阅读说明：本技术 微创型中子束产生装置及微创型中子捕获治疗系统 (Minimally invasive neutron beam generation device and minimally invasive neutron capture treatment system ) 是由 刁国栋 叶吉田 游镇帆 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种微创型中子束产生装置及微创型中子捕获治疗系统,其中微创型中子束产生装置,包含质子加速器、靶材以及中子缓速体。质子加速器与第一通道连接,靶材位于第一通道的末端,且中子缓速体包覆第一通道的末端,使得靶材埋置于中子缓速体中。并且,中子缓速体包含容置元件,用于容纳缓速物质,且容置元件具有可伸缩性。本发明还提供一种包含前述微创型中子束产生装置的微创型中子捕获治疗系统。(The invention discloses a minimally invasive neutron beam generating device and a minimally invasive neutron capture treatment system. The proton accelerator is connected with the first channel, the target is positioned at the tail end of the first channel, and the neutron retarder covers the tail end of the first channel, so that the target is embedded in the neutron retarder. And, the neutron retarber contains the holding element for holding the retarber material, and the holding element has scalability. The invention also provides a minimally invasive neutron capture treatment system comprising the minimally invasive neutron beam generation device.)

微创型中子束产生装置及微创型中子捕获治疗系统

技术领域

本发明涉及一种微创型中子束产生装置以及微创型中子捕获治疗系统。

背景技术

硼中子捕获治疗(boron neutron capture therapy，BNCT)的原理如下：含硼药物经由血液循环与肿瘤细胞结合，再用中子束以肿瘤组织的位置为中心照射，使硼吸收热中子后产生锂与氦离子，准确破坏癌细胞而不破坏其他正常的组织。

目前大部份的BNCT的中子束源产生器为源自研究用原子炉及加速器。中子束源产生器一般固定于墙上，从患者体外照射中子，基于中子的物理特性，在中子进入人体后会快速减速而无法达到较深的位置，仅能治疗距离体表较近的肿瘤，治疗深度受限。例如，即便使用较高能量的超热中子束进行治疗，治疗深度仍无法大于10cm。

承前述，虽然现存的应用于BNCT的中子束产生装置可大致满足它们原先预定的用途，但其仍未在各个方面都彻底地符合期待。因此，发展出能够进一步改善中子利用率及治疗深度的中子束产生装置仍为目前业界致力研究的课题之一。

发明内容

根据本发明一些实施例，提供一种微创型中子束产生装置，包含质子加速器、靶材以及中子缓速体。质子加速器与第一通道连接，靶材位于第一通道的末端，且中子缓速体包覆第一通道的末端，使得靶材埋置于中子缓速体中。并且，中子缓速体包含容置元件，用于容纳缓速物质，且容置元件具有可伸缩性。

根据本发明一些实施例，提供一种微创型中子捕获治疗系统，包含中子束产生装置以及内视镜装置，内视镜装置邻近于中子束产生装置。并且，中子束产生装置包含质子加速器、靶材以及中子缓速体。质子加速器与第一通道连接，靶材位于第一通道的末端，且中子缓速体包覆第一通道的末端，使得靶材埋置于中子缓速体中。并且，中子缓速体包含容置元件，用于容纳缓速物质，且容置元件具有可伸缩性。

为了让本发明的特征、或优点能更明显易懂，下文特举出一些实施例，并配合所附的附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置的使用示意图；

图2为本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置的结构示意图；

图3为本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置的结构示意图；

图4为本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置的结构示意图；

图5为本发明一些实施例中，微创型中子捕获治疗系统的结构示意图。

符号说明

10、20、30微创型中子束产生装置；

10S微创型中子捕获治疗系统；

100质子加速器；

102第一通道；

102t末端；

200靶材；

300中子缓速体；

300p孔洞；

302容置元件；

304缓速物质；

306缓速物质提供器；

308第二通道；

400冷却元件；

402第三通道；

404冷却源提供器；

500内视镜装置；

500t末端；

d距离；

GT几何中心；

PT患者；

TP旋转节。

具体实施方式

以下针对本发明实施例的微创型中子束产生装置以及微创型中子捕获治疗系统作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明一些实施例的不同态样。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本发明一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用类似及/或对应的标号标示类似及/或对应的元件，以清楚描述本发明。然而，这些类似及/或对应的标号的使用仅为了简单清楚地叙述本发明一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。

