Медицинский циклотрон MSC-230, создаваемый в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна), станет прорывной машиной для флэш-терапии онкологических больных, при которой излучение точно и недолго воздействует на опухоль при сверхвысокой мощности дозы. 

Ускоритель будет представлять собой сверхпроводящий изохронный протонный циклотрон для лучевой терапии пациентов с онкологическими заболеваниями и проведения медико-биологических исследований, сообщила пресс-служба ОИЯИ. MSC-230 предназначен для протонной флэш-терапии, методы которой в ОИЯИ изучают с 2020 года. Изохронный циклотрон MSC-230 – это ускоритель с непрерывным пучком протонов. Данная характеристика делает циклотрон наиболее перспективным типом ускорителя именно для флэш-терапии.

Методика флэш заключается в быстрой и точной доставке необходимой дозы излучения до опухоли при сверхвысокой мощности дозы. Обычная лучевая терапия использует мощность дозы от 1 до 7 Гр/с, а флэш-облучение проводится при мощности дозы свыше 40 Гр/с за время меньшее, чем полсекунды. Практически вся доза 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.

«Поскольку при методике флэш происходит облучение ударной дозой заряженных частиц за очень короткий промежуток времени, для этого становится необходимой высокая интенсивность пучка. Перспективы флэш-терапии определили актуальность именно изохронного циклотрона как ускорителя, способного её обеспечить», — рассказывает Галина Карамышева, доктор физико-математических наук, начальник Научно-экспериментального отдела новых ускорителей Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, где и был создан проект  MSC-230. 

«Проект не возник с нуля, он опирается на опыт работы ОИЯИ с Институтом физических наук Хэфэй (Китай), в сотрудничестве с которыми мы разрабатывали проект циклотрона SC200, 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 Галина Карамышева. Оба эти ускорителя не были рассчитаны на использование метода флэш: для этого у них слишком маленькая 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 развивать в Объединенном институте ядерных исследований собственный проект. Он 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. 

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. В конструкцию ускорителя также заложены сверхпроводящие технологии, разработанные в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.  Ускоритель будет компактным: 3,5 м диаметром и 1,7 м в высоту и с   небольшим по сравнению с аналогами весом магнита – 94 т.

MSC-230 будет иметь ряд технических преимуществ перед другими медицинскими циклотронами: высокий темп ускорения, который обеспечивается 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, являющийся преимуществом для обеспечения высокой интенсивности пучка и способствующий более простому выводу пучка из ускорителя; фаска вдоль траектории пучка, которая позволит организовать его эффективный вывод.

«В любом циклическом ускорителе самым сложным действием является вывести пучок, 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 пуска 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 пуска 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». 

В апреле 2022 года был заключен договор между ОИЯИ и АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. 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.

Опубликовано:  «Медицинская газета» - 01/03/2023

Медицинский циклотрон MSC-230, создаваемый в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна), станет прорывной машиной для флэш-терапии онкологических больных, при которой излучение точно и недолго воздействует на опухоль при сверхвысокой мощности дозы. 

Ускоритель будет представлять собой сверхпроводящий изохронный протонный циклотрон для лучевой терапии пациентов с онкологическими заболеваниями и проведения медико-биологических исследований, сообщила пресс-служба ОИЯИ. MSC-230 предназначен для протонной флэш-терапии, методы которой в ОИЯИ изучают с 2020 года. Изохронный циклотрон MSC-230 – это ускоритель с непрерывным пучком протонов. Данная характеристика делает циклотрон наиболее перспективным типом ускорителя именно для флэш-терапии.

Методика флэш заключается в быстрой и точной доставке необходимой дозы излучения до опухоли при сверхвысокой мощности дозы. Обычная лучевая терапия использует мощность дозы от 1 до 7 Гр/с, а флэш-облучение проводится при мощности дозы свыше 40 Гр/с за время меньшее, чем полсекунды. Практически вся доза 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.

«Поскольку при методике флэш происходит облучение ударной дозой заряженных частиц за очень короткий промежуток времени, для этого становится необходимой высокая интенсивность пучка. Перспективы флэш-терапии определили актуальность именно изохронного циклотрона как ускорителя, способного её обеспечить», — рассказывает Галина Карамышева, доктор физико-математических наук, начальник Научно-экспериментального отдела новых ускорителей Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, где и был создан проект  MSC-230. 

«Проект не возник с нуля, он опирается на опыт работы ОИЯИ с Институтом физических наук Хэфэй (Китай), в сотрудничестве с которыми мы разрабатывали проект циклотрона SC200, 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 Галина Карамышева. Оба эти ускорителя не были рассчитаны на использование метода флэш: для этого у них слишком маленькая 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 развивать в Объединенном институте ядерных исследований собственный проект. Он 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. 

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. В конструкцию ускорителя также заложены сверхпроводящие технологии, разработанные в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.  Ускоритель будет компактным: 3,5 м диаметром и 1,7 м в высоту и с   небольшим по сравнению с аналогами весом магнита – 94 т.

MSC-230 будет иметь ряд технических преимуществ перед другими медицинскими циклотронами: высокий темп ускорения, который обеспечивается 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, являющийся преимуществом для обеспечения высокой интенсивности пучка и способствующий более простому выводу пучка из ускорителя; фаска вдоль траектории пучка, которая позволит организовать его эффективный вывод.

«В любом циклическом ускорителе самым сложным действием является вывести пучок, 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 пуска 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 пуска 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». 

В апреле 2022 года был заключен договор между ОИЯИ и АО «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. 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.

Опубликовано:  «Медицинская газета» - 01/03/2023