Разработка высокоэффективных многофункциональных энергетических установок на основе процессов ядерной трансмутации химических элементов (стр. 6 )

Определенные искусственные предметы несовместимы с радиочастотными волнами и магнитными полями, использующимися магнитно-резонансными томографами (например, кардиостимулятор, металлические пломбы, осколки или ферромагнитные клипсы или спицы). Эти предметы могут быть сдвинуты магнитным полем и вызвать серьезные повреждения. Большое число современных металлических имплантатов сделаны из высококачественной нержавеющей стали, которая не магнитна, и с ними можно проходить томографическое исследование.

Можно проходить исследование с зубными пломбами и протезами, хотя некоторые протезы могут препятствовать прохождению радиочастотных волн в тело при отображении головы.

Лица, страдающие клаустрофобией, могут испытывать беспокойство при процедуре измерений.

4.11  Ожидаемые результаты выполнения проекта

Наконец, главным научным результатом реализации проекта «ТОМАР – 450» стало бы продвижение к качественно новым технологиям диагностики in vivo и возможностям обучения студентов и молодых специалистов непосредственно на современных аппаратных средствах диагностики.

Учебно-образовательная функция проекта - обучение студентов направления САУ на конкретных примерах прикладного характера, обучение медицинского персонала работе с современной диагностической аппаратурой, обучение студентов-медиков новым технологиям диагностики, возможность в процессе реализации проекта и в дальнейшем практически совершенствовать полученные навыки, развивая как ПО, так и технологические возможности устройства.

4.12  Проект подготовил:

, кандидат физ.- мат. наук, доцент кафедры САУ университета «Дубна», старший научный сотрудник Объединённого института ядерных исследований (г. Дубна, Московская обл.).

Дом. адрес: г. Дубна, Московская обл., проспект Боголюбова, , тел. дом.- 30728, тел. моб.-.

Примечание 3.6

5  Создание радиологического центра ионной терапии в г. Дубне

Актуальность проблемы лечения онкологических заболеваний общеизвестна. Смертность от этой болезни занимает второе место в мире после сердечно-сосудистых заболеваний. Так, согласно официальной статистике ежегодно в России из 1 миллиона населения заболевает раком примерно 2700 человек и этот показатель с каждым годом устойчиво растет.

Метод лучевой терапии является одним из основных методов лечения этого заболевания. Его рекомендуется применять в 50-70 % случаев как самостоятельно, так и в комбинации с хирургией и химиотерапией, и показания к его применению постоянно расширяются.

Адронная терапия пучками тяжелых ядерных частиц (протонов, нейтронов, ионов и др.) является наиболее эффективным и перспективным направлением радиационной онкологии, отвечающим современным запросам практического здравоохранения. Она обладает целым рядом преимуществ перед обычной лучевой терапией с использованием гамма-квантов или электронов. Так, благодаря свойству тяжелых заряженных частиц создавать в конце своего пробега в веществе максимальное выделение энергии (пик Брэгга) становится возможным прецизионно формировать локализованное выделение дозы излучения в глубоко расположенной опухоли при минимальном облучении нормальных тканей, окружающих опухоль. Кроме того, некоторые из этих частиц (нейтроны, отрицательные пионы, ионы) обладают свойством более эффективного биологического воздействия на обедненные кислородом клетки, что оказывается особенно важным при лечении так называемых, радиорезистентных опухолей, слабо реагирующих на облучение традиционными для радиотерапии источниками радиации.

На сегодняшний день более чем в 25 центрах мира накоплен богатый положительный опыт по использованию протонной терапии при лечении различных новообразований. Только с 1990 по 2004 гг. была начата эксплуатация девятнадцати новых центров для проведения адронной терапии: 6 - в Европе, 7 - в Японии, 5 - в Северной Америке и 1 - в Южной Африке. На пятнадцати из них облучение проводится пучками протонов, на трех – пучками ионов углерода 12С и на одном – как протонами, так и углеродом.

