1 марта 2022

Дубненский ОИЯИ изобрел эффективный способ фокусировки медицинского протонного пучка

Флэш-терапия, перспективный метод лечения онкологических заболеваний, в особенности онкологии мозга, требует высокой точности при воздействии пучка заряженных частиц. Ученые ОИЯИ изобрели способ, позволяющий практически мгновенно управлять энергией пучка медицинского циклотрона и доставлять ускоренные протоны нужной для терапии энергии точно в опухоль, максимально сохраняя здоровые ткани организма.

В отличие от традиционной протонной терапии, флэш-терапия использует протонный пучок в пике Брэгга. Крупная частица, протон или альфа-частица, сначала теряет в тканях мало энергии. Затем, в районе брэгговского пика (см. рис. выше), доза ионизации, а в данном случае и количество разрывов ДНК опухолевых клеток, резко возрастает, а следом падает практически до нуля. Таким образом, мгновенно проходя сквозь здоровую ткань без вреда для нее, пучок отдает почти всю свою энергию в конце, попадая точно в пораженную ткань. Для пациента это более безопасно, чем «медленная» протонная терапия.

Теоретически флэш-терапия призвана намного меньше травмировать пациента как в физическом смысле, так и в психологическом. При обычной терапии проводится около 30 сеансов длительностью в несколько минут с необходимым восстановлением после каждой процедуры. Флэш-терапия будет проводиться с каждым пациентом один раз и длиться доли секунды, для чего будет использована очень высокая доза облучения. При этом есть ряд исследований, показывающих, что цена ошибки точности «прицела» здесь может быть меньше, чем при протонной терапии в силу того, что здоровая ткань более «терпима» к большим дозам облучения, чем к медленному пучку постоянной малой интенсивности.

Протонная терапия применялась в ОИЯИ в течение нескольких десятилетий. Было отработано как точное «прицеливание» пучка в опухоль, так и требуемое плавное уменьшение энергии пучка для сканирования его по глубине опухоли, а также ряд других тонкостей. Однако пучок фазотрона Лаборатории ядерных проблем имеет низкую интенсивность, что не позволяет применить его для флэш-терапии. Для этих целей необходим сильноточный циклотрон, который и планируется создать в Институте. Для новых машины и метода потребовались современные решения, в частности, назрела необходимость очень быстро перемещать пик Брэгга по глубине опухоли.

Направлять пучок ускоренных протонов в опухоль, минимально задевая здоровые ткани организма, можно в трех плоскостях: вправо-влево, вверх-вниз и вдоль направления пролета пучка (вглубь пораженных болезнью тканей). И, если в направлениях вверх-вниз и вправо-влево пучок отклоняется при помощи магнитов циклотрона, формирующих и ускоряющего пучок заряженных частиц, то вглубь его направить сложнее. Единственный способ отклонить или продлить пик Брэгга состоит в том, чтобы изменить энергию направленного пучка протонов в циклотроне. Циклотрон же – это тип ускорителя, у которого энергия фиксирована, поэтому единственный способ ее изменить – поставить на пути траектории пучка поглотитель.

Решение этой задачи демонстрирует патент на изобретение «Способ изменения конечной энергии протонного пучка, используемого для флэш-терапии», авторами которого являются Сергей Николаевич Доля и Виктор Иванович Смирнов. Это изобретение продолжает ряд их усовершенствований для протонного медицинского циклотрона MSC-230, который планируется создать в ОИЯИ.

В изобретенной учеными методике протонный пучок выводится на орбиту, параллельную первоначальной орбите пучка, с помощью первой пары отклоняющих магнитов (см. рис. ниже), причем величина отклонения линейно зависит от амплитуды поля в магнитах. Затем пучок проходит сквозь клиновидный поглотитель, вследствие этого теряет заранее заданную часть своей энергии. После чего при помощи второй пары магнитов пучок возвращают на исходную траекторию. В описании изобретения отмечается, что благодаря новому способу было сокращено время регулирования энергии протонного пучка непосредственно в процессе облучения злокачественной опухоли. Таким образом, ученые ОИЯИ изобрели методику очень быстро и очень точно двигать фокус протонного пучка.

«Если необходимо, чтобы энергия выделилась ближе, можно поставить на пути пучка поглотитель этой энергии и тем самым часть энергии потерять, – пояснил соавтор изобретения, старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ, к.ф.-м.н. Сергей Доля. – Такой способ управления изменением энергии пучка назад и вперед, если опухоль протяженная в этом направлении, мы и придумали. Он состоит в использовании клиновидного поглотителя, который позволит оперативно двигать фокус пучка по опухоли с точностью до миллиметра. Если же энергию изменять не надо, то фокус опускается по оси, где благодаря клиновидной форме поглотителя поглощения не происходит. При этом отклонение необходимо делать быстро, прямо в момент облучения. Канал прохождения пучка в здоровых тканях при этом почти не травмируется, а практически вся энергия выделяется в требуемом месте».