Протонный медицинский комплекс в ПИЯФ

На базе синхроциклотрона ПИЯФ создан и успешно функционирует с 1975 года медицинский комплекс протонной терапии, благодаря совместным усилиям медиков и физиков двух институтов: Центрального научно-исследовательского рентгенорадиологического института M3 и СР РФ, находящегося в пос. Песочный и ПИЯФ. Следует отметить, что ЦНИРРИ был одним из первых институтов, созданных по инициативе А.Ф. Иоффе в Петрограде в 1918 году. Применение пучков заряженных частиц: электронов, протонов, тяжелых ионов (например, ядер углерода) с энергиями в несколько сот МэВ получило широкое распространение в практике облучательной терапии в последние 50 лет. Такой метод существенно дополнил хорошо всем известную рентгеновскую диагностику и терапию, имея перед ней существенное преимущество — значительно лучшую локализацию пучка на облучаемом объекте по сравнению с рентгенотерапией и, соответственно, уменьшение дозы облучения на окружающих очаг облучения здоровых тканях.

Мировой клинический опыт применения в лучевой терапии тяжелых заряженных частиц, главным образом, протонов, а также а-частиц и тяжелых ионов, составлял на середину 2003 г. свыше 40000 больных. В настоящее время функционируют 25 центров протонной терапии и свыше 14 проектируются для ввода в действие до 2007 г. Первоначально для протонной стереотаксической терапии использовались ускорители предназначенные для исследований по физике Berkley иHarward — в США, Москва, Дубна, Гатчина — в России, PSI (Институт Пауля Шерера) — в Швейцарии. Но с 1990. г. начинают функционировать специальные медицинские ускорители в США (Lomo Linda), во Франции, Германии, Японии. Следует отметить, что хотя в настоящее время в России активно действуют только 3 центра протонной терапии: в Москве (Институт экспериментальной физики), в Дубне и в Гатчине, Россия занимает второе место в мире по числу пациентов, прошедших курс протонной терапии, после США. Подавляющее большинство лучевых терапевтических центров используют метод облучения на «пике Брэгга», когда максимальная энергия заряженных частиц выделяется в конце пробега и может быть локализована в ограниченном объеме облучаемой опухоли. Для этого используются пучки протонов с энергией 70-200 МэВ и техника многопольного облучения с разных направлений, при которой интегральная доза распределяется на большой площади поверхно

стных тканей. Синхроциклотрон в Гатчине имеет фиксированную энергию выведенного протонного пучка — 1000 МэВ. Протоны столь высокой энергии легко проходят сквозь облучаемый объект, производя равномерную ионизацию вдоль своего пути. При этом, разумеется, пропадает эффект увеличения ионизации в зоне облучения за счет пика Брэгга. Однако этот недостаток компенсируется малым рассеянием протонов в веществе. Поэтому, если сформировать узкий, с резкими границами пучок протонов на входе облучаемого объекта, то он остается практически таким же узким и в зоне облучения внутри объекта. В результате применения облучения напролет в сочетании с ротационной техникой облучения можно обеспечить очень высокое отношение дозы в зоне облучения к дозе на поверхности объекта, порядка 200:1. Например, при облучении опухолей головного мозга рентгеновскими лучами, такое отношение составляет 50-60%. Детальные экспериментальные исследования дозных распределений на тканеэквивалентных фантомах, радиобиологические исследования на мелких биологических объектах (дрожжи, клетки опухолей животных), а также на собаках позволили обосновать возможность эффективного клинического применения протонов с энергией 1000 МэВ для лечения разлитых заболеваний головного мозга, часто неподдающихся обычной нейрохирургии.

Базой ПМК ПИЯФ является синхроциклотрон, показанный на рисунке 1. Запущенный в эксплуатацию в 1967 г., он был для того времени одним из крупнейших ускорителей в своем классе. Его магнит весом 8 тыс. тонн с диаметром полюсов около 6 м и сегодня является рекордсменом в мире по этим параметрам. Конечно, строить такой огромный и дорогой ускоритель для медицинских целей никто не станет. Но раз уж он был построен и запущен на физическую программу в 1970 г., почему бы не использовать его для пользы нашим больным. То обстоятельство, что он имеет высокую (1000 МэВ) энергию протонов по сравнению с общепринятой в медицине — (160-200 МэВ) не остановило сотрудников ПИЯФ и ЦНИРРИ (А.А. Воробьев, Н.К. Абросимов, Г.А. Рябов, Б.А. Коннов, В.Б. Низковолос, Д.Л. Карлин и др.) перед попыткой использовать его в медицине. Оказалось, что узкий протонный пучок с размерами на половине интенсивности в 5-6 мм лучше всего приспособлен для лечения различных заболеваний головного мозга, таких как артериовенозные маль формации головного мозга, аденом гипофиза и других заболеваний головного мозга.

