Наука - практике

На пучке первого ускорителя Дубны

50 лет назад на протонном пучке синхроциклотрона
Объединенного института ядерных исследований
был облучен первый пациент.

За последние десятилетия адронная лучевая терапия достаточно широко внедряется в клиническую практику лечения онкологических заболеваний. На сегодняшний день в мире введено в эксплуатацию около 70 протонных и ионных центров лучевой терапии как специализированных госпитальных центров, так и центров, созданных на базе ускорителей для физических исследований. Процедуру облучения прошли уже более 150 тысяч пациентов, накоплен достаточный клинический опыт.

Впервые пучки протонов, дейтронов и альфа-частиц после проведения ряда радиобиологических исследований были применены для облучения пациентов в 1954 году на синхроциклотроне в Беркли, затем в 1956 году в Швеции на протонном пучке 190 МэВ. С 1961 года клинические исследования проводились в Гарвардском университете на синхроциклотроне с энергией 160 МэВ.

Работы по формированию терапевтического протонного пучка в ОИЯИ велись с конца 1965 года сотрудниками Лаборатории ядерных проблем под руководством Венедикта Петровича Джелепова, Владимира Ивановича Комарова и Олега Васильевича Савченко.

О.В.Савченко и В.П.Джелепов на медицинском пучке ЛЯП ОИЯИ.

Впервые в Советском Союзе такой терапевтический протонный пучок с энергией до 200 МэВ был получен на синхроциклотроне в апреле 1967 года. Пучок выводился в специализированное процедурное помещение, пристроенное к корпусу синхроциклотрона ЛЯП, где было размещено ротационное кресло для фиксации пациента, дозиметрическое, юстировочное и другое вспомогательное оборудование, предназначенное для контроля облучения пациентов.

В декабре 1967 года на протонном пучке ЛЯП ОИЯИ был облучен первый в Советском Союзе пациент. Медицинское сопровождение облучения осуществляли радиационные онкологи из Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР (ныне НМИЦ онкологии имени Н.Н.Блохина) А.И.Рудерман, Б.В.Астрахан, М.Ш.Вайнберг и Р.Ф.Саламов.

Отсутствие на тот момент клинического опыта применения тяжелых заряженных частиц в радиотерапии, а также адекватных методов топометрии побудило начать облучение с больных, имевших в основном поверхностно расположенные злокачественные образования (такие как меланома кожи, метастазы рака в периферические узлы, рак гортани и т.п.). В зависимости от размеров и формы паталогического очага использовались круглые и прямоугольные формы апертур коллиматоров различных размеров. Объем, положение и глубина залегания опухоли, за неимением в то время рентгеновских и магнитно-резонансных томографов, определялись путем визуального осмотра, пальпации и непосредственных измерений. Дозное распределение подбиралось таким образом, чтобы за пределами опухоли получался наибольший градиент спада дозы, а на опухоль приходился пик Брэгга.

На время облучения больного усаживали в ротационное кресло. Торс его фиксировался гибким поясом с металлическими вставками, который прижимал больного к спинке сиденья. Выведение опухоли на ось протонного пучка осуществлялось механическими, оптическими и рентгеновскими центраторами по совмещению с имеющейся на коже больного отметкой центра очага. Для совмещения заданного участка пика Брэгга с очагом на оси пучка устанавливались дополнительные замедлители из оргстекла, толщина которых определялась из дозиметрических измерений и корректировалась в каждом сеансе облучения. На время облучения вход в процедурное помещение перекрывался подвижной бетонной защитной дверью, и дальнейшее наблюдение за больным велось через перископическую зеркальную систему или по экрану ТВ-монитора. Таким способом в период с конца 1967 по 1971 гг. было пролечено 28 пациентов с различными типами злокачественных новообразований.

Фотография пациента, зафиксированного в ротационном кресле перед сеансом облучения (1968 г.)

Вторым действующим терапевтическим протонным пучком в СССР стал ускоренный до 200 МэВ пучок синхротрона ИТЭФ, полученный под руководством Л.Л.Гольдина и В.С.Хорошкова в мае 1967 года, где в конце 1968 года были проведены радиобиологические исследования, а первый пациент был пролечен в апреле 1969-го.