Новым этапом в мировой истории развития радиологии стало создание в 1990 г. первого специализированного, ориентированного на госпитальное использование, центра протонной терапии в г. Лома-Линда (США), в котором ежегодно курс лечения проходят около 1000 пациентов.

На сегодняшний день коммерческое производство таких специализированных центров «под ключ» освоено уже пятью крупными промышленными компаниями Европы, США и Японии. Стоимость оборудования протонного комплекса с двумя процедурными кабинами, например, фирмы IBA составляет 25 миллионов долларов США. Стоимость создания ионного комплекса еще выше и по опыту строительства центра в Гейдельберге (Германия) приближается к 100 миллионам долларов.

Следует отметить, что адронная терапия не заменяет, а лишь расширяет возможности традиционной радиотерапии с использованием электронно-фотонного излучения. Так, на сегодняшний день считается, что на 10 медицинских электронных ускорителей нужно иметь 3 протонных и один углеродный центр радиотерапии.

По Московскому региону, к примеру, для 2 – 3 тысяч больных в год протонная терапия показана как крайне предпочтительный, а порой и единственный, метод лечения целого ряда злокачественных опухолей, которые либо плохо поддаются лечению с помощью традиционного излучения, либо плохо доступны для хирургического удаления. Функционирующие в России центры протонной терапии (Москва, Санкт-Петербург, Дубна) менее чем на 1 % могут удовлетворить эти потребности в целом по стране – на сегодняшний день в них проходят полный курс лечения в общей сложности около 300-400 больных в год.

В России лучевая терапия показана для 200 тысяч пациентов в год. Число пациентов, для которых протонная терапия может дать существенные преимущества – 50 тысяч в год. Число пациентов, обслуживаемых одним специализированным протонным центром – около 1 тысячи в год. В результате, необходимое число протонных терапевтических комплексов для России составляет около 50.

В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ создан и функционирует семикабинный Медико-технический комплекс (МТК), на котором возможно проводить лечение различных новообразований на широких и узких пучках протонов, отрицательных пи-мезонов и нейтронов высоких энергий. Эта деятельность направлена на разработку и совершенствование новых методик и аппаратуры для лучевого лечения и диагностики онкологических больных; расширение круга локализаций, доступных для облучения на медицинских адронных пучках, а также увеличение пропускной способности Медико-технического комплекса. В настоящее время на протонных пучках фазотрона облучается около 100 пациентов ежегодно. Этому в немалой мере способствовало выделение уже двух грантов из программы развития наукоградов.

Наиболее эффективный метод лучевого лечения онкологических заболеваний - облучение злокачественной опухоли ионов углерода высокой энергии. В России ежегодно 300 тыс. онкологических больных нуждаются в такой терапии. В настоящее время терапия ионами углерода применяется только в двух странах мира – Германии и Японии, причем и здесь применение этой прогрессивной методики весьма ограничено ввиду малой пропускной способности соответствующих медицинских центров. В 2002 г. в мире работало 15 центров, облучение в которых проводилось только протонами. В 3 облучение проводилось также и ионами углерода, а в 1 протонами и ионами углерода. В настоящее время реализуется еще 20 проектов ускорителей различных типов для облучения у больных раковых опухолей.

В перечисленных медицинских комплексах используются элементы только традиционных типов - ускорители, источники ионов углерода и системы поворота пучка вокруг пациента (Гантри). Это приводит к весьма большим капитальным затратам на их сооружение и высокой стоимости эксплуатации. Таким образом, сложившийся традиционный подход не позволяет выйти на массовое, доступное для всех нуждающихся пациентов лечение.

Имеющийся опыт создания пучков углерода в ОИЯИ на ускорителе со сверхпроводящими магнитами Нуклотроне и новыми разработками онкологического научного центра РАМН (г. Москва) позволит отказаться от традиционных Гантри путем применения созданной методики облучения вертикально расположенного пациента горизонтальным пучком частиц. В короткий срок представляется возможным создать головной образец, а затем наладить серийное производство доступного для пациентов медицинского комплекса на базе сверхпроводящего синхротрона для лучевого лечения онкологических заболеваний пучком ионов углерода.

