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 в планах реализовать уже в 2024 году.

Ускоритель будет представлять собой сверхпроводящий изохронный протонный циклотрон для лучевой терапии пациентов с онкологическими заболеваниями и проведения медико-биологических исследований. 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.

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

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.

Прежде чем протонная флэш-терапия сможет быть в полной мере реализована на практике, требуется решить ряд инженерно-технических проблем. В частности, необходим ускоритель, обеспечивающий средний ток пучка от 0,5 до 2 мкА (не меньше).

«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 ее обеспечить», — рассказывает Галина Карамышева, д. ф.-м. н., начальник Научно-экспериментального отдела новых ускорителей Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, где и был создан проект нового высокотехнологичного ускорителя MSC-230.

Галина Анатольевна Карамышева

«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 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 НЭОНУ ЛЯП под руководством Галины Карамышевой и Олега Карамышева развивать в Объединенном институте ядерных исследований 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.

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 для мегасайенс проекта NICA в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ.

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.

Магнит без фаски (вверху) и с фаской (внизу)

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 г. 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: уже упомянутая фаска (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 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 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», — рассказала ученый.

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.

Отметим, что 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.