Директор Объединенного института ядерных исследований, академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор Виктор Матвеев

         Как известно, адронная терапия пучками тяжелых ядерных частиц (протонов и более тяжелых ионов) является наиболее эффективным направлением радиационной онкологии, отвечающим современным запросам практического здравоохранения. Адронная терапия обладает целым рядом преимуществ перед обычной лучевой терапией с использованием гамма-радиации и электронов. Основными ее преимуществами являются высокая (порядка 1 мм) точность доставки планируемой дозы облучения и минимальное воздействие облучения на окружающие опухоль здоровые ткани.

По оценкам специалистов, адронная терапия в России может дать существенные преимущества для примерно 50 тыс. пациентов в год. При лечении онкологических заболеваний ионы углерода обладают еще большими возможностями, чем протоны, позволяя значительно повысить точность облучения и еще больше снизить радиационную нагрузку на окружающую опухоль ткани. Терапия ионами углерода особенно эффективна для пациентов с радиорезистентными опухолями.

Несмотря на очевидные достоинства метода адронной терапии и богатый опыт исследовательских работ, начатых в России еще в середине 60-х годов прошлого столетия, практическое применение этого метода в нашей стране находится на начальной стадии. В настоящий момент в городе Димитровграде Ульяновской области строится госпитальный центр, в состав которого входит первый в России Центр протонной терапии (ЦПТ). Применение метода протонной терапии базируется на нескольких основных технологиях, включающих в себя диагностику и планирование облучения, генерацию и доставку пучка, контроль дозы и многие другие. Но, пожалуй, основным технически сложным элементом является сам ускоритель, к параметрам которого предъявляются особые требования по надежности и стабильности работы. Ускоритель для Димитровградского центра был разработан совместно ОИЯИ и бельгийской компанией IBA, и в настоящий момент в ОИЯИ завершается его изготовление и испытания.

Разработанный по заказу ФМБА Центр протонной терапии в городе Димитровграде включает в себя комплекс из 4 кабин с двумя кабинами гантри, одной кабиной с фиксированным пучком и одной глазной кабиной, а также специализированной системой предварительного позиционирования (рис. 1).

Эта современная схема комплекса позволяет обеспечить пропускную способность около 1000 пациентов в год, что находится на уровне лучших современных мировых образцов. Для создания центров подобного типа ОИЯИ еще в 2007 году совместно с бельгийской фирмой IBAначал разработку специализированного медицинского циклотрона С235-V3. По своим характеристикам эта новая модель превосходит медицинские циклотроны IBAпредыдущего поколения, уже установленные в 15 госпитальных онкологических центрах разных стран мира.Проектные работы были закончены в ОИЯИ в 2010 году, и тогда же институт приступил к изготовлению циклотрона.

Для проведения этих работ в Дубне был создан специализированный инженерный центр (рис. 2), предназначенный для разработки, сборки и испытаний ускорительной медицинской техники.Испытания циклотрона в Дубне начались в 2011 году, в настоящий момент весь комплекс работ по изготовлению циклотрона и его проверке находится на финальной стадии.

В качестве первого этапа с июля 2011 года по февраль 2012 года были проведены магнитные измерения и корректировка аксиального магнитного поля циклотрона. Измерение аксиального магнитного поля было выполнено на основе датчиков Холла. При корректировке магнитного поля ОИЯИ впервые реализовал ряд новых технологий, связанных с изготовлением секторов и измерением качества их поверхности. При весе циклотрона 220 т и диаметре 4,3 мточность изготовления его секторов составляет ±20 мкм.Для этого нужны металлообрабатывающие станки с большой базой и прецизионной микронной точностью. При решении этой проблемы в ОИЯИ была разработана специальная механическая платформа, предназначенная для единовременной установки и обработки сразу всех корректирующих элементов для секторов циклотрона. Это позволило выполнить работы на точных станках опытного производства ОИЯИ – НПО «АТОМ». Прецизионные измерения поверхности секторов циклотрона были выполнены с субмикронной точностью на специальном оборудовании в ОИЯИ.

Для калибровки магнитных измерений в циклотроне С235-V3 в ОИЯИ был разработан и изготовлен сильно полевой дипольный магнит с полем 2,9 Т.Сотрудниками ОИЯИ была также разработана и изготовлена уникальная система для измерений средней радиальной компоненты магнитного поля, позволяющая исследовать эффекты медианной плоскости до испытаний с ускоренным протонным пучком. В настоящее время на циклотроне закончены работы по обеспечению вакуума в камере и ведутся измерения характеристик высокочастотной системы. На заключительном этапе в ближайшие два месяца будут проведены испытания с ускоренным пучком протонов.