Медицинский протонный комплекс состоит из протонного тракта, зала облучения, где расположена часть магнитных фокусирующих элементов и системы контроля пучка, а также установки для стереотаксичекой протонной терапии (УПСТ) (Рис. 2). Управление пучком и УПСТ осуществляется из пультовой, где задаются и контролируются параметры пучка и процесса облучения: форма и интенсивность пучка, скорость вращения стола пациента и фиксатора головы, число и время проходов, поглощенная доза за проход. Из пультовой ведется видеонаблюдение за больным на УПСТ и осуществляется связь с пультом управления синхроциклотроном. Одновременное вращение стола пациента в горизонтальной плоскости на ~40град. и качание фиксатора головы на ~36град. обеспечивают многопольное облучение при сходимости пучка в зоне облучаемого объекта до 0.5град. При этом так называемый изодозный центр облучения, связанный с центром облучаемой опухоли, остается неизменным с точностью ~1 мм. Применяемый метод обеспечивает резкое распределение дозного поля — 20% на мм в направлении пучка протонов и в поперечном направлении. Это очень важно при осуществлении облучения головного мозга, где жизненно важные центры мозга расположены очень тесно и их повреждение привело бы к необратимым последствиям.

Этапы укладки и центрирования больного, фиксирования головы и центрирования осуществляется под рентгенотелевизио иным контролем непосредственно в зале облучения. Кроме того, для дополнительного контроля проводятся обзорные рентгенограммы черепа в боковой и передне-задней проекциях. Время, необходимое для укладки и центрирования больного, составляет 15-25 минут, время облучения от 8 до 20 минут. Качания головы происходят довольно медленно, поэтому больные этого практически не замечают. Хотя следует отметить, что в современных зарубежных облучательных центра (США, Германия, Франция, Япония) пациент располагается на неподвижном столе, а вращается в различных плоскостях пучок протонов. Однако, такой способ центрирования пучка на мишени очень дорог и для России, к сожалению, недоступен. Сотрудниками группы ЦНИРРИ (рук. Д.Л. Карлин) разработано новое устройство для крепления головы пациента на столе, уменьшающее неприятные ощущения больного при качании головы в вертикальной плоскости. Протонная терапия проводится без наркоза. Во время облучения помимо телевизионного контроля с помощью переговорного устройства врач непрерывно общается с больным и следит за его самочувствием (пульс, частота дыхания, ЭКГ) по приборам из пультовой.

 

Подготовка пациентов и результаты лечения

Комплекс протонной терапии в ПИЯФ обеспечивает лечение больных с различными заболеваниями головного мозга, главным образом, из северо- западного региона России. Выявление таких больных, их предварительное клиническое обследование и наблюдение после облучения осуществляется в Центральном рентгено-радиологическом институте при тесном сотрудничестве с другими нейрохирургическими клиниками Санкт-Петербурга. В ЦНИРРИ методами рентгеновской ангиографии и ядерно-магнитной томографии фиксируется расположение облучаемого объекта в голове пациента. Рассчитывается программа облучения для получения необходимых доз в облучаемом объекте и эта программа передается в ПИЯФ на пульт управления, претворяясь в процессе облучения в необходимое число вращений стола пациента при выбранной интенсивности протонного пучка. Пациенты с фиксированными метками для облучения доставляются из ЦНИРРИ в ПИЯФ (Гатчина), где происходит процесс облучения, а затем возвращаются в клинику ЦНИРРИ для прохождения дальнейшего клинического наблюдения.

Опыт протонной терапии на базе синхроциклотрона ПИЯФ за 1975-2003 гг представлен в таблице 1 и на Рис.3. При однократных обращениях дозы варьировались от 40 до 150 Gy. В 142 случаях использовалось многофракционированное облучение. При крупных аденомах гипофиза и артериовенозных аневризмах применялось облучение с 2-х и 3-х зон.

Опыт лечения больных, оценка ближайших и отдаленных результатов его позволяют утверждать, что облучение пучком протонов является эффективным методов лечения эндоселлярных аденом гипофиза. Применения пучка протонов высоких энергий позволяет селективно воздействовать на опухоль гипофиза, безопасно подводить к ним высокие поглощенные дозы.

Как известно, гипофиз, располагающийся примерно в центре головы, является очень важным органом, регулирующим гормональный состав крови, обмен веществ и некоторые другие функции человеческого организма. На Рис.3 показаны результаты протонной терапии соматотропной и пролактиновой аденом гипофиза. В целом, положительный эффект наблюдается в 86-94% случаев заболеваний. Например, при нарушении секреции пролактином у женщин наблюдается нарушение менструального цикла, в дальнейшем приводящее к потере детородной функции. Обычная нейрохирургическая операция по удалению опухоли гипофиза приводит очень часто к потере этой жизненно важной функции женщин. При терапии достигается почти полное выздоровление.