Третьим отечественным физическим институтом, в котором начали проводить исследования по лечению злокачественных опухолей методами протонной терапии на пучке синхроциклотрона с энергией 1 ГэВ, стал ЛИЯФ (Гатчина), где в январе 1973 года был получен и выведен в специальное помещение пучок протонов, а в апреле 1975-го выполнено первое протонное облучение методом "напролет".

В 1971 году в ЛЯП ОИЯИ после ряда радиобиологических исследований и первого этапа проведенных облучений пациентов на медицинском протонном пучке, который показал существенное преимущество протонной терапии над широко распространенной в то время рентгено- и гамма-терапией, было принято решение расширить круг доступных для облучения локализаций. Одним из перспективных направлений дальнейших исследований было выбрано облучение глубоко расположенных злокачественных новообразований, таких как рак пищевода и легкого. Облучение больных проводилось как в статическом режиме, когда заданная доза подводилась с одного или нескольких направлений, так и в режиме ротации, когда пациент во время облучения вращался вокруг вертикальной оси, проходящей через центр опухоли и ось протонного пучка.

Последний метод - метод непрерывного ротационного облучения протонами глубоко расположенных опухолей с автоматическим удержанием пика Брэгга в пределах очага поражения, был разработан совместно с ОНЦ РАМН и ЦКБ РАМН и в 1973 году впервые применен на медицинском протонном пучке ЛЯП ОИЯИ. На этом втором этапе исследований было пролечено 33 пациента с раком пищевода и 23 пациента с раком легкого и метастазами злокачественных опухолей в легкое.

Этот начальный период развития протонной терапии в ЛЯП ОИЯИ продолжался до 1974 года, когда началась реконструкция ускорителя, закончившаяся только в 1984 году. Еще в 1968 году был разработан проект реконструкции синхроциклотрона ЛЯП ОИЯИ в сильноточный фазотрон с пространственной вариацией магнитного поля (установка "Ф"). Проектом предусматривалось увеличение внутреннего тока пучка и рост интенсивности выведенного протонного пучка в 100-200 раз.

В результате первоначального поискового этапа были получены подтверждения правильности основных исходных физико-технических, радиобиологических и клинических предпосылок, разработаны методики облучения ряда локализаций опухолей и показана целесообразность продолжения и расширения клинических исследований по адронной терапии злокачественных образований.

Эти исследования продолжились уже в многокабинном Медико-техническом комплексе (МТК), сооружение которого велось параллельно с реконструкцией ускорителя и в основном закончилось к концу 1985-го.

В период с 1986 по 1996 гг. МТК включал в себя пять протонных каналов медицинского назначения для облучения опухолей различной локализации широкими и узкими протонными пучками в диапазоне энергии от 70 до 660 МэВ; медицинский -мезонный канал для лучевой терапии пучками отрицательных -мезонов с энергиями от 30 до 80 МэВ; канал нейтронов медицинского назначения (средняя энергия нейтронов в пучке около 350 МэВ) для облучения больших, радиорезистентных опухолей; терапевтическую гамма-установку Рокус-М для использования в качестве резервного источника излучения, а также для проведения дистанционной гамма-терапии при сочетанных методах облучения.

К началу 1987 года была проведена наладка всех каналов транспортировки пучков и получены все необходимые физико-дозиметрические характеристики медицинских пучков. В 1987-1989 гг. выполнены радиобиологические эксперименты на пучках протонов и нейтронов высоких энергий и начаты клинические исследования по облучению больных (совместно с ВОНЦ РАМН) на протонных пучках с использованием разработанных методик формирования дозных полей, ротационно-сканирующего облучения глубоко залегающих опухолей. В этот период также было разработано и создано уникальное оборудование, такое как полномасштабный позитронно-эмиссионный томограф, совмещенный с терапевтическим креслом рентгеновский компьютерный томограф для проведения топометрии пациента в положении сидя и протонный томограф, позволяющий получить топометрическую информацию в единицах пробега протонного пучка в тканях.

К концу 1995 года полное число онкологических больных, прошедших курс фракционированного лучевого лечения на медицинских пучках после реконструкции ускорителя, составило всего 39 человек. Это было обусловлено рядом негативных факторов, таких как отсутствие в Дубне специализированного стационара с необходимым количеством коечных мест и соответствующим числом врачей-радиологов, а также общее ухудшение экономической ситуации в стране. В результате время работы фазотрона сократилось до нескольких сотен часов в год, и тем самым резко ограничилась продолжительность сеансов протонной терапии.

