Печатная версия
Архив / Поиск

Archives
Archives
Archiv

Редакция
и контакты

К 50-летию СО РАН
Фотогалерея
Приложения
Научные СМИ
Портал СО РАН

© «Наука в Сибири», 2019

Сайт разработан и поддерживается
Институтом вычислительных
технологий СО РАН

При перепечатке материалов
или использованиии
опубликованной
в «НВС» информации
ссылка на газету обязательна

Наука в Сибири Выходит с 4 июля 1961 г.
On-line версия: www.sbras.info | Новости | Архив c 1961 по текущий год (в формате pdf), упорядоченный по годам
 
в оглавлениеN 27 (2712) 9 июля 2009 г.

УСКОРИТЕЛИ
ДЛЯ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ КЛИНИК-2

Для лечения онкологических заболеваний действующие известные методы недостаточны. С помощью ускорительной техники развиваются новые — протонно-ионный и требующий исследований — нейтронный. Точнее — метод нейтронозахватной терапии рака.

Галина Шпак, «НВС»

(Окончание. Начало в № 26)

— Еще раз подчеркну, что никто в мире не построил доступных источников нейтронов, приемлемых для нейтронозахватной терапии, — сказал Е. Б. Левичев, заместитель директора ИЯФ СО РАН. — А в нашем институте действует рабочая машина.

Евгений Борисович специально пригласил к себе в кабинет старшего научного сотрудника С. Ю. Таскаева, одного из инициаторов и двигателей созданного источника нейтронов. Включаясь в наш разговор, Сергей Юрьевич сразу начал с наболевшей проблемы:

— Мы занимались разработкой ускорителей для медицины за чужие деньги — и японцев, и европейцев, и американцев, которым было просто интересно — получится у нас или нет, сможем ли мы построить ускоритель. Идея была красивая — построить ускоритель-тандем, т.е. удвоитель энергии. Но не со стопроцентной вероятностью, что такая машина будет работать. К счастью, ускоритель всё-таки работает. Мы-то думали по простоте душевной, что вот построим хорошую машину, и на этом наша миссия закончится. Приходится буквально уговаривать ученых-медиков, онкологов участвовать в экспериментах. Методика нейтронозахватной терапии рака требует изучения. Она еще не в той стадии, чтобы годилась для широкого клинического использования. Протонная терапия уже прошла этот путь. В той же Японии государство, а не коммерческие структуры, финансирует научные разработки и создание протонных центров терапии рака. Японцы говорят — или мы решим эту проблему, или рак закабалит нас.

Иллюстрация
С. Таскаев (справа) знакомит с установкой БНЗТ Жерара Бенгуа и Тору Кобаяси (Университет Киото), которые впоследствии провели расчеты поглощенной дозы излучения и дали ценные рекомендации для улучшения качества нейтронного пучка.

Разве можно думать только о прибыли, если инновационные разработки для медицины, для онкологии — не сейчас, так через десять лет — могут революционным образом повлиять на здоровье людей?

Машина должна работать,
человек — думать

Мне предстояло увидеть новую машину. Когда мы вышли во двор, на территорию института, физик Таскаев сказал, что установка находится в бункере здания под номером 18, куда и направляемся. Этот экспериментальный корпус напоминает заводской цех. Темноватый коридор. У стены, слева, какое-то замысловатое габаритное «железо». Сергей Юрьевич открыл тяжелую, поблескивающую дверь. Изнутри вырвался свист. Оказалось, ничего особенного — это воздух свистит.

Нас встретил физик Игорь Николаевич Сорокин и предупредил:

— Помещение радиационно защищенное. Сейчас установка отключена. Когда работает ускоритель, возникает радиация и в зале находиться нельзя.

— Как же вы от нее избавляетесь?

— Ускоритель тем и хорош, что в отличие от ядерного или атомного реактора, возникающая радиация, необходимая для лечения, улетучивается, она «живет» только в момент включения установки. Нажал кнопку — возникла радиация, выключил — и никакого следа — нет радиации. Вот и всё.

Иллюстрация
Вид установки.

В глубине зала я увидела знакомую «бочку», как у промышленных ускорителей ЭЛВ. Новую ИЯФовскую машину «махиной», конечно, не назовешь.

— Не надо думать, что всё сразу получается. Проводились предварительные эксперименты, решались трудные физические и технические задачи, — Сергей Юрьевич похлопал «бочку». — Это пока единственная ускорительная установка в мире специально для нейтронозахватной терапии. Для нейтронозахватной терапии нужен был не просто ускоритель протонов с определенной энергией, а компактный и с достаточно большим током.