5.1  Концепция проекта

Возможность реализации предлагаемого проекта заключается в эффективном использовании уже существующего в ОИЯИ и в городе Дубна потенциала: научных заделов, интеллектуальных возможностей и интеллектуальной собственности; научного и научно-технического обеспечения; международной научно-технической и производственной кооперации; готовности к обеспечению конкурентноспособного производства. Предполагается проект осуществлять в три этапа, причем каждый из них является самостоятельной, функциональной частью общего конечного результата. Время выполнения отдельных этапов зависит, в основной мере, лишь от привлеченных финансовых средств. Работу отдельных этапов можно выполнять параллельно. Этапы проекта следующие. В ходе первого этапа на существующем в ОИЯИ ускорителе со сверхпроводящими магнитами – Нуклотроне, предполагается создание медицинского канала для разработки методов углеродной терапии онкологических заболеваний и приобретения собственного опыта. Второй этап включает создание прототипа медицинского комплекса включающего источник ионов, ускоритель и гантри на базе сверхпроводящих магнитов. Третий этап связан с созданием в Дубне современного центра адронной терапии. Ввиду ограниченных финансовых возможностей в ближайшее время в рамках проекта предполагается осуществить лишь работы первого этапа. По завершении первого этапа станет возможным терапевтическое облучение первых пациентов пучком ионов на медицинском канале нуклотрона ОИЯИ. Создаваемый медико-биологический канал одновременно является эффективным инструментом для молекулярно-биологических исследований, позволяющих выявлять изменения структуры генов животных и человека, вызываемые воздействием ионизирующих излучений с различным значением линейной передачи энергии (ЛПЭ), моделировать биологическое действие тяжелых заряженных частиц космического излучения.

На втором этапе с привлечением частных инвестиций будет осуществляться разработка источника ионов и специализированного медицинского ускорителя на базе сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых до температуры жидкого гелия. Магниты со сверхпроводящими обмотками по сравнению с «теплы­ми», работающими при температуре окружающей среды, имеют ряд важных преиму­ществ: во-первых, значительное уменьшение капитальных затрат и металло­емкости; во-вторых, существенное снижение эксплуатационных затрат, основную долю которых определяет расход электроэнергии. Нельзя не отме­тить и многократное уменьшение габаритов магнитной системы, позволяю­щее изготовить практически все ее элементы на простом станочном оборудо­вании средних размеров. Это дает высокую точность и, в конечном итоге, хо­рошее качество магнитного поля.

Сверхпроводящий магнит будет использован в источнике ионов углерода. Работающий в ОИЯИ прототип такого источника основан на обнаруженном и исследованном здесь феномене электронной струны, существующей в сильном магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим соленоидом. Источник такого типа уникален, по своим параметрам он далеко превосходит существующие мировые аналоги.

В ОИЯИ успешно эксплуатируется сверхпроводящий синхротрон Нуклотрон с энергией частиц в десятки раз большей, чем необходимо в медицинских целях. При наличии Нуклотрона создание прототипа специализированного медицинского ускорителя сравнительно небольшого размера не будет сложной задачей.

В литературе нет сообщений о работающей гантри для ионов углерода. Причина этого очевидна – сложность создания подобного сооружения. Существуют пока только различные, довольно громоздкие конструкторские решения, например, один из проектов (GSI) имеет параметры – вес 670 тонн, длина – 19 м, радиус – 6,5 м. Использование сверхпроводящих элементов в магнитной системе гантри позволит многократное уменьшение габаритов магнитной системы. Второй возможностью является принципиально новая, защищенная патентами медико-техническая система протонной терапии «СИСТЕМА-АГ», которая позволяет облучать вертикально расположенного пациента горизонтальным пучком протонов. Результатом второго этапа будет первый сверхпроводящий комплекс для будущих медицинских центров. Успешное выполнение второго этапа будет мотивировать инвесторов вкладывать средства в третий этап развития проекта. ОИЯИ как международный центр проводит ежегодно более 50 различных международных мероприятий с общим количеством участников со всего мира - несколько тысяч. Этим создаются благоприятные условия для дополнительного маркетинга.

