Л.С. ШИРШОВ, научный сотрудник ГНЦ «Институт физики высоких энергий»

В декабре 2001 г. в Протвино (Подмосковье)
прошла Всероссийская конференция
«Фундаментальные исследования и научно-технический прогресс», завершившая цикл встреч ведущих ученых страны,
обсуждавших ход и результаты изысканий,
проводимых в наукоградах Московской области.
Программой форума предусматривались, в том числе,
вопросы применения ускорителей и детекторов
заряженных частиц в медицине.

Лучевая терапия появилась на рубеже XIX—XX вв. и ознаменовала новый подход к излечению, казалось бы, непобедимых болезней. Впервые это произошло в 1886 г., когда больную раком австрийскую девочку подвергли воздействию лучей, открытых К. Рентгеном менее года назад. Попытка оказалась удачной, что и подтвердило клиническое обследование пациентки, проведенное через 70 лет.

Однако дальнейшая практика показала: использование рентгеновских лучей для лечения злокачественных опухолей имеет серьезные ограничения. Дело в том, что при таком методе под «удар» прежде всего попадают окружающие ткани. Причем максимум дозы приходится на кожу, в то время как очаг заболевания находится гораздо глубже.

Выходом из, казалось бы, тупиковой ситуации стало предложение американского ученого Р. Вильсона в 1946 г. по использованию для лечения онкологических заболеваний не рентгеновских лучей, а ускоренных пучков протонов. А в 1954 г. эта идея была уже реализована в Беркли (США), сразу дала положительные результаты и стала стремительно развиваться. В настоящее время в мире функционируют 16 соответствующих центров, три из которых находятся в России — в Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва), Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (Санкт-Петербург) и Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна).

О нынешнем состоянии дел на стыке физики и медицины и перспективных проектах в этой области вели разговор участники упомянутой конференции в Протвино. Так, представитель Института ядерных исследований РАН (Троицк), кандидат физико-математических наук Г.В. Вялов сообщил, что в настоящее время у них создается комплекс протонной терапии на базе линейного ускорителя Московской мезонной фабрики. Он предназначен для лечения злокачественных опухолей не только протонными пучками, но и электронным (его тоже используют), и рентгеновским излучением, причем как в сочетании, так и раздельно. Кроме того, здесь же предполагают проводить диагностирование пациентов и поиск новых методов лечения.

Лазерный источник ионов углерода

Всего намечено запустить три протонных облучателя: для терапии глаза (с энергией 70 МэВ), лечения опухолей мозга и легких (150 МэВ) и совершенно уникальное устройство — гантри, поворачивающее пучок ускоренных частиц вокруг пациента, — с энергией до 250 МэВ. Здесь же предусмотрено использование терапевтических электронных ускорителей (SL-75-5 и SL-20), а также рентгеновской и позитрон-электронной томографии. Сейчас приступили к осуществлению этого проекта, в рамках которого идет разработка аппаратуры для измерения интенсивности, энергии, профиля пучка и параметров пространственных распределений поглощенной средой дозы излучения.

Доклад о центре, использующем для лечения раковых больных адроны (барионы, мезоны и т.д.), сделал доктор физико-математических наук Е.П. Череватенко из Дубны. Он обратил внимание на то, что только в Московской области насчитывается более 2 тыс. человек, которым необходимо пройти годичный курс облучения. На решение столь важной задачи и направлены усилия ученых Объединенного института ядерных исследований, имеющих в своем арсенале фазотрон — ускоритель заряженных частиц на энергию 660 МэВ. Он позволяет получать все известные в мире излучения и может быть использован в медицинской практике, поскольку позволяет воздействовать на опухоли широкими и узкими горизонтальными пучками протонов от 70 до 660 МэВ, отрицательными пи-мезонами на уровне 30-80 МэВ и нейтронами (со средней энергией 350 МэВ), причем как независимо друг от друга, так и в любой их комбинации. В Центре есть и еще одна возможность: получаемые здесь пучки по отдельным каналам направляют в 7 процедурных кабинетов одновременно, обслуживая таким образом большое количество пациентов.

Для очень точного планирования и дальнейшей верификации (проверки результатов) облучения разработаны оригинальные методы реконструктивной (восстанавливающей) рентгеновской, протонной и позитронной эмиссионной томографии. Кроме того, уже сконструировано и проходит апробацию медико-техническое оборудование, позволяющее реализовывать следующие методы облучения: ротацион-но-сканирующее глубоко залегающих опухолей; симультанное (одновременное) сканирующее облучение больших мишеней четырнадцатью узкими протонными пучками др. Для разработки стратегии лучевого лечения создано специальное программное обеспечение. Расчету пространственного распределения доз протонного пучка способствуют рентгеновские томограммы, которые исследуют пациента «слой за слоем» с помощью горизонтального компьютерного томографа, совмещенного с терапевтическим креслом. Все это гарантирует высокую точность проведения радиотерапии.

Ныне в Дубне уже открыта первая очередь специализированного онкологорадиологического отделения в больнице на 30 мест, что позволит ежегодно принимать до 150 пациентов.