— Как вам это удалось?

— Суть в том, как использовать известную вещь под названием «тандем». Мы предложили одним потенциалом ускорять заряженные частицы до большой энергии. Сначала потенциалом в один мегавольт ускоряются отрицательные ионы водорода, а после их «обдирки» — протоны до энергии 2 МэВ.

— Чтобы ускорить заряженную частицу на один мегавольт, как правило, необходимы ускорительные трубки, — пытается мне втолковать Игорь Николаевич. — Это набор электродов, на них подается распределенный потенциал. Все электроды соединены через изоляторы...

— Смотрите, что находится внутри «бочки», — Сергей Юрьевич показывает на планшете установку в разрезе. — Наш ускоритель становится похожим на кочан капусты, и пучок проходит по центру этого «кочана»... Мы предложили использовать для ускорения не стандартные ускорительные трубки, а нечто более хитрое — ускоритель с вакуумной изоляцией. А также предложили использовать припороговую генерацию нейтронов. Хотя нейтронов рождается меньше, но они имеют почти нужную энергию и летят вперед.

Словом, физики пошли по непроторенному пути, и новаторский подход оказался удачным в создании удобного инструмента для нейтронозахватной терапии. В проекте по этой медицинской тематике участвует сборная команда нескольких лабораторий Института ядерной физики и его производственные цеха.

— Всё-таки мы стартовали не на пустом месте. Для такой установки тандемного типа необходимо постоянное и стабильное высокое напряжение. В качестве источника высокого напряжения мы взяли выпрямитель от промышленного ускорителя типа ЭЛВ, созданного в лаборатории Рустама Абельевича Салимова и широко использующегося в мире для технологических целей. Хорошим подспорьем послужил надежно работающий источник отрицательных ионов, созданный Юрием Ивановичем Бельченко. Высокоэнергетический тракт транспортировки пучка сделали по аналогичной ИЯФовской технологии производства магнитов для Большого адронного коллайдера, действующего в ЦЕРНе. Нам повезло на готовое! Но знайте, что тандемный ускоритель с вакуумной изоляцией — это была новая идея. Здесь столько сложных моментов. И столько людей вовлечено в работу!

— Но кто-то идею подал.

— На начальном этапе в саму идею строительства специализированного ускорителя для медицины значительный вклад привнес Григорий Иванович Сильверстов. Его увлеченность и уверенность в успехе была неотразима. Он говорил: «Я прожил насыщенную жизнь, и в физике высоких энергий "много чё знаю", но мне хочется сделать такое, чтобы принести пользу людям». Ему не удалось — не хватило времени. Работа, начатая Григорием Ивановичем, как видите, продолжается. Эта работа прикладная, но в ней содержится много фундаментальных вещей.

Сергей Юрьевич полушутливо добавил, что люди наконец-то увидят, что есть какой-то толк от физиков, занимающихся запредельными экспериментами физики высоких энергий.

— Исследования фундаментального порядка, связанные с проектом нашего тандема, начались в 2000 году, а в 2007 году завершилась в полном объеме сборка ускорителя, получен рекордный протонный пучок. А через год — 5 марта — мы впервые осуществили генерацию нейтронов и с помощью разных методик «увидели» эти частицы. Увидели именно те, которые нужны. С тех пор постоянно что-то доделывается и додумывается. Через несколько дней первое включение в этом году.

Иллюстрация
20 ноября 2007 г. Установка сооружена! Фотография участников работ на память.

...В назначенный день в тесной пультовой в том же 18-м корпусе собралось человек пятнадцать. Среди них опытные и молодые физики, студенты и аспиранты из сборной команды нейтронного проекта. Всем интересно, что будет после модернизации ускорителя, которая закончилась в апреле, и началась работа с протонным пучком.

На столах несколько компьютеров, которые управляют разными системами установки. Мне объясняют, что есть системы создания пучка и его фокусировки, ускорения и приема пучка.

Физики, сидящие за компьютерами, переговариваются: «Работаем на вчерашнем напряжении». Оказывается, накануне проводились тестовые включения.

Толпились наблюдающие — кто стоял, кто сидел — для меня освободили местечко в ряду работающих. Я в роли иностранца, а за моей спиной, как переводчик, Валерий Васильевич Широков говорит, что происходит, почему замешкались:

— Ничего особенного. Понадобилось войти в ускорительный зал. Машина «живая», ее надо еще изучать, хорошо с ней познакомиться. Уже несколько лет этим занимаемся. На данный момент у нас уже получены те самые нейтроны, ради которых создавалась машина. Нейтронов пока мало, нужно увеличивать их количество, а для этого необходимо увеличивать ток, который проходит через ускоритель. Нужно заниматься тепловыми режимами.