На третьем этапе развития проекта планируется создание в Дубне современного онкологического медицинского центра, включающего отделения терапии и диагностики злокачественных опухолей на базе высоких технологий нового поколения. Аналогичный проект осуществляется в Словацкой Республике (Циклотронный Центр СР) и предполагается осуществить в Республике Казахстан.

5.2  Цель проекта

Целью проекта является создание на базе существующего клинико-физического комплекса протонной терапии и ускорителя тяжелых ионов «Нуклотрон» Объединённого института ядерных исследований медицинского центра для лечения различных форм раковых заболеваний с использованием протонов и ускоренных ионов углерода.

5.3  Подходы к решению основных задач

Возможность реализации предлагаемого проекта заключается в эффективном использовании уже существующего в ОИЯИ и в городе Дубна потенциала: научных заделов, интеллектуальных возможностей и интеллектуальной собственности; научного и научно-технического обеспечения; международной научно-технической и производственной кооперации; готовности к обеспечению конкурентноспособного производства. В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ на базе фазотрона (ускорителя протонов) создан и функционирует семикабинный Медико-технический комплекс (МТК), на котором возможно проводить лечение различных новообразований на широких и узких пучках протонов, отрицательных пи-мезонов и нейтронов высоких энергий. Такой набор адронных пучков является уникальным, его нет ни в одном из существующих центров в мире.

В одной из процедурных кабин комплекса впервые в России была реализована и в настоящее время применяется в сеансах терапии методика трехмерного конформного облучения глубоко залегающих опухолей протонным пучком, при которой максимум формируемого дозного распределения наиболее точно (до миллиметров) соответствует форме мишени. При этом доза резко спадает за границами мишени, что позволяет проводить облучение ранее не доступных для лучевой терапии локализаций.

Эффективность лечения в МТК оказывается достаточно высокой для широкого круга локализаций: это, прежде всего, новообразования головного мозга, рак носо - ротоглотки, шеи, легкого, простаты, шейки матки и др. И этот список год от года увеличивается благодаря постоянной работе над новыми методами фиксации и облучения пациентов.

Для диагностики и предлучевой топометрии пациентов сотрудниками МТК были разработаны и созданы оригинальные установки: рентгеновский, протонный и позитронный эмиссионный томографы.

В Дубне создан и функционирует радиологический стационар на 20 коек, где пациенты находятся под постоянным квалифицированным медицинским контролем во время прохождения курса протонной терапии. Предлучевую подготовку и облучение проводят 4 врача радиолога. Научное сопровождение осуществляется специалистами Медицинского радиологического научного центра (г. Обнинск).

В Лаборатории высоких энергий в настоящее время начата реализация исследовательской программы по созданию комплекса оборудования для проведения радиотерапии на пучках ионов углерода, которая наиболее полно отвечает современным запросам радиологии. В программе намечено 3 основных этапа работ, в результате выполнения которых планируется создать центр со специализированным сверхпроводящим ускорителем ионов, каналами транспортировки пучка и тремя процедурными кабинами, оснащенными всем необходимым медико-техническим оборудованием.

Осуществление программы по развитию адронной терапии невозможно без детального исследования особенностей биологического действия ускоренных заряженных частиц различных энергий на здоровые и раковые клетки. В этом направлении уже много лет работает Лаборатория радиобиологии ОИЯИ и кафедра биофизики университета «Дубна». Кафедра биофизики, выпускает инженеров-физиков по специальности «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» и обеспечивает подготовку специалистов, как в различных областях современной биологии, так и в области физики защиты и дозиметрии ионизирующих излучений. На кафедре планируется открытие новой специализации «Медицинская физика», которая позволит обеспечить необходимыми кадрами радиологический центр в Дубне.