Очень эффективна протонная терапия артериовенозных мальформаций головного мозга (AVM), проявляющихся в «разбухании» сосудов подобно тонкой резиновой трубки и затрудняющим нормальное кровообращение. Объем таких образований достигает 10 см и более. Наиболее успешно проходит лечение неоперабельных AVM с объёмом до 8 куб.см, при этом положительный эффект наблюдается у 74% больных. Нейрохирургические операции на головном мозге являются самыми сложными в медицинской практике. Природа позаботилась о защите головного мозга, поместив его в черепную коробку. Конечно, от топора эта защита не спасет, но она значительно помогает в защите мозга при падениях и незначительных ударах. Однако, это имеет и отрицательную сторону. Чтобы добраться до головного мозга, нужно вскрыть его оболочку, как это делается, например, при пробе арбуза. Я, наверное, единственный из физиков присутствовал на операции по восстановлению кровообращения сосудов головного мозга, проводимой в нейрохирургической клинике Франкфурта, Германии, главным нейрохирургом Германии, профессором Лорентцом в 1996 г. Вы спросите, как я туда попал? Это было время, когда физики и медики Санкт-Петербурга хотели создать АО по протонной терапии и искали пути налаживания связей с зарубежными нейрохирургическими центрами в надежде заполучить у них пациентов для терапии в Гатчине и заработать "на жизнь". Как Вы догадываетесь - ничего из этого не получилось. Так вот по рекомендации известного хирурга Нейрохирургического института им. Поленова Зубкова, безвременно и трагически ушедшего из жизни, зав. нейрохирургической клиники во Франкфурте, профессор Лорентц принял меня и решил показать в натуральном виде эту операцию, приняв меня, видимо, за медика. Не буду описывать как это все выглядит, подобного рода операции — не для слабонервных. Я проходил 2 часа только санобработку и присутствовал непосредственно при операции не более 20 минут. Сама операция длится около 6 часов, Вы видите как хирурги вторгаются в вскрытый головной мозг, удаляют и шунтируют кровеносные сосуды. Каков результат такой операции, проводимой на самом высоком профессиональном уровне. Сами врачи очень осторожно оценивают ее результаты — в лучшем случае как 50% на 50%. Конечно, протонная терапия тоже не универсальна, ее применение дает эффект не при всех, например, размерах AVM. Но она совершенно бескровна, пациент ее переносит безболезненно и во многих случаях она дает хороший результат — полностью излечивает или существенно продлевает жизнь больных. После проведения курса протонной стереотаксической терапии различных заболеваний головного мозга ни у одного больного не выявлены радиационные осложнения ни в ближайшие, ни в отдаленные (до 10 лет) сроки.

Каково сегодня состояние протонной терапии в ПИЯФ? За 29 лет работы МПК выработал свой ресурс: все элементы магнитного тракта протонов, электроника систем слежения и управления пучком, медицинское оборудование. С 1994 по 2002гг институт не получил от государства ни копейки. Только в 2003-2004 гг Правительство Ленинградской области выделило 2100 тыс. руб. на модернизацию МПК. Проведено обновление элементов магнитного тракта, заменена электроника систем управления, полностью компьютеризирована сама система управления процессом облучения. Все сделанное повышает надежность работы аппаратуры, уменьшает время на подготовку больных к облучению и, соответственно, увеличивает пропускную способность комплекса. Но, к сожалению, деньги полностью не решают всех проблем. Главная проблема — с кадрами как в группе технического обслуживания, так и врачами-радиологами ЦНИИРИ. Ощущается острый дефицит в таких специальностях в Петербурге, а без них даже самый совершенный ускоритель мертв для медицины. Но несмотря на все трудности МПК ПИЯФ не прекращал работы в самые трудные 90-ые года, проводя всегда облучения больных бесплатно. Следует сказать, что такие «бескровные» операции стоят на Западе от 10 до 20 тыс. долларов, но там за это платят страховые компании. В Гатчине один сеанс протонной терапии обходится институту в 5 тыс. руб., но не больному. Мы нашли очень хороший способ реализовывать государственные деньги (плата за электричество, оборудование, техническому персоналу ускорительного отдела) на пользу сотрудников ПИЯФ. На основе эквивалентного обмена ЦНИИРИ бесплатно проводит диагностику на томографах и клиническое обследование сотрудников ПИЯФ по профилю своей клиники. Хотелось бы верить, что и дальше наш медицинский центр будет осуществлять медицинскую помощь больным с заболеваниями головного мозга, а также расширит и сам спектр лечения таких болезней, как менингеомы основания черепа, астроцитомы, невриномы слухового нерва, офтальмологические опухоли и др.

А лучше всего — не болеть.

Выражаю благодарность Д.Л. Карлину за полезные обсуждения и В.В. Ольшевской за помощь при подготовке статьи.

 

Главный научный сотрудник,

Доктор физ.мат.наук Д.М. Селиверстов