— Кстати, почему нейтроны называют «тепловыми»?

— Эпитепловыми. Нейтроны по энергии классифицируют на отдельные градации. У эпитепловых частиц немного выше энергия, чем энергия теплового движения. Для нейтронозахватной терапии нужны именно надтепловые нейтроны, или как их называют — эпитепловые. Вот, собственно, и всё. Но пока идут ускорительные эксперименты, а кроме того, по генерации нейтронов и гамма-квантов. Ускоритель сам по себе протонный — отрицательные ионы превращаются в протоны, потеряв два электрона. И вот, этот протонный пучок отправляется на разные типы мишени. В зависимости от мишени, можно получить либо нейтроны, либо гамма-кванты. По нейтронам или по другим частицам определяется область применения специализированных установок. Наша — самая оригинальная.

— Где включается?

— У нас Игорь Николаевич командует, у него в руках все основные кнопки ускорителя. Он включает, выключает и контролирует.

С Игорем Николаевичем Сорокиным я уже была знакома. Он и Сергей Юрьевич Таскаев показывали мне в бункере «всю подноготную» новой машины.

— Мы сейчас готовимся к подключению с пучком. Сначала будет подниматься высокое напряжение на выпрямителе и на самом ускорителе. Оно распределяется по зазорам в той самой «капусте», между ускоряющими электродами. Мы вам показывали ускоритель в разрезе на планшете. Отрицательный пучок водорода летит, перезаряжается, теряет по пути два электрона и становится положительным, и дальше этот протонный пучок высаживается на мишень. Вот Саша Кузнецов соответствующие кнопки нажимает.

Иллюстрация
За подготовкой к генерации нейтронов на установке: студент НГУ А. Макаров, выпускник НГУ  Ю. Суляев, выпускник НГТУ  А. Кузнецов.

— У нас всё готово. Закрыли зал? Ну, давайте!

— Сейчас будет сниматься горизонтальный профиль.

— Пучок я увижу?

— Косвенный, не прямой. Бледно-голубой.

— Там видеокамера стоит.

— Она у вас разведчиком работает?

— Ну, да, в зале сейчас находиться нельзя, потому что рентген и всё остальное. А с видеокамерой — замечательная возможность увидеть, что происходит внутри.

— В этом зазеркалье?

— Смотрите, сейчас идет мощный пучок. Яркое пятно разрослось до большого диаметра. Но это отблески, — говорит мой сосед Юлий Суляев. — Видеокамера смотрит на углеродную мишень. На нее сейчас падает пучок. Сейчас входные линзы настраивают пучок, чтобы большая его часть проходила сквозь ускорительную систему. Мы видим на экране только отсвет, отражение. А реальное изображение — узенькая щель.

Физики продолжают манипулировать с пучком, я пытаюсь уловить суть.

Юлий размышляет вслух:

— Непонятно, бомбардируем пучком протонов углерод и не видим характерных гамма-квантов. Это удивительно, куда они все могли подеваться? — и тут же записывает что-то в журнал. Выяснилось, что записывает все манипуляции и происходящее на экране до деталей. — Когда будем разбираться с результатами, записи очень понадобятся.

— У вас такая спокойная работа...

— Как спокойная? Налаживать, смотреть, измерять, считать, а потом анализировать — это не спокойная работа. Очень много систем. Приходится бороться и с «железом», и с программами, которые не хотят работать, как нужно.

— А это что такое?

— Мы видим продукты ядерных реакций — гамма-кванты, и можем судить, сколько протонов попало на нашу мишень.

— А нейтронную когда поставите?

— Позже. Это пока ускорительный эксперимент.

— Появилась хорошая картинка. Сейчас увидим, какая часть мишени была нагрета.

— Саша, смотри, ток упал.

Спрашиваю: кстати, какой детектор у вас используется для регистрации частиц?

— Сцинтилляционный. Он хорошо регистрирует гамма-кванты и нейтроны. Детектор находится в красном свинцовом домике, рядом с мишенью. В этом домике — коллиматоры, устройства, формирующие поток элементарных частиц.

