本發(fā)明涉中子能譜測量，具體涉及一種快速獲得bnct中子能譜的方法。

背景技術(shù)：

1、硼中子俘獲療法(boronneutron?capture?therapy，bnct)是一種二元靶向放療精準(zhǔn)放療技術(shù)，是下一代放療研究的核心。其基本原理是，給病人注射富含高濃度10b的硼藥，藥物通過人體代謝富集到腫瘤細(xì)胞當(dāng)中而其他組織中分布較少，并且這些藥物對(duì)人體無毒無害，對(duì)癌細(xì)胞也沒有任何作用。用低能中子(超熱中子或熱中子)束轟擊腫瘤內(nèi)含硼藥物，通過核反應(yīng)10b(n,α)7li釋放能量，釋放的α和li在體內(nèi)射程均為10μm左右，在細(xì)胞尺度范圍內(nèi)殺滅腫瘤且最大程度保護(hù)正常組織細(xì)胞。

2、bnct中子獲得除了可以使用反應(yīng)堆中子源外，近些年通常是利用加速器產(chǎn)生的質(zhì)子轟擊特定的靶材料發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生的靶中子經(jīng)過束流整形裝置慢化和整形后，獲得可滿足于人體治療、具有特定能譜的中子束。

3、中子能譜是bnct治療計(jì)劃中的重要參數(shù)，對(duì)于不同治療深度的腫瘤，所需要的中子能譜也是不盡相同，較深的腫瘤需要中子能譜較硬，中子能量較高，而對(duì)于較淺位置的中子則需要中子能譜較軟，中子能量較低；對(duì)于皮膚表面，熱中子即可滿足要求。

4、中子能譜的獲得通常是通過相應(yīng)的蒙特卡羅軟件計(jì)算得到，如mcnp，geant4等，設(shè)定特定粒子數(shù)，按照實(shí)際情況建立模型并填充材料，模擬粒子輸運(yùn)過程，最后即可得到經(jīng)過束流整形裝置(beam?shape?assem，bsa)后的中子束。但是對(duì)于不同的治療深度的中子，則需要改變質(zhì)子能量，來獲得適合該治療深度的中子能譜。本申請人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下技術(shù)問題：

5、(1)在需要重新計(jì)算整個(gè)輸運(yùn)過程中，計(jì)算時(shí)間較長，延緩治療計(jì)劃的制定，增加病人等待時(shí)間，病人風(fēng)險(xiǎn)增加；

6、(2)出射窗的中子注量率(量級(jí)為：108～109)相比于質(zhì)子打靶后的中子產(chǎn)額(量級(jí)為：1012～1013)下降4～5個(gè)量級(jí)，而計(jì)算初設(shè)粒子數(shù)通常遠(yuǎn)低于產(chǎn)額，會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果不確定度增大，劑量計(jì)算的準(zhǔn)確度下降；

7、(3)需要給設(shè)備配置一個(gè)高性能電腦，增加裝置整體負(fù)重和成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種快速獲得bnct中子能譜的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)獲得中子能譜時(shí)間長以及準(zhǔn)確性偏低的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供的一種快速獲得bnct中子能譜的方法，所述方法為能譜疊加方法，包括：

4、根據(jù)加速器產(chǎn)生質(zhì)子能量的上限和下限，獲取多組質(zhì)子能量，確定質(zhì)子能量打靶后的靶中子能譜和方向性，獲得不同能量、不同方向質(zhì)子打靶后的靶中子能譜和方向的數(shù)據(jù)庫；

5、將獲得的不同能量、不同方向的質(zhì)子轟擊靶材料產(chǎn)生靶中子；

6、靶中子經(jīng)過束流整形裝置慢化整形后在出射窗獲得目標(biāo)中子；

7、計(jì)算靶表面不同能量、方向中子通過束流整形裝置后出射窗中子能譜和方向數(shù)據(jù)；

8、提取加速器質(zhì)子能譜中每個(gè)能量、方向的質(zhì)子在該能譜中的占比與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的靶中子相乘，并相加在一起，即獲得靶中子能譜；靶中子通過束流整形裝置則根據(jù)靶中子能譜采用相同的方法，獲得最終出射窗的中子能譜。

9、進(jìn)一步地，加速器產(chǎn)生的質(zhì)子能譜和方向性如公式(1)所示：

10、

11、式中：表示質(zhì)子的注量率；表示能量為epi，方向?yàn)棣萷j的質(zhì)子注量率。

12、進(jìn)一步地，單能質(zhì)子打靶后中子能譜和方向性如公式(2)所示：

13、

14、式中：表示能量為epi，方向?yàn)棣萷j的質(zhì)子打靶后總的中子注量率；和表示中子能譜中能量為nkth方向性為nmth的中子；表示方向?yàn)槟芰繛榈闹凶幼⒘柯省?/p>

15、根據(jù)公式(1)和公式(2)，加速器質(zhì)子能譜打靶后形成的靶中子能譜如公式(3)所示：

16、

17、式中：表示總的靶中子注量率；表示能量為enk方向?yàn)棣萵m的中子注量率；δ(epi，θnj)表示質(zhì)子打靶后能量為epi，方向?yàn)棣萵j的質(zhì)子-中子轉(zhuǎn)換系數(shù)；ltarget表示質(zhì)子打靶過程中靶的消耗率；ktarget表示可能存在的靶的其它修正系數(shù)；∈表示譜分析的殘差修正。