Новый этап развития протонной терапии в ОИЯИ наступил в 1999 году, когда благодаря настойчивости и усилиям Венедикта Петровича Джелепова было открыто специализированное радиологическое отделение на 25 коек в Медико-санитарной части N№ 9 в Дубне, что позволило проводить сеансы протонной лучевой терапии на регулярной основе. Одновременно было принято решение сконцентрировать основные усилия на работах в 1-й процедурной кабине МТК, как наиболее универсальной с точки зрения возможности проведения протонной терапии наиболее широкого круга локализаций опухолей. Эта кабина была переоборудована в соответствии с требованиями реализации в ней техники трехмерного конформного протонного облучения глубоко залегающих опухолей.

В результате сотрудничества с первым в мире госпитальным центром протонной терапии в г. Лома-Линда (США), разработанная в этом центре трехмерная компьютерная система планирования протонного облучения TPN была адаптирована к оборудованию и протонным пучкам фазотрона. После проведения ряда дозиметрических исследований эта система с успехом использовалась в МТК в регулярных сеансах протонной терапии. Методика трехмерной конформной терапии пучками протонов на фазотроне ЛЯП ОИЯИ была реализована в России впервые. Научное руководство этими работами в то время осуществлял Медицинский радиологический научный центр РАМН в Обнинске.

С 2000 по 2017 гг. в МТК ОИЯИ курс фракционированной протонной лучевой терапии прошли более 1200 пациентов. На сегодняшний день в МТК ОИЯИ регулярно проводятся сеансы протонной терапии с пропускной способностью до 100 пациентов и продолжительностью 26-28 недель в год. Однако дальнейшее использование для этих целей фазотрона представляется малоэффективным в связи с его избыточностью по энергии частиц примерно в 3 раза, что приводит к увеличенному потреблению электроэнергии (до 3 МВт). Кроме того, при замедлении протонного пучка с 660 МэВ до 150 МэВ (типичная энергия терапевтического пучка для облучения опухолей головы-шеи) теряется огромная часть частиц, что не позволяет сформировать в процедурной кабине протонный пучок с требуемыми для лучевой терапии параметрами.

Сотрудниками отдела новых ускорителей ЛЯП ОИЯИ разработан проект нового сверхпроводящего циклотрона SC202 для медицинских целей, который в настоящее время находится в стадии изготовления в Институте физики плазмы китайской Академии наук в городе Хэфэй. Предполагается, что этот ускоритель станет базой для создания нового Центра протонной терапии в Дубне, который будет включать в себя две процедурные кабины. В одной из них будет реализована методика облучения с использованием широкого горизонтального пучка протонов и терапевтического кресла, а вторую кабину планируется оснастить "гантри" с системой сканирования узким пучком по объему мишени и позиционером для фиксации пациента в положении лежа. Также в новом центре планируется разместить стандартный линейный ускоритель электронов для проведения сочетанной лучевой терапии и диагностическое оборудование (КТ и МРТ).

В связи с расширяющимся в последние годы строительством и вводом в действие как в России, так и в других странах-участницах ОИЯИ госпитальных центров протонной терапии, Дубна, учитывая ее богатейший опыт в этой области, могла бы стать кузницей кадров для таких центров.

В завершение статьи авторы хотели бы поздравить с юбилеем всех, кто внес свой вклад в становление и развитие этого направления в нашем Институте, а также весь коллектив сотрудников ОИЯИ и МСЧ-9, обеспечивающий проведение регулярных сеансов протонной лучевой терапии на пучках фазотрона.

По материалам статьи для журнала "Медицинская физика" "50 лет облучению первого пациента на протонном пучке Объединенного института ядерных исследований в Дубне". Авторы: А.В.Агапов, В.Н.Гаевский, Е.И.Лучин, Г.В.Мицын, А.Г.Молоканов, М.А.Цейтлина, С.В.Швидкий, К.Н.Шипулин.

Материал для газеты подготовили Алексей АГАПОВ, Виктор ГАЕВСКИЙ,
научные сотрудники МТК Лаборатории ядерных проблем.
Фото из архива ЛЯП