5.4  Инновационная привлекательность

Создание медицинского центра для лечения различных форм раковых заболеваний с использованием ускоренных ионов углерода планируется впервые. В настоящее время терапия ионами углерода применяется только в двух странах мира – Германии и Японии. Поскольку в России ежегодно 300 тыс. онкологических больных нуждаются в такой терапии, создание подобного медицинского центра в Дубне, несомненно, имеет высокую инновационную привлекательность.

5.5  Основные задачи проекта, включая разработку и приобретение нового ПО, повышение квалификации преподавателей, новые образовательные технологии на основе ИТ

В ходе реализации проекта будут решены следующие основные задачи:

·  на существующем в ОИЯИ ускорителе со сверхпроводящими магнитами – Нуклотроне создан медицинский канал для разработки методов углеродной терапии онкологических заболеваний и приобретения собственного опыта;

·  создана в городе Дубна современная клиническая база для ионной терапии;

·  обеспечен доступ практикующих врачей к современным радиологическим ресурсам;

·  разработаны новые энергосберегающие технологии для медицинского комплекса ионной терапии, обеспечивающие конкурентные позиции на рынках наукоемкой продукции;

·  разработаны новые подходы и методы для прецизионной дозиметрии медицинских пучков ионов различных энергий;

·  разработаны учебные программы и организовано проведение обучения по прецизионной дозиметрии медицинских пучков ионов различных энергий;

·  разработаны учебные программы по исследованию биологической эффективности пучков ионов различных энергий.

5.6  Необходимые мероприятия для реализации проекта (схема выполнения проекта, включая затраты на выполнение работ, приобретение оборудования, программного обеспечения по месяцам в течение 2-х лет – г. г.)