Физики вглядываются в экраны. Слышу голос:

— Продолжает улучшаться соотношение вода-масло. — Второй Саша — Александр Бурдаков говорит:

— Мы следим за температурой масла, которое охлаждает перезарядную трубку внутри ускорителя, и по определенной температуре делаем выводы, какая мощность пучка теряется. За этой мощностью я наблюдаю. По соотношению мощности можно сделать вывод о том, насколько эффективно проходит пучок сквозь всю ускорительную систему.

Кажется, «закольцевались» — компьютерные программы ведут к единой цели.

Для решения различных задач в экспериментах приглашаются разные специалисты, главным образом из термоядерных лабораторий. В пультовой работала приходящая команда. Александр Бурдаков сказал, что основная его работа на установке ГОЛ-3 в плазменном корпусе ДОЛ. Среди присутствующих в пультовой только И. Сорокин и В. Широков постоянные сотрудники, работающие на установке. Нейтронный проект выполняется под руководством заместителя директора института Александра Александровича Иванова.

Прощаясь с физиками, услышала:

— На экране пучок гуляет, значит, он живой.

Эксперименты продолжаются

Для реализации ускорительной концепции бор-нейтронозахватной терапии требуется 20 кВт протонный пучок с энергией 1,9-2,5 МэВ. По словам С. Ю. Таскаева, сибирский ускоритель находится ближе всех к цели на этом пути по сравнению с другими действующими или создающимися в мире источниками нейтронов.

Исследовательский путь бор-нейтронозахватной терапии длится больше семидесяти лет. Воспользуюсь некоторыми фактами из краткого очерка, отражающего историю движения идеи.

«Концепция нейтронозахватной терапии рака была предложена в 1936 году, спустя четыре года после открытия нейтрона. Ее физический принцип прост и элегантен. Раствор, содержащий стабильный изотоп бор-10, вводят в кровь человека, и через некоторое время бор сорбируется в клетках. Затем опухоль облучают потоком эпитепловых нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом бор-10 происходит ядерная реакция, и образующиеся альфа-частица и ион лития-7 быстро тормозятся и выделяют энергию примерно 2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к ее поражению. Таким образом, если обеспечить более высокую концентрацию бора-10 в раковой клетке по сравнению со здоровой, то бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) позволит осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей». Физические эксперименты и клинические испытания ведутся в мире с переменными успехом. Институт ядерной физики СО РАН подключился к разработке и созданию специализированного ускорительного комплекса для медицинских целей только одиннадцать лет назад, и этот путь привел к успеху.

— Надо понимать, что нейтронозахватная терапия — это пока еще наука, — сказал С. Ю. Таскаев. — И в большей степени наука отработки методик облучения. На Западе нейтронозахватной терапией занимаются, как правило, в университетах на академическом уровне. Раз в два года проводятся конгрессы, на которых физики, химики, медики представляют результаты, и происходит обмен опытом. Весной этого года случилось знаковое событие — создан международный комитет по форсированию исследований, и в середине июня состоялось его первое заседание, на котором я позиционировал нашу установку как пригодную для тиражирования и потенциальную для проведения совместных исследований. У нас в России есть команда, которая на реакторе Московского инженерно-физического института лечит собак. А мы в этом году планируем получить стабильный нейтронный поток, на котором сотрудники Института молекулярной биологии и биофизики СО РАМН проведут предклинические испытания in vitro на культурах клеток.

Физики уверены, что методика БНЗТ будет работать, и нельзя отказываться от подарков природы, которые в ней зримо и незримо присутствуют. Действующий образец тандемного ускорителя хоть сейчас можно запускать в серийное производство. Компактный и относительно дешевый ускорительный источник нейтронов создавался специально для размещения в онкологических центрах. Кроме того, физики надеются продемонстрировать преимущества припорогового режима генерации нейтронов, не требующего существенных затрат на обеспечение радиационной безопасности.

Эксперименты продолжаются. Планируется к 2010 году сформировать терапевтический пучок эпитепловых нейтронов и аттестовать его. Остается проблема с финансированием. Как бы там ни было, физики работали и будут работать ради здоровья людей. Но, как выяснилось, ускоритель-тандем с большим секретом: сборная команда ИЯФ параллельно занимается генерацией монохроматических гамма-квантов. Попросту говоря, новый ускоритель идеально подходит и для поиска взрывчатки в крупных морских портах или на железнодорожных станциях. Взрывчатка — это ведь тоже раковая опухоль нашей жизни.

стр. 8-9

в оглавление

Версия для печати  
(постоянный адрес статьи) 

http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?9+510+1