裝置內(nèi)還設(shè)置有準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器一端插入通量阱，另一端經(jīng)核燃料層、反射層、屏蔽層和外殼與外界相通；核燃料層內(nèi)設(shè)置有熱中子通量檢測(cè)儀和能控制反應(yīng)功率的控制棒；源繩運(yùn)行管道貫穿屏蔽罐，與次臨界中子倍增裝置中的激勵(lì)源槽相對(duì)接。
所述的控制棒與一驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，控制棒插入核燃料層的深度可調(diào)。
所述的準(zhǔn)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(zhì)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(zhǔn)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(shù)方案后，由于將已有的以252Cf作為中子源的中子后裝治療機(jī)主機(jī)，與以235U或239Pu為核裂變材料的次臨界中子倍增裝置相結(jié)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(yīng)用的要求，而且具有整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)相對(duì)低廉、運(yùn)行維護(hù)容易、安全系數(shù)較高的優(yōu)勢(shì)，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(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)不易的難題，為向國(guó)內(nèi)外醫(yī)院廣泛推廣應(yīng)用BNCT提供了切實(shí)的可能性。
如


圖1所示，一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、源繩2、源繩運(yùn)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1連接，另一端與中子源5固定連接，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1通過驅(qū)動(dòng)源繩2來驅(qū)動(dòng)中子源5在源繩運(yùn)行管道3內(nèi)運(yùn)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(lì)源槽61、由中子慢化劑填充構(gòu)成的通量阱62、由核裂變材料與中子慢化劑構(gòu)成的核燃料層63、由能防止中子泄露的物質(zhì)構(gòu)成的反射層64、用于安全防護(hù)的屏蔽層65和外殼66；次臨界中子倍增裝置6內(nèi)還設(shè)置有準(zhǔn)直器67，它一端插入通量阱62，另一端經(jīng)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(nèi)設(shè)置有熱中子通量檢測(cè)儀60和能控制反應(yīng)功率的控制棒68；源繩運(yùn)行管道3經(jīng)貫穿屏敲罐4，進(jìn)入次臨界中子倍增裝置6的通量阱62內(nèi)與激勵(lì)源槽61對(duì)接；控制棒68與一驅(qū)動(dòng)電機(jī)69連接，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)69的作用下控制棒68插入核燃料層的深度可調(diào)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1內(nèi)部設(shè)置有步進(jìn)電機(jī)、緊急回源電機(jī)、手動(dòng)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(hù)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(zhì)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(nèi)的防護(hù)材料與此相同；準(zhǔn)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(jī)制治療時(shí)，中子源在源繩的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入激勵(lì)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(yīng)，由于1個(gè)中子使235U裂變，能平均產(chǎn)生2.5個(gè)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(huì)產(chǎn)生更多的中子，即出現(xiàn)所謂“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”；由于核裂變材料的裝料量保證低于臨界質(zhì)量(指產(chǎn)生不可控制“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”所需質(zhì)量)，因此，上述發(fā)生在核燃料層的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”不能自行持續(xù)下去，每個(gè)中子只能引發(fā)較短的一段“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，從而保證整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的中子數(shù)目保持在一個(gè)基本恒定的水平。在反射層的作用下，大部分中子進(jìn)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(shù)倍至數(shù)百倍的放大。這就是“中子倍增”效應(yīng)。
在通量阱內(nèi)產(chǎn)生高通量熱中子后，通過準(zhǔn)直器引導(dǎo)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(jīng)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(jī)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(yīng)功率突然急劇上升而熱中子通量檢測(cè)儀顯示熱中子通量快速增大有可能引發(fā)“核爆”的時(shí)候，將控制棒迅速插入核燃料層，使其間熱中子數(shù)量快速下降，緩解“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的密度，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。
中子源由源繩在步進(jìn)電機(jī)的控制下，沿源繩運(yùn)行管道往返輸送，即中子源到達(dá)通量阱時(shí)將啟動(dòng)治療，中子源離開通量阱后自動(dòng)結(jié)束治療，從而實(shí)現(xiàn)次臨界中子倍增裝置的“開、關(guān)”功能。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部還設(shè)置有緊急回源電機(jī)和手動(dòng)回源裝置，在出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)失靈，或出現(xiàn)阻源或卡源等故障時(shí)，可啟用功率較大的緊急回源電機(jī)將中子源收回至屏蔽罐內(nèi)；如緊急回源電機(jī)也失靈，還可啟用手動(dòng)回源裝置，強(qiáng)行將中子源拉回屏蔽罐內(nèi)。這些應(yīng)急裝置可大大提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。
權(quán)利要求1.一種熱中子俘獲治療系統(tǒng)，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)、源繩(2)、源繩運(yùn)行管道(3)、屏蔽罐(4)、中子源(5)等，源繩(2)一端與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)連接，另一端與中子源(5)固定連接，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(1)通過驅(qū)動(dòng)源繩(2)來驅(qū)動(dòng)中子源(5)在源繩運(yùn)行管道(3)內(nèi)運(yùn)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(lì)源槽(61)、由中子慢化劑填充構(gòu)成的通量阱(62)、由核裂變材料與中子慢化劑構(gòu)成的核燃料層(63)、由能防止中子泄露的物質(zhì)構(gòu)成的反射層(64)、用于輻射安全防護(hù)的屏蔽層(65)和外殼(66)；中子倍增裝置(6)內(nèi)還設(shè)置有準(zhǔn)直器(67)，它一端插入通量阱(62)，另一端經(jīng)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(nèi)設(shè)置有熱中子通量檢測(cè)儀(60)和能控制反應(yīng)功率的控制棒(68)；源繩運(yùn)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(lì)源槽(61)相對(duì)接。
2.如權(quán)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(qū)動(dòng)電機(jī)(69)連接，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)(69)的作用下控制棒(68)插入核燃料層的深度可調(diào)。
3.如權(quán)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(zhǔn)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(quán)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(quán)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(quán)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(zhì)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(zhǔn)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(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加中子倍增裝置，這種中子倍增裝置通常可以將熱中子通量放大幾十至幾百倍，可達(dá)到BNCT臨床應(yīng)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(jià)較高、運(yùn)行維護(hù)不易的技術(shù)問題。
文檔編號(hào)A61N5/10GK2541932SQ0222986
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2002年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月4日
發(fā)明者唐雪飛 申請(qǐng)人:唐雪飛