18、進(jìn)一步地，能量為enk方向?yàn)棣萵m的中子通過束流整形裝置后，出射窗中子能譜為公式(4)所示：

19、

20、進(jìn)一步地，根據(jù)公式(3)和公式(4)，在靶材料和束流整形裝置結(jié)構(gòu)已知的情況下，從加速器質(zhì)子能譜獲得出射窗的中子能譜為：

21、

22、

23、式中：是出射窗總中子注量率；

24、α(enk，θnm)是能量為enk，方向?yàn)棣萵m的中子由于衰變、吸收、散射造成的損失率。

25、基于上述技術(shù)方案，本發(fā)明實(shí)施例至少可以產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

26、(1)本發(fā)明提供的快速獲得bnct中子能譜的方法，傳統(tǒng)計(jì)算中，當(dāng)對(duì)病人腫瘤進(jìn)行評(píng)估后，需要找到一個(gè)合適的加速器質(zhì)子能譜來計(jì)算得到需要的中子能譜，需現(xiàn)場進(jìn)行蒙特卡洛模擬，這無疑會(huì)增加病人等待的時(shí)間，此外如果該質(zhì)子能譜得到的中子能譜不合理則需要重新計(jì)算，較長等待時(shí)間會(huì)增加腫瘤惡化的風(fēng)險(xiǎn)。通過essm方法，可以在儀器出廠前預(yù)先建立完整的數(shù)據(jù)庫，每次進(jìn)行腫瘤評(píng)估完，可以快速通過質(zhì)子能譜計(jì)算獲得所需要的中子能譜，當(dāng)該中子能譜不合理之后，可以很快計(jì)算獲得下一個(gè)中子能譜，相比于傳統(tǒng)方法獲得中子能譜更加迅速，且容錯(cuò)率更高。

27、(2)本發(fā)明提供的快速獲得bnct中子能譜的方法，可計(jì)算粒子數(shù)降低統(tǒng)計(jì)誤差和不確定度。對(duì)于傳統(tǒng)方法，計(jì)算時(shí)，假設(shè)輸入質(zhì)子數(shù)為n，得到中子能譜，由于打靶質(zhì)子-中子轉(zhuǎn)化率和中子被慢化吸收，出射中子數(shù)較少，統(tǒng)計(jì)誤差大，若通過增加粒子數(shù)降低誤差，則會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，增加腫瘤治療時(shí)間。對(duì)于essm方法，假設(shè)計(jì)算時(shí)質(zhì)子能譜間隔為n，每個(gè)質(zhì)子能量輸入粒子數(shù)為n；中子的能量間隔為m，每個(gè)中子能量輸入粒子數(shù)為m，則實(shí)際計(jì)算的總粒子數(shù)為(nn+mm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的粒子數(shù)n，極大放大粒子數(shù)，降低計(jì)算不確定度。

28、(3)本發(fā)明提供的快速獲得bnct中子能譜的方法，傳統(tǒng)方向由于現(xiàn)場計(jì)算，在計(jì)算可用于腫瘤治療的中子能譜時(shí)，需要配置高性能計(jì)算機(jī)，使設(shè)備整體負(fù)重和成本增加。而essm方法的計(jì)算過程均是出廠前完成，因此只需要計(jì)算的得到的數(shù)據(jù)庫和程序軟件轉(zhuǎn)移到電腦中即可，即使普通筆記本電腦也可以通過索引數(shù)據(jù)庫快速獲得想要的中子能譜，使bnct的整機(jī)設(shè)備更加輕便，且降低設(shè)備成本。

技術(shù)特征：

1.一種快速獲得bnct中子能譜的方法，其特征在于，所述方法為能譜疊加方法，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速獲得bnct中子能譜的方法，其特征在于，加速器產(chǎn)生的質(zhì)子能譜和方向性如公式(1)所示：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速獲得bnct中子能譜的方法，其特征在于，單能質(zhì)子打靶后中子能譜和方向性如公式(2)所示：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的快速獲得bnct中子能譜的方法，其特征在于，能量為enk方向?yàn)棣萵m的中子通過束流整形裝置后，出射窗中子能譜為公式(4)所示：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種快速獲得BNCT中子能譜的方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)獲得中子能譜時(shí)間長以及準(zhǔn)確性偏低的技術(shù)問題。包括：將具有特定能量和角度的質(zhì)子轟擊靶材料產(chǎn)生靶中子；靶中子經(jīng)過束流整形裝置慢化整形后在出射窗獲得目標(biāo)中子；提取加速器質(zhì)子能譜中每個(gè)能量、方向的質(zhì)子在該能譜中的占比與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的靶中子相乘，并相加在一起，即獲得靶中子能譜；靶中子通過束流整形裝置則根據(jù)靶中子能譜采用相同的方法，獲得最終出射窗的中子能譜。本發(fā)明可以快速通過質(zhì)子能譜計(jì)算獲得所需要的中子能譜，當(dāng)該中子能譜不合理之后，可以很快計(jì)算獲得下一個(gè)中子能譜，相比于傳統(tǒng)方法獲得中子能譜更加迅速，且容錯(cuò)率更高。

技術(shù)研發(fā)人員：楊竣凱,儲(chǔ)中明,鄧浩鵬,郭禮凱
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9