Комплекс протонной терапии на базе линейного ускорителя
Московской Мезонной Фабрики ИЯИ РАН.

Лучевая терапия - один из ведущих методов лечения онкологических заболеваний, применяемый в комплексе с другими - хирургией, лазерной, химиотерапией и т.д. До 70% онкологических больных получали лучевое лечение в самостоятельном или комбинированном варианте. Использование ионизирующих излучений в качестве диагностического и лечебного средства требует учета специфических особенностей воздействия их на организм человека. Важнейшей из них является распределение передаваемой излучением энергии в органах и тка- нях тела.

Распределение поглощенной в теле больного энергии ионизирующего излучения определяет соотношение между желательным терапевтическим эффектом и сопутствующими лучевыми осложнениями. Распространенные методы фотонной (рентген, гамма и др.) радиотерапии характеризуются значительным облучением здоровых тканей вне очага патологии. Применение ускоренных протонов позволяет существенно увеличить градиент доз между объектом облучения и его окружением.

Сравнение статистических данных по разным странам показывает, что небольшой объем протонных облучений в нашей стране определяется отнюдь не отсутствием потребностей или ограничением метода.

Тяжелые заряженные частицы, ионизируя молекулы среды, практически не рассеиваются, и потому их траектории представляют собой почти не искривленные отрезки прямых. Это полностью исключает боковое облучение. Разброс длин протонных треков, представляющих собой непрерывную цепочку ионов, составляет не более нескольких процентов. В отличие от постепенно убывающего в глубине биоткани фотонного пучка, пучок протонов представляет собой постоянную совокупность параллельно движущихся частиц, останавливающихся при полной потере энергии. При этом полностью исключается облучение за пределами их максимального пробега. Во-вторых, что очень важно, доза возрастает по направлению пучка и имеет резкий максимум на конце пробега (так называ- емая «кривая Брэгга» для заряженных частиц). Изменяя энергию протонов, можно перемещать пик Брэгга по глубине, наилучшим образом формируя максимальную дозу в области расположения очага патологии.

Развитие протонной терапии, связано с необходимостью работать на базе существующих ускорителей протонов, или вложением очень больших средств для строительства и эксплуатации ускорительной техники в специализированных медицинских центрах. Создание пучков протонов заданных размеров и интенсивности на базе существующих ускорителей, а также их диагностика является относительно простой в техническом отношении задачей.

Начиная с 1954 года, в ядерно-физических центрах наряду с фундаментальными исследованиями в области ядерной физики и физики элементарных частиц создавались каналы частиц для медико-биологических исследований и лечения онкологических заболеваний. В настоящее время в ведущих странах мира действуют десятки медико-биологических каналов и каналов радиационной терапии, в основном использующие ускорители ядерно-физических центров, в которых прошли курс лечения десятки тысяч пациентов. На базе этих центров созданы также уникальные установки, позволяющие проводить облучения протонными пучками.

На Московской мезонной фабрике Института ядерных исследований РАН в г. Троицке Московской области в 1992 году в конце туннеля ускорителя был создан канал протонов, который позволяет выводить из ускорителя протоны с переменной энергией до 600 МэВ и интенсивностью до 100 нА. На основе этого канала возможно создание медико-биологического комплекса для проведения исследований в области радиобиологии и лечения онкологических заболеваний. Для этих целей необходим пучок протонов с энергией от 70 до 280 МэВ и интенсивностью от 1 до 12 нА, т.е. ниже уровня параметров уже существующего канала. Отработана методика изменения энергии протонного пучка с точностью до 2 МэВ, а также изменения его временной структуры. Ускоритель расположен вблизи больничного комплекса Российской Академии наук. Таким образом, на Московской мезонной фабрике имеются все возможности для создания протонных каналов терапии онкологических заболеваний.

Институтом ядерных исследований РАН совместно с Московским научно-исследовательским онкологическим институтом, Государственным специализированным проектным институтом и Ассоциацией медицинских физиков России разработано Техническое предложение по созданию комплекса протонной терапии на базе линейного ускорителя Московской мезонной фабрики ИЯИ РАН.

Основная задача медицинского протонного канала - это облучение пучком протонов опухолей глаза, гинекологических опухолей, поверхностных и локальных опухолей головы, шеи и конечностей.

Все перечисленные выше опухоли при фиксированном положении человека в специальном кресле занимают вполне определенное положение в пространстве и их допустимо облучать пучком протонов с горизонтального направления.

Для облучения как поверхностных, так и глубоколежащих опухолей энергия протонов, как отмечалось выше, должна быть в интервале 75-230 МэВ. Пробег до остановки (в теле пациента) протонов с энергией 75 МэВ составляет 3 см, а с энергией 230 МэВ - 25 см.

Средний ток пучка протонов определяется временем облучения пациента, поглощенной дозой облучения, необходимой для разрушения клеток опухоли и способом формирования дозного поля. Время облучения пациента может достигать нескольких минут, но желательно, чтобы это время не превышало 1 мин. Мощность поглощенной дозы может достигать 15 Гр./мин. при облучении опухолей глаза объемом ~1 см3, для облучения опухолей 10 х 10 см2, объемом 1 л мощ- ность поглощенной дозы не должна превышать 5 Гр./мин.

Прецизионный пучок для облучения опухолей глаза создается обрезанием 98 - 99% частиц в коллиматорах, так что для облучения пациента используется только 1 - 2% тока пучка. Однородное дозное поле для облучения опухолей со сложной геометрией формируется с использованием рассеивателей пучка, устройств, по- зволяющих сканировать пучком по опухоли, и коллиматоров. 8 этом случае доля частиц, используемых для облучения, может достигать 50%.

Оценки показывают, что пучок протонов со среднем током ~ 10 нА обеспечит создание дозных полей с требуемыми параметрами. Основные параметры пучка протонов для облучения опухолей приведены в таблице 1. Работа по проводке пучка протонов с требуемыми параметрами в облучательную камеру первой очереди комплекса протонной терапии начата в 2002 году.

Проработана компоновка электромагнитного оборудования протонных медицинских каналов, проанализированы способы формирования пучков протонов с требуемыми размерами на облучаемом объекте. Предлагаемая компоновка медицинских протонных каналов сохраняет возможность проведения экспериментов на слаботочном протонном пучке в экспериментальной зоне в районе 83 оси ЛУ, а также на сильноточном пучеке протонов в Экспериментальном комплексе ММФ.

Безопасность пациента и обслуживающего персонала при проведении сеансов облучения обеспечивается созданием комплекса защитных устройств.

Реализация предложения позволила бы создать в г.Троицке Московской области региональный центр лучевой (протонной терапии), представляющий собой медикобиологический комплекс для проведения исследований в области радиобиологии, использования медицинских радиоизотопов для диагностики на основе электронно-позитронной томографии и лечения онкологическизх заболеваний.

Для создания и ввода в строй потребуется сооружение специализированных помещений для проведения облучения пациентов, приобретение необходимого медицинского оборудования и формирование штата медицинского персонала. Действующий больничный комплекс РАН в г. Троицке готов оказать необходимую научную и организационную помощь при создании и эксплуатации такого центра.