Главная особенность данного ускорителя с точки зрения вывода пучка очень малый вертикальный зазор (9 мм) между секторами магнитной системы в районе границы полюса. Система вывода протонов из циклотрона состоит из электростатического дефлектора, корректора градиента магнитного поля и фокусирующего квадрупольного дублета на основе постоянных магнитов. Геометрия септума вносит существенный вклад в потери при выводе пучка из циклотрона. Проведенные в ОИЯИ расчеты для циклотрона С235-V3 показали, что если подобрать боковую геометрию септума таким образом, чтобы минимум его толщины находился на расстоянии ~10 см от входа, то потери со стороны циркулирующего пучка составят 8–10% вместо 25% в прежней геометрии септума. Вместе с оптимизацией радиального положения входа и выхода из дефлектора это приведет к увеличению эффективности выводной системы до 80%. Дефлектор с новой геометрией, разработанной в ОИЯИ для циклотрона С235-V3, был предварительно испытан на одном из циклотронов IBAи показал расчетное увеличение эффективности вывода пучка.

В целом технические решения, предложенные и реализованные в ОИЯИ, прошли хорошую международную апробацию. Основные результаты были неоднократно представлены в докладах сотрудников института на ведущих международных ускорительных и медицинских конференциях.

Работы в Дубне планируется закончить в сентябре 2012 года, и циклотрон будет готов к установке в Димитровградском центре. Таким образом, в ОИЯИ будет завершен важный этап плана реализации прикладных исследований в области адронной терапии, а созданное оборудование может быть тиражировано при строительстве других российских и мировых центров.

Дальнейшее развитие работ в ОИЯИ по адронной терапии связано с созданием оборудования протонно-ионного терапевтического комплекса в рамках совместного проекта ОИЯИ и концерна ПВО «Алмаз-Антей».

Дело в том, что в 90-е годы прошлого столетия в ОИЯИ был построен уникальный ускоритель тяжелых ионов – Нуклотрон, работающий на основе сверхпроводимости. Применение технологий Нуклотрона для создания медицинского ускорителя ионов углерода позволит снизить затраты на сооружение центра за счет уменьшения размеров и требуемых мощностей ускорителя. Эта идея и легла в основу проекта, подготовленного совместно ОИЯИ и концерном. Проект получил высокую оценку и был одобрен в Министерстве промышленности и торговли, и в настоящий момент обсуждается возможность его реализации в одном из регионов России.

Еще одной важной особенностью этого проекта является применение в нем системы гантри также на основе сверхпроводящих магнитов. В рамках проекта впервые в мире предлагается реализовать систему гантри для пучка ионов углерода на базе сверхпроводящих магнитов, что позволит в несколько раз снизить вес этого сложного и дорогостоящего устройства. Для примера, существующая система гантри для углерода, созданная в Германии на основе обычных, «теплых», магнитов весит примерно 600 т.

Как уже отмечалось, терапия пучками углерода является часто предпочтительной, а в некоторых случаях и единственно действенной методикой, которая осуществляет принципиально новый по сравнению с облучением фотонами механизм воздействия в опухоли на молекулы ДНК. В результате облучения ионами углерода в тканях формируются радиационные повреждения обеих цепочек ДНК, последующая эволюция которых определяет высокую эффективность воздействия ионов на клетки патологии и минимальное повреждение здоровых тканей.

 Реализация проекта протонно-ионного терапевтического комплекса на основе сверхпроводимости позволит применить самый передовой опыт ОИЯИ в области адронной терапии нового поколения и самых современных технологий, разработанных при проведении фундаментальных исследований.

Подписи к рисункам:

Рис. 1. Схема ускорительного и медицинского оборудования Центра протонной терапии в г. Димитровграде Ульяновской области

Рис. 2. Инженерный центр ОИЯИ, предназначенный для разработки, сборки и испытаний ускорительной медицинской техники. На переднем плане циклотрон ЛЯР ОИЯИ, разработанный для производства фильтров для плазмафереза крови. На заднем плане циклотрон ЛЯП ОИЯИ, разработанный для протонной терапии

Рис. 3. Медицинский циклотрон С235-V3 для центра протонной терапии в г. Димитровграде