6.1 Структурно-логическая матрица

Общая цель проекта	Индикаторы прогресса	Способ измерения индикаторов
Создание медицинского центра для лечения раковых заболеваний с использованием протонов и ускоренных ионов углерода	Терапевтическое использование пучка ускоренных ионов углерода
Специфические цели проекта	Индикаторы прогресса	Способ измерения индикаторов	Предположения и риски
1. Создание экспериментальной зоны в Измерительном павильоне ЛВЭ	Создание экспериментальной зоны	Официальные отчеты
2. Создание канала транспортировки пучков протонов и тяжелых ионов	Создание канала транспортировки	Тестовые испытания
3. Создание системы формирования и диагностики пучка в процедурной кабине	Создание системы формирования и диагностики пучка	Тестовые испытания
4. Приобретение терапевтического кресла с системой центрации и фиксации пациента		Официальный отчет
5. Разработка и совершенствование детекторов для клинической дозиметрии адронных пучков	Разработка детекторов	Тестовые испытания
6. Проведение молекулярно-биологических исследований, направленных на определение биологической эффективности ускоренных ионов углерода	Проведение молекулярно-биологических исследований	Официальный отчет
7. Создание элементов прототипа сверхпроводящего ускорителя, отвечающего требованиям лучевой терапии	Разработка элементов прототипа ускорителя	Официальный отчет
8. Создание проекта магнито-оптической системы транспортировки пучка к пациенту на базе сверхпроводящих компактных магнитов	Создание проекта системы	Официальные отчеты
9. Разработка учебных программ и проведение обучения по прецизионной дозиметрии медицинских пучков ионов различных энергий	Разработка учебных программ	Официальные отчеты
10. Разработка учебных программ по исследованию биологической эффективности пучков ионов различных энергий	Разработка учебных программ	Официальные отчеты
Результаты	Индикаторы прогресса	Способ измерения индикаторов	Предположения и риски
1.1 Создание экспериментальной зоны в Измерительном павильоне ЛВЭ	Создание экспериментальной зоны	Официальные отчеты
2.1 Формирование канала транспортировки пучков протонов и тяжелых ионов	Создание канала транспортировки	Тестовые испытания
3.1. Создание системы формирования и диагностики пучка в процедурной кабине	Создание системы формирования и диагностики пучка	Тестовые испытания
4.1. Приобретение терапевтического кресла с системой центрации и фиксации пациента		Официальный отчет
5.1. Разработка новых и совершенствование имеющихся детекторов для клинической дозиметрии адронных пучков	Разработка детекторов	Тестовые испытания
6.1 Установление коэффициентов относительной биологической эффективности ионов углерода на разных участках кривой Брэгга по различным биологическим критериям	Проведение радиобиологических экспериментов	Официальные отчеты
7.1. Создание элементов прототипа сверхпроводящего ускорителя, отвечающего требованиям лучевой терапии	Разработка элементов прототипа ускорителя	Официальные отчеты
8.1. Создание проекта магнито-оптической системы транспортировки пучка к пациенту на базе сверхпроводящих компактных магнитов	Создание проекта системы	Официальные отчеты
9.1. Разработка учебных программ и проведение обучения по прецизионной дозиметрии медицинских пучков ионов различных энергий	Разработка учебных программ	Официальные отчеты
10.1. Разработка учебных программ по исследованию биологической эффективности пучков ионов различных энергий	Разработка учебных программ	Официальные отчеты
Мероприятия	Требуемые ресурсы	Предположения, риски и предварительные условия
Срок выполнения (нед.)	Труд-сть в чел/день	Стоимость тыс. руб.
1.1.1 Создание экспериментальной зоны в Измерительном павильоне ЛВЭ	30	800	2500
2.1.1. Формирование канала транспортировки пучков протонов и тяжелых ионов	30	300	5000
3.1.1 Создание системы формирования и диагностики пучка в процедурной	52	700	5000
4.1.1 Приобретение терапевтического кресла с системой центрации и фиксации пациента		-	6500
5.1.1 Разработка новых и совершенствование имеющихся детекторов для клинической дозиметрии адронных пучков	52	500	4400
6.1.1. Установление коэффициентов относительной биологической эффективности ионов углерода на разных участках кривой Брэгга по различным биологическим критериям	20	500	2300
7.1.1. Создание элементов прототипа сверхпроводящего ускорителя, отвечающего требованиям лучевой терапии	52	600	2000
8.1.1. Создание проекта магнито-оптической системы транспортировки пучка к пациенту на базе сверхпроводящих компактных магнитов	52	800	2000
9.1.1. Разработка учебных программ и проведение обучения по прецизионной дозиметрии медицинских пучков ионов различных энергий	4	2/30	50
10.1.1. Разработка учебных программ по исследованию биологической эффективности пучков ионов различных энергий	4	2/30	50
ИТОГО:	288	4200	29,800

5.7  Участники реализации проекта

·  Университет «Дубна»

·  Объединенный институт ядерных исследований (Лаборатория высоких энергий, Лаборатория ядерных проблем, Лаборатория радиационной биологии)

·  Администрация г. Дубна

5.8  Ожидаемые результаты выполнения проекта

1). Конечной продукцией реализации этого проекта является создание терапевтического участка для отработки методов лечения пациентов путем облучения злокачественной опухоли пучком ионов углерода.

2). На Нуклотроне ОИЯИ будет сформирован канал ионов углерода 12С с энергией до 400 МэВ/нуклон с интенсивностью и параметрами необходимыми для облучения пациентов по методике, успешно используемой на участке протонной терапии в ОИЯИ.

3). Медицинская кабина для облучения пациента будет оборудована терапевтическим креслом, системой формирования, контроля и диагностики пучка.

4). Результаты реализации данного проекта необходимы и будут использованы при создании технического проекта прототипа сверхпроводящего медицинского комплекса (второй этап).

5). Долгосрочным следствием реализации пректа предполагается освоение производства комплексов на базе сверхпроводящих технологий для ионной терапии онкологических заболеваний и их продажа на мировом рынке.