本发明实施例可配合附图一并理解，本发明的附图也被视为揭露说明的一部分。应理解的是，本发明的附图并未按照比例绘制，事实上，可能任意的放大或缩小元件的尺寸以便清楚表现出本发明的特征。

此外，应理解的是，虽然在此可使用用语「第一」、「第二」、「第三」等来叙述各种元件、组件、或部分，这些元件、组件或部分不应被这些用语限定。这些用语仅是用来区别不同的元件、组件、或部分。因此，以下讨论的一第一元件、组件、或部分可在不偏离本发明的教示的情况下被称为一第二元件、组件、或部分。

在文中，「约」、「实质上」的用语通常表示在一给定值或范围的10％内，或5％内、或3％之内、或2％之内、或1％之内、或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明「约」、「实质上」的情况下，仍可隐含「约」、「实质上」的含义。此外，用语「范围介于第一数值至第二数值」表示所述范围包含第一数值、第二数值以及它们之间的其它数值。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语例如在通常使用的字典中定义用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。

请参照图1，图1显示根据本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置10的使用示意图。如图1所示，微创型中子束产生装置10可放置于患者PT内进行治疗，换言之，可将中子束产生的位置(中子源)移至患者PT内，中子束可就近照射肿瘤，相较于在体外进行照射的一般中子束产生装置，微创型中子束产生装置10可提高中子束的使用效率，并且可照射到位于较深处或是被其它器官遮挡而较不易触及的肿瘤，改善BNCT治疗的效果。再者，由于中子源接近肿瘤，因此所需的中子强度及能量较低，可使用低电流及低能量的质子加速器，由此也可降低对医院的辐射防护需求。

关于微创型中子束产生装置10的详细结构进一步说明如下。图2显示根据本发明一些实施例中，微创型中子束产生装置10的结构示意图。根据一些实施例，可添加额外特征于以下所述的微创型中子束产生装置10。

如图2所示，根据一些实施例，微创型中子束产生装置10可包含质子加速器100、靶材200以及中子缓速体300。在一些实施例中，质子加速器100可与第一通道102连接，且靶材200可设置于第一通道102的另一端。在一些实施例中，靶材200可位于第一通道102的末端102t，此外，中子缓速体300可包覆第一通道102的末端102t，使得靶材200埋置于中子缓速体300中。

详细而言，质子加速器100可提供一定能量的质子，一定能量的质子通过第一通道102，在末端102t撞击靶材200之后产生快中子(fast neutron)，接着中子缓速体300可将转换为热中子(thermal neutron)，对患部进行治疗。在一些实施例中，第一通道102内部呈现真空状态。

在一些实施例中，靶材200可位于第一通道102内，或是位于第一通道102外但与第一通道102相连并接触。此外，在一些实施例中，中子缓速体300可包覆一部分的第一通道102，并且中子缓速体300可完全地包覆靶材200，使得靶材200整***于中子缓速体300中。此外，在一些实施例中，第一通道102、靶材200以及中子缓速体300为手持式结构。

在一些实施例中，质子加速器100可产生能量的范围介于约2MeV至约2.6MeV的质子束。在一些实施例中，质子加速器100可使用范围介于约0.1毫安培(mA)至约5mA的电流。

值得注意的是，根据本发明实施例，由于微创型中子束产生装置10可直接邻近患部(例如，肿瘤处)使用，因此相较于一般BNCT所使用的质子加速器，质子加速器100所需耗费的能量(例如，电流大小)可大幅降低。举例而言，目前BNCT所使用的质子加速器在提供约3MeV的质子束的情况下，使用的电流均大于10mA，BNCT治疗时间约30分钟至60分钟。相较之下，根据本发明一些实施例，微创型中子束产生装置10的质子加速器100在提供约2MeV至约3MeV的质子束的情况下，仅需使用小于2mA的电流，便可提供BNCT治疗时间小于10分钟的中子束强度。

在一些实施例中，靶材200的材料可包含锂(Li)、铍(Be)或其它合适的材料，但本发明不以此为限。

再者，应理解的是，虽然附图中并未绘示，但根据一些实施例，质子加速器100产生的质子束可先经由四极磁铁的聚焦，再经由准直器、转弯磁铁等元件调整，之后才撞击于靶材200上。

