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：

1、硼中子俘獲療法(boronneutron?capture?therapy，bnct)是一種二元靶向放療精準放療技術，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胞當中而其他組織中分布較少，并且這些藥物對人體無毒無害，對癌細胞也沒有任何作用。用低能中子(超熱中子或熱中子)束轟擊腫瘤內含硼藥物，通過核反應10b(n,α)7li釋放能量，釋放的α和li在體內射程均為10μm左右，在細胞尺度范圍內殺滅腫瘤且最大程度保護正常組織細胞。

2、bnct中子獲得除了可以使用反應堆中子源外，近些年通常是利用加速器產生的質子轟擊特定的靶材料發(fā)生核反應，產生的靶中子經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治療計劃中的重要參數(shù)，對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，而對于較淺位置的中子則需要中子能譜較軟，中子能量較低；對于皮膚表面，熱中子即可滿足要求。

4、中子能譜的獲得通常是通過相應的蒙特卡羅軟件計算得到，如mcnp，geant4等，設定特定粒子數(shù)，按照實際情況建立模型并填充材料，模擬粒子輸運過程，最后即可得到經過束流整形裝置(beam?shape?assem，bsa)后的中子束。但是對于不同的治療深度的中子，則需要改變質子能量，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)有技術至少存在以下技術問題：

5、(1)在需要重新計算整個輸運過程中，計算時間較長，延緩治療計劃的制定，增加病人等待時間，病人風險增加；

6、(2)出射窗的中子注量率(量級為：108～109)相比于質子打靶后的中子產額(量級為：1012～1013)下降4～5個量級，而計算初設粒子數(shù)通常遠低于產額，會導致最終結果不確定度增大，劑量計算的準確度下降；

7、(3)需要給設備配置一個高性能電腦，增加裝置整體負重和成本。

技術實現(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)有技術獲得中子能譜時間長以及準確性偏低的技術問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：

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)加速器產生質子能量的上限和下限，獲取多組質子能量，確定質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、不同方向的質子轟擊靶材料產生靶中子；

6、靶中子經過束流整形裝置慢化整形后在出射窗獲得目標中子；

7、計算靶表面不同能量、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、提取加速器質子能譜中每個能量、方向的質子在該能譜中的占比與數(shù)據(jù)庫中對應的靶中子相乘，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、進一步地，加速器產生的質子能譜和方向性如公式(1)所示：

10、

11、式中：表示質子的注量率；表示能量為epi，方向為θpj的質子注量率。

12、進一步地，單能質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，方向為θpj的質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；表示方向為能量為的中子注量率。

15、根據(jù)公式(1)和公式(2)，加速器質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方向為θnm的中子注量率；δ(epi，θnj)表示質子打靶后能量為epi，方向為θnj的質子-中子轉換系數(shù)；ltarget表示質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、進一步地，能量為enk方向為θnm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構已知的情況下，從加速器質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，方向為θnm的中子由于衰變、吸收、散射造成的損失率。

25、基于上述技術方案，本發(fā)明實施例至少可以產生如下技術效果：

26、(1)本發(fā)明提供的快速獲得bnct中子能譜的方法，傳統(tǒng)計算中，當對病人腫瘤進行評估后，需要找到一個合適的加速器質子能譜來計算得到需要的中子能譜，需現(xiàn)場進行蒙特卡洛模擬，這無疑會增加病人等待的時間，此外如果該質子能譜得到的中子能譜不合理則需要重新計算，較長等待時間會增加腫瘤惡化的風險。通過essm方法，可以在儀器出廠前預先建立完整的數(shù)據(jù)庫，每次進行腫瘤評估完，可以快速通過質子能譜計算獲得所需要的中子能譜，當該中子能譜不合理之后，可以很快計算獲得下一個中子能譜，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，可計算粒子數(shù)降低統(tǒng)計誤差和不確定度。對于傳統(tǒng)方法，計算時，假設輸入質子數(shù)為n，得到中子能譜，由于打靶質子-中子轉化率和中子被慢化吸收，出射中子數(shù)較少，統(tǒng)計誤差大，若通過增加粒子數(shù)降低誤差，則會增加計算時間，增加腫瘤治療時間。對于essm方法，假設計算時質子能譜間隔為n，每個質子能量輸入粒子數(shù)為n；中子的能量間隔為m，每個中子能量輸入粒子數(shù)為m，則實際計算的總粒子數(shù)為(nn+mm)，遠遠高于傳統(tǒng)方法的粒子數(shù)n，極大放大粒子數(shù)，降低計算不確定度。

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)場計算，在計算可用于腫瘤治療的中子能譜時，需要配置高性能計算機，使設備整體負重和成本增加。而essm方法的計算過程均是出廠前完成，因此只需要計算的得到的數(shù)據(jù)庫和程序軟件轉移到電腦中即可，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的整機設備更加輕便，且降低設備成本。

技術特征：

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，加速器產生的質子能譜和方向性如公式(1)所示：

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

4.根據(jù)權利要求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方向為θnm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：

技術總結
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)有技術獲得中子能譜時間長以及準確性偏低的技術問題。包括：將具有特定能量和角度的質子轟擊靶材料產生靶中子；靶中子經過束流整形裝置慢化整形后在出射窗獲得目標中子；提取加速器質子能譜中每個能量、方向的質子在該能譜中的占比與數(shù)據(jù)庫中對應的靶中子相乘，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)明可以快速通過質子能譜計算獲得所需要的中子能譜，當該中子能譜不合理之后，可以很快計算獲得下一個中子能譜，相比于傳統(tǒng)方法獲得中子能譜更加迅速，且容錯率更高。

技術研發(fā)人員：楊竣凱,儲中明,鄧浩鵬,郭禮凱
受保護的技術使用者：南京大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9