Сибирское отделение российской академии наук

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера

630090 Новосибирск, Россия

SIBERIAN BRANCH OF RUSSIAN

ACADEMY OF SCIENCE

Budker Institute of Nuclear Physics

630090 Novosibirsk, Russia




Телефон/Phone: (383) 329-42-89. E-mail: [email protected]. Факс/Fax: (383) 330-71-63

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОГО ПРОЕКТА УСКОРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕРАПИИ НА ОСНОВЕ СИНХРОТРОНА С-230

Новосибирск, 2010
Учреждение Российской академии наук

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г. И. Будкера

Сибирского отделения РАН

(ИЯФ СО РАН)
УТВЕРЖДАЮ:

Директор ИЯФ СО РАН

академик
_________________А. Н. Скринский

24 декабря 2010 г.

Опытно-конструкторской работа:

«Разработка физического проекта ускорительного комплекса для медицинской терапии на основе синхротрона С-230»


Государственный контракт № 1251 от 10.11.10 г.
Научно-технический отчет

(заключительный)

Руководитель работы:

Зам. директора ИЯФ СО РАН,

д. ф.-м. н. _______________ Е.Б.Левичев

1. Общая компоновка комплекса
1.1 Введение

Радиационная терапия рака широко применяется и продолжает активно развиваться в течение последних десятилетий. Это стало возможным, в первую очередь, в связи с улучшением локализации терапевтической дозы в объеме опухоли. Не менее важным фактором является значительный прогресс различных диагностических методик, таких как КТ (компьютерная томография), МРТ (магнито-резонансная томография) и ПЭТ (позитрон-эмиссионная томография). В развитых странах радиационная терапия применяется примерно в половине от общего количества случаев. В России около 300 000 пациентов в год нуждается в радиотерапии, однако необходимого оборудования недостаточно, а имеющееся сильно устарело.

Распространенные методы радиационной терапии, использующие облучение опухоли фотонами или электронами, имеют ряд значительных ограничений, связанных с повышенным поражением окружающих здоровых тканей. Доза, выделяемая фотонами в тканях, быстро падает в зависимости от пройденного пути. Соответственно в случаях, когда опухоль расположена достаточно глубоко, большая часть дозы выделяется в тканях вблизи поверхности тела. Значительное поперечное рассеяние фотонов при прохождении через ткани затрудняет формирование четких границ поля облучения. Это накладывает ограничения для использования γ-терапии в случаях, когда опухоль расположена в непосредственной близости от так называемым органов риска, то есть органов, воздействие излучения на которые должно быть минимизировано.

В сравнении с радиотерапией фотонами и электронами, использование пучков протонов и ионов имеет ряд преимуществ. В-первых, ионы и протоны при прохождении через вещество выделяют большую часть своей энергии в конце пробега, так называемый пик Брэгга. Во-вторых, ионы и протоны слабо рассеиваются при прохождении через ткани. Эти баллистические особенности позволяют значительно сократить радиационную нагрузку на окружающие здоровые ткани. Ионы, кроме этого, обладают повышенной относительной биологической эффективностью, что позволяет снизить общую дозу необходимую для терапии и эффективно использовать их для лечения резистентных опухолей.

Рис.1.1. Распределение поглощенной дозы по глубине для различных видов излучения.

Клинические исследования ионной и протонной терапии рака были начаты более 50 лет назад, практически во всех развитых странах мира, в том числе и в СССР. Более 60 000 пациентов в мире было пролечено с помощью ионной или протонной терапии. Первые исследования проводились на экспериментальных установках для ядерной физики. Очевидно, что такие центры не могут обеспечить массовое применение адронной терапии, ввиду высокой стоимости сеанса терапии и малой пропускной способности. Долгое время основным ограничением широкого применения ионной и протонной терапии рака являлось отсутствие недорогого специализированного ускорительного комплекса. В настоящее время происходит качественный переход от научно-исследовательских разработок к серийным установкам для массовой терапии онкологических заболеваний.

В ПИЯФ им. Б.П.Константинова с 1975 года действует центр протонной терапии на базе синхроциклотрона [1]. Пучок протонов с энергией 1000 МэВ проходит пациента насквозь с равномерным выделением энергии. Концентрация выделения энергии в мишени достигается за счет следующих факторов:

1. 
   Изменение направления облучения пациента путем медленного поворота пациента и его головы в