此外，如图2所示，中子缓速体300可包含容置元件302，且容置元件302可用于容纳缓速物质304。在一些实施例中，微创型中子束产生装置10进一步包含缓速物质提供器306，缓速物质提供器306可用于提供缓速物质304。详细而言，缓速物质提供器306可与第二通道308连接，且缓速物质提供器306可通过第二通道308将缓速物质304输送至容置元件302中。此外，在一些实施例中，与质子加速器100连接的第一通道102以及与中子缓速体300连接的第二通道308可彼此相邻或接触，例如，第一通道102以及第二通道308可为共构的(integrated)，但本发明不以此为限。此外，在一些实施例中，第二通道308也可为手持式结构。

在一些实施例中，中子缓速体300的容置元件302具有可伸缩性(retractablefeature)。在一些实施例中，容置元件302可由具有可伸缩性的材料形成，例如，热塑型材料。具体而言，在一些实施例中，容置元件302的材料可包含橡胶、硅胶、聚氨酯(thermoplastic polyurethane，TPU)、聚酰亚胺(polyimide，PI)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、其它合适的材料、或前述之组合，但本发明不以此为限。

在一些实施例中，中子缓速体300的缓速物质304为含氢物质。举例而言，在一些实施例中，缓速物质304可包含水、重水或其它合适的材料，但本发明不以此为限。根据本发明实施例，只要可有效降低中子束的速度的物质均可作为缓速物质304。

在一些实施例中，中子缓速体300可将高能量的快中子转换为较低能量的热中子，以进行BNCT治疗。具体而言，在一些实施例中，中子缓速体300可将中子能量的范围降低至约小于10keV。在一些实施例中，中子缓速体300可直接与患部(例如肿瘤)接触。

承前述，根据本发明一些实施例，由于容置元件302具有可伸缩性，因此，微创型中子束产生装置10在放置于患者PT体内之前，缓速物质304可先不填充或仅少量地填充于容置元件302中，而在微创型中子束产生装置10放置于患者PT体内之后，再进一步填充更多的缓速物质304至容置元件302中，以有效地将快中子减速为热中子。如此一来，不需于患者PT身上形成大型的手术伤口，可以微创手术的方式进行有效的BNCT治疗。

如图2所示，在一些实施例中，在填充缓速物质304之后，容置元件302可具有椭圆球形。在另一些实施例中，在填充缓速物质304之后，容置元件302可具有圆球形、蛋形、不规则形、或其它合适的形状。在一些实施例中，容置元件302可具有顺应体内环境的形状(conformal shape)。应理解的是，容置元件302可具有任意合适的形状，而不仅限于附图中所示者。在不同的实施例中，可根据实际需求以及医疗计划等考虑，调整容置元件302使其具有合适的形状。

此外，在一些实施例中，在缓速物质304填充于容置元件302中之后，靶材200与中子缓速体300的几何中心(未标示)不重叠，亦即，靶材200可偏离中子缓速体300的几何中心。具体而言，在一些实施例中，靶材200与中子缓速体300的几何中心GT之间的距离d的范围可介于约0cm至约2cm。若距离d太小，则所需缓速体需变大，才能有足够缓速体将快中子减速为热中子；若距离d太大，则相对应要有足够的缓速体大小；因此若距离d太小或太大均会使缓速体过大，不适合放在患者PT体内。根据一些实施例，距离d指的是于第一通道102的延伸方向上，靶材200与中子缓速体300的几何中心GT的最小距离。

此外，在一些实施例中，在缓速物质304填充于容置元件302中之后，中子缓速体300的直径的范围可介于约3cm至约12cm，但本发明不限于此。根据一些实施例，中子缓速体300的直径指的是容置元件302在填充缓速物质304之后的最大直径。此外，应理解的是，在不同的实施例中，可根据质子加速器100的能量，调整中子缓速体300的直径(或尺寸)范围，以达成理想的治疗效果。

如图2所示，在一些实施例中，微创型中子束产生装置10可进一步包含旋转节TP，旋转节TP可位于质子加速器100与第一通道102之间。特别地，质子加速器100的位置一般无法任意移动，但旋转节TP的设置使得微创型中子束产生装置10的操作位置更加灵活，便于肿瘤定位，以特定方向深入体内进行治疗。

接着，请参照图3，图3显示根据本发明另一些实施例中，微创型中子束产生装置20的结构示意图。应理解的是，后文中与前文相同或相似的组件或元件将以相同或相似的标号表示，其材料与功能都与前文所述相同或相似，故此部分于后文中将不再赘述。

