Наука - практике

В ОИЯИ разрабатывают
протонный медицинский ускоритель

Стратегический план долгосрочного развития ОИЯИ до 2030 года предусматривает создание инновационного центра для проведения экспериментальных и клинических исследований в области протонной терапии. Пилотной установкой будущего медицинского центра станет протонный медицинский ускоритель MSC-230, который будет представлять собой сверхпроводящий изохронный протонный циклотрон для лучевой терапии пациентов с онкологическими заболеваниями и проведения медико-биологических исследований. Завершить создание ускорителя планируется уже в 2024 году.

"Поскольку при методике флэш происходит облучение ударной дозой заряженных частиц за очень короткий промежуток времени, для этого необходима высокая интенсивность пучка. Перспективы флэш-терапии определили актуальность именно изохронного циклотрона как ускорителя, способного ее обеспечить", - приводит пресс-служба ОИЯИ слова доктора физико-математических наук, начальника научно-экспериментального отдела новых ускорителей Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, где и был создан проект нового высокотехнологичного ускорителя MSC-230, Галины Карамышевой.

Изохронный циклотрон MSC-230 - это ускоритель с непрерывным пучком протонов. Данная характеристика делает циклотрон наиболее перспективным типом ускорителя именно для флэш-терапии. При ее применении практически вся энергия протонов выделяется точно в цель в конце пробега пучка, в так называемом пике Брэгга. Это позволяет в течение сеанса флэш-терапии сохранить здоровую ткань, усиленно воздействуя только на опухоль. Метод позволяет на порядок сократить количество процедур лечения: с 10-30 до 1-3. В настоящий момент инновационный метод флэш-терапии проходит в мире стадию доклинических исследований. Однако он открывает такие богатые перспективы, что новейшие медицинские ускорители уже разрабатываются непосредственно под этот метод лечения.

"Проект возник не с нуля, он опирается на опыт работы ОИЯИ с Институтом физических наук в Хэфэе (Китай), в сотрудничестве с китайскими коллегами мы разрабатывали проект циклотрона SC-200, из которого недавно был впервые выведен пучок протонов. Мы также совместно с компанией IBA (Бельгия) разрабатывали циклотроны для адронной терапии, один из них работает сейчас в Димитровграде", - пояснила Г.Карамышева.

Оба ускорителя не были рассчитаны на использование метода флэш: для этого у них невысокая интенсивность пучка, что не позволяет достичь требуемой мощности дозы. По этой же причине использование для флэш-терапии уже существующих протонных медицинских ускорителей ограничено. Именно отсутствие на рынке готовых решений сподвигло команду специалистов под руководством Галины и Олега Карамышевых развивать в ОИЯИ собственный проект.

Проект получил название MSC-230, поскольку будет иметь максимальную энергию протонного пучка в 230 МэВ - для реализации протонной терапии необходимо ускорить пучок протонов до энергий 60-230 МэВ. Сверхпроводящий изохронный четырехсекторный циклотрон на основе магнита броневого типа массой около 100 т с магнитным полем в центре 1,7 Тл будет иметь 3,8 м в диаметре и 1,7 м в высоту.

Трехмерная компьютерная модель циклотрона (магнит и ускоряющая система): 1 – ускоряющие резонаторы; 2 – сектора магнита; 3 – ярмо магнита; 4 – сверхпроводящая обмотка магнита; 5 – траектория пучка; 6 – фаска вдоль траектории пучка

Циклотрон будет включать в себя магнитную систему из расположенных симметрично медианной плоскости четырех пар секторов магнита и ярма магнита со сверхпроводящими обмотками основных катушек, при этом в зоне вывода форма секторов магнита некруглая и повторяет форму орбиты ускоряемых частиц.

MSC-230 будет иметь ряд технических преимуществ перед другими медицинскими циклотронами: высокий темп ускорения, который достигается четырьмя резонаторами, позволяющими избежать потерь в процессе ускорения; внутренний источник протонов, способный обеспечить в невысоком поле высокий коэффициент захвата в ускорение; низкий уровень магнитного поля для обеспечения высокой интенсивности пучка и его эффективного вывода из ускорителя.

Основные технические решения были предложены и применены в результате проведения уникального компьютерного моделирования магнитной системы и детального расчета динамики пучка на циклотроне. Динамика пучка характеризует то, каким образом и насколько устойчиво ведет себя пучок в ускорителе под действием внешних и собственных электромагнитных полей.

Концепция медицинского протонного ускорителя ОИЯИ для флэш-терапии была опубликована в журнале "Письма в ЭЧАЯ" в 2021 году. Позднее она была защищена патентом на изобретение "Компактный сверхпроводящий циклотрон для протонной терапии пучками со сверхвысокой мощностью дозы", который был получен ОИЯИ 14 июля 2022 года (авторы: Олег Карамышев, Галина Карамышева, Иван Ляпин, Владимир Малинин, Дмитрий Попов, Григорий Трубников, Григорий Ширков, Степан Ширков). В патенте подробно изложено описание проекта. По сравнению со статьей, опубликованной раньше, чем был получен патент, имеется существенное отличие: поверхность, образованная скосом торцевой кромки материала, по краю секторов магнита в области зоны вывода пучка, повторяющая форму траектории частиц в циклотроне.

"В любом циклическом ускорителе самым сложным действием является вывод пучка, поэтому любое улучшение условий для вывода пучка значимо, - прокомментировала Галина Карамышева. - Фаска по сектору вдоль траектории позволит максимально довести пучок дальше по радиусу, что способствует эффективному выводу. Вывод пучка с меньшим напряжением на дефлекторе позволит увеличить надежность работы дефлектора и добиться большей эффективности вывода. Чтобы получить высокоинтенсивный пучок на выходе из ускорителя, необходимо иметь эффективный источник протонов, обеспечить эффективный захват пучка в ускорение в центральной области циклотрона, эффективный вывод и добиться отсутствия потерь в процессе ускорения. И всему этому способствует именно низкий уровень магнитного поля изохронного циклотрона и та самая фаска вдоль траектории, которая была запатентована".

Отдельной важной задачей в этом направлении является доставка необходимой дозы протонов точно в цель после вывода пучка из циклотрона. Для этих целей сотрудники ЛЯП Сергей Доля и Виктор Смирнов разработали способ изменения конечной энергии протонного пучка, используемого для флэш-терапии. А устройство для формирования пилообразного напряжения на конденсаторе тех же авторов позволит оптимизировать процедуру формирования необходимого для лечения пучка протонов.

В апреле 2022 года был заключен договор между ОИЯИ и АО "Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова" на разработку и изготовление ускорительного комплекса на базе сверхпроводящего циклотрона MSC-230. Договором предусмотрены разработка технической документации, изготовление узлов и систем ускорителя, его сборка, наладка и пробный запуск в "НИИЭФА", последующая транспортировка в ОИЯИ, сборка и полномасштабный запуск в Дубне через два года.

Пресс-служба ОИЯИ