В ОИЯИ изобрели эффективный способ фокусировки медицинского протонного пучка

Флэш-терапия — перспективный метод лечения онкологических заболеваний, в особенности рака 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. 1) 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, так и в психологическом смысле. 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 плавное уменьшение энергии пучка для сканирования его по глубине опухоли. 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 планируют создать в институте (MSC-230). В связи с этим 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 ускоряющих 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 описано в патенте «Способ изменения конечной энергии протонного пучка, используемого для флэш-терапии». Авторами являются Сергей Доля и Виктор Смирнов.

В предложенной учеными методике протонный пучок выводится на орбиту параллельную первоначальной орбите пучка с помощью первой пары отклоняющих магнитов (см. рис. 2). Причем величина отклонения линейно зависит от амплитуды поля в магнитах. Затем пучок проходит сквозь клиновидный поглотитель, вследствие чего теряет часть своей энергии. После этого 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, позволяющую очень быстро и очень точно двигать фокус протонного пучка.

«Клиновидный поглотитель 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, — пояснил соавтор изобретения, старший научный сотрудник ЛЯП ОИЯИ Сергей Доля. — При этом отклонение необходимо делать быстро, прямо в момент облучения. Канал прохождения пучка в здоровых тканях при этом почти не травмируется, практически вся энергия выделяется в требуемом месте».