如图3所示，在一些实施例中，与质子加速器100连接的第一通道102以及与中子缓速体300连接的第二通道308可分开地设置。在一些实施例中，质子加速器100与中子缓速体300可独立地进行操作。相似地，在此实施例中，中子缓速体300可包覆第一通道102的末端102t，使得靶材200埋置于中子缓速体300中。再者，如图3所示，在一些实施例中，在填充缓速物质304之后，容置元件302可具有正圆球形。

接着，请参照图4，图4显示根据本发明另一些实施例中，微创型中子束产生装置30的结构示意图。如图4所示，根据一些实施例，微创型中子束产生装置30可进一步包含冷却元件400，冷却元件400可邻近于第一通道102且环绕靶材200。

详细而言，在一些实施例中，冷却元件400可包含第三通道402以及与第三通道402连接的冷却源提供器404，冷却源提供器404可提供冷却源例如冷却水，而第三通道402可用于输送或循环冷却源。在一些实施例中，第三通道402环绕大部分的第一通道102，并与第一通道102以及靶材200接触。在一些实施例中，第三通道402也与中子缓速体300接触。在一些实施例中，冷却源可于第三通道402中循环，将质子撞击靶材200产生中子的过程中所生成的热带走。

再者，如图4所示，在一些实施例中，与质子加速器100连接的第一通道102以及与中子缓速体300连接的第二通道308可彼此相邻但分开地设置。此外，在一些实施例中，用于输送冷却源的第三通道402与输送缓速物质304的第二通道308也可彼此相邻或接触，例如，第三通道402以及第二通道308可为共构的(integrated)，但本发明不以此为限。

在另一些实施例中，缓速物质304与冷却源相同，因此缓速物质提供器306以及冷却源提供器404可择一设置，并且同时与第二通道308以及第三通道402连接。在又一些实施例中，装载有缓速物质304的第二通道308本身便具有冷却功能，因此可不需额外设置冷却元件400。

接着，请参照图5，图5显示根据本发明一些实施例中，微创型中子捕获治疗系统10S的结构示意图。根据一些实施例，微创型中子捕获治疗系统10S可包含如前述的中子束产生装置10(未标示)以及内视镜装置500，内视镜装置500可邻近于中子束产生装置10。中子束产生装置10的配置如同前述，在此便不再赘述。通过此种配置，可获取患者PT体内的即时影像，即时辨识相关器官或肿瘤的位置，可更精确定位给予正确的中子照射剂量。

如图5所示，在一些实施例中，内视镜装置500可贯穿中子缓速体300，使得内视镜装置500的末端500t位于中子缓速体300外，由此可观测中子缓速体300前方的影像。此外，在一些实施例中，中子缓速体300可具有孔洞300p，且内视镜装置500可位于孔洞300p中并且贯穿孔洞300p。具体而言，在一些实施例中，孔洞300p可位于容置元件302内。

如图5所示，在一些实施例中，内视镜装置500与中子束产生装置10的第一通道102可彼此相邻或接触，例如，内视镜装置500以及第一通道102可为共构的(integrated)，但本发明不以此为限。值得注意的是，此种配置特别适用于食道癌、大肠癌、或直肠癌等的手术应用。

再者，虽然附图中并未绘示，在另一些实施例中，内视镜装置500与中子束产生装置10可分开地设置。

综上所述，根据本发明一些实施例，提供一种微创手术型的中子束产生器，可将中子束产生的位置(中子源)移至患者体内，中子束可就近照射肿瘤，提高中子束的使用效率，也可降低其它健康细胞受损的风险，并且可照射到位于较深处或是被其它器官遮挡而较不易触及的肿瘤，改善BNCT治疗的效果。再者，由于中子源接近肿瘤，因此所需的中子强度及能量较低，可使用低能量的质子加速器，由此也可降低对医院的辐射防护需求。

此外，应理解的是，根据一些实施例，前述的微创型中子束产生装置可进一步包含发明所属技术领域中具有通常知识者所熟知的其它辅助元件，且这些元件可以任意合适的形式存在。

为了让本发明的上述及其它目的、特征、及优点能更明显易懂，下文特举数实施例作详细说明，然其并非用以限定本发明的内容。

实施例1～14

几何模型分析

以下采用的模拟计算软件为Los Alamos National Laboratory开发的MCNP6，且截面库采用ENDF/B-7。

实施例1至14中，使用尺寸为18cm×18cm×20cm的脑假体进行模拟试验，脑假体采用ICRU46号报告的元素组成。于使用的中子束产生装置中，质子束通道(第一通道)的直径为3毫米(mm)且长度为从脑假体表面至靶，并且使用水作为缓速物质，再者，使用厚度为0.1mm以及直径为1cm的锂靶作为靶材，且锂靶偏离中子缓速体的球心。