О работе лаборатории высоких энергий ОИЯИ рассказал кандидат физико-математических наук С.Г. Стеценко. Ее сотрудники также разрабатывают способы лечения онкологических заболеваний, но предлагают несколько иной подход — использовать для борьбы со злокачественными новообразованиями не протоны, а ионы углерода. Если первые, считают ученые, можно уподобить разрывной пуле, то вторые сравнимы с гранатой.

Реализации этой идеи способствует находящийся в лаборатории криогенный синхротрон, предназначенный для ускорения ядер тяжелых ионов в вакуумной камере размером 4х10см² . Такая установка позволяет выводить за секунду до 10⁸ ионов углерода, которые и «атакуют» раковые опухоли.

Неотъемлемая часть данной установки — устройство, поворачивающее пучок ускоренных частиц вокруг пациента, — уже упомянутое гантри. В традиционном исполнении оно очень громоздко и весит около 160 т. Разработанные же сотрудниками лаборатории специальные агрегаты для автономного охлаждения магнитных обмоток нуклотрона — криокулеры — позволили значительно снизить затраты на его эксплуатацию, уменьшить массу магнитной системы в 5-10 раз и сделать всю установку, таким образом, более доступной для пользователя.

Тему использования ионов углерода для лечения онкологических заболеваний развил кандидат физико-математических наук нашего института Ю.М. Антипов. Он сообщил, что в настоящее время в Протвино совместно с Медицинским радиологическим научным центром (Обнинск) и Научно-исследовательским институтом электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова разрабатывают проект Центра протонно-ионной лучевой терапии, основой которого станут два линейных ускорителя (УРАЛ-30 и И-100), а также две кольцевых установки — бустер и основное кольцо У-70.

Сейчас уже начато создание лазерного источника ионов углерода, который обеспечит «снятие» электронов с его атомов и получение ионов ⁺⁵С или ⁺⁶С до 10⁹ в импульсе. Следующий этап работ — прокладка канала для инжекции пучка этих частиц в бустер.

Пульт управления линейного ускорителя ионов

Как уже было отмечено, существующая техника для лечения раковых больных очень громоздка и дорогостоящая, и не может сама «навестить» пациента. Очевидно, настало время для создания соответствующих компактных медицинских установок. Как раз о таких планах и сообщил директор Филиала Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН в Протвино, член-корреспондент РАН В.Е. Балакин. Техническую основу возводимого здесь лечебного комплекса составляет малогабаритный протонный синхротрон. При энергии ускоренных протонов до 230 МэВ новая установка будет потреблять всего 50 кВт, а размеры кольца с наружным диаметром 5 м позволят установить ее в помещение площадью не более 63 м . Данный комплекс будет значительно превосходить все существующие мировые аналоги по техническим характеристикам и стоимости. Первую такую установку планируется разместить в протонно-терапевтическом центре Протвино, а вторую запустить в 2003 г. в Медицинском радиологическом научном центре РАМН (Обнинск).

Прежде чем лечить какую-либо болезнь, ее нужно сначала выявить, т.е. поставить правильный диагноз. Обнаружить же онкологическое заболевание на ранней стадии весьма непросто. Вот почему в настоящее время получают все большее развитие системы так называемой цифровой диагностики. Именно по этой проблеме сделал сообщение кандидат физико-математических наук А.П. Воробьев из нашего института. Он сказал, что успех ученых в данном направлении во многом зависит от создания твердотельных координатных детекторов — устройств, пригодных для регистрации рентгеновских лучей и гамма-квантов от радиоактивных изотопов. Попытки использовать для этой цели германий или кремний в силу ряда их специфических свойств к удаче не привели. Такой же результат получили изыскатели с арсенидом галлия (GaAs). Наконец, сотрудники Института физики высоких энергий (Протвино), Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете и Научно-исследовательского института полупроводниковых приборов (Томск) на основе уникальной технологии легирования GaAs атомами хрома нашли искомый материал. Обнаруженные на нем детекторные структуры имеют толщину чувствительной области 600—700 мк, что как раз удовлетворяет требованиям медицинской диагностики и, следовательно, позволяет приступить к созданию соответствующей аппаратуры. Реализация задуманного даст возможность увеличить диапазон измерений, улучшить контрастность изображения и значительно понизить дозу облучения пациентов.

Еще одну интересную тему — получение радионуклидов медицинского назначения — затронул кандидат физико-математических наук Б.Л. Жуйков из Института ядерных исследований РАН. Он сообщил, что, используя отвод пучка протонов с энергией 160 МэВ от функционирующего в подмосковном Троицке мощного линейного ускорителя, бомбардирующего мишень металлического рубидия, удалось получить стронций-82. Этот радиоизотоп с успехом применяют в позитрон-эмиссионной томографии. Другой радионуклид — палладий-103 — очень перспективен для терапии простаты, правда, еще предстоит наладить его производство.

Различные методики по выделению радионуклидов из облученных мишеней, разрабатываемые в Институте ядерных исследований РАН, позволяют получить кадмий-109, натрий-22, селен-72, олово-117 и др. Б.Л. Жуйков отметил также, что эти работы проводятся в сотрудничестве с Лос-Аламосской и Брукхейвенской национальными лабораториями (США) и национальным центром ТРИУМФ (Канада).
Иллюстрации предоставлены автором

Опубликовано в журнале "Наука в России", июль-август №4,2002 г.