假体内剂量的评估指标

针对脑假体内的剂量进行评估，评估指标采用治疗比例(therapeutic ratio，TR)及治疗时间。

脑假体进行BNCT治疗，其物理治疗剂量来自于中子剂量、光子剂量及硼剂量。加权治疗剂量为中子剂量乘以相对生物效应(Relative Biological Eeffective,RBE)，光子剂量乘以RBE，硼剂量乘以CBE(Compound Biological Effective,CBE)。中子的RBE采用3.2，光子的RBE采用1，脑假体采用的CBE为1.3，肿瘤采用的CBE为3.8。RBE及CBE参考M.S.Herrera et al.“Treatment planning capability assessment of a beam shapingassembly for accelerator-based BNCT”,Applied RadiationandIsotopes69(2011)1870–1873.

详细而言，治疗比例(TR)定义为假体内任何一点的肿瘤总加权治疗剂量与正常组织的最大总加权剂量的比值，此数值代表肿瘤在该位置的治疗品质，TR越大，肿瘤在该位置的治疗品质越好，TR最大值为该治疗的最好效果。若该假体的任一位置的正常组织达到10Gy加权剂量所需的时间则为治疗时间。

评估指标的计算

假设正常组织中的硼浓度为25ppm，硼在肿瘤组织与正常组织的浓度比值(T/N比值)为3，计数(Tally)以中心轴为中心，截面为2cm×2cm(在中子缓速体之后)。BNCT可行性评估的计算结果如表1至表6所示。

表1

根据表1的结果显示，质子能量越高，中子产率越高，治疗时间也越短；但撞击锂靶后产生的中子能量也越高，治疗比例的最大值也越差。

表2

根据表2的结果显示锂靶偏离中子缓速体球心的距离(d)也可以影响到治疗比例的最大值。d在一定的范围内，越大则治疗比例的最大值也越高。但d若太大则会使射束通道两方的正常组织总加权剂量变大，使治疗比例的最大值下降，在实施例6的例子，治疗比例的最大值降到3.52，治疗时间也增加到13.44分钟。

表3

根据表3的结果显示，当锂靶偏离中子缓速体一定距离，使治疗比例的最大值上升的同时，也可以将水缓速体最大直径变小，使得进入人体的水缓速体可以不必占用太大的空间。

表4

根据表4的结果显示，水缓速体最大直径越大，可使TR最大值变大，实施例3的水缓速体最大直径为8厘米，改为实施例8的水缓速体最大直径为11厘米，治疗比例最大值上升到3.55。搭配锂靶偏离中子缓速体球心1.25厘米，可将TR最大值上升到4.03。透过类似的手段，可以入射质子能量为2.4MeV的治疗比例上升到3.85。

表5

根据表5的结果显示，入射质子能量为2.6MeV，水缓速体最大直径12厘米，治疗比例的最大值仍可达3.5以上。

表6

根据表6的结果显示，若将治疗时间维持在10分钟时，所需要的加速器电流可以小于1mA，可使靶设计的散热条件变得更宽松。反之，若有足够的能力散热，可以增加电流，使治疗时间等比例的缩短。

此外，根据表1至表6的结果，可知质子能量于2.0MeV至2.6MeV的范围时，缓速体的直径为5cm至12cm，治疗比例的最大值可达3.5以上。由前述模拟计算结果可知，在表1至表6使用的条件下，微创型中子束产生装置可有效地应用于BNCT治疗，可治疗深度肿瘤，且治疗时间可少于30分钟。并且，相较于现存的一般BNCT治疗(提供约3MeV以下的质子束，需使用大于10mA的电流)，根据表1至表6，提供的微创型中子束产生装置仅需使用小于1mA的电流，便可提供能量约2MeV至2.6MeV的质子束。

虽然结合以上优选实施例公开了本发明，但应该了解的是，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作更动、替代与润饰。本发明实施例之间的特征只要不违背发明精神或相冲突，均可任意混合搭配使用。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中具有通常知识者可从本发明揭示内容中理解现行或未来所发展出的制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果都可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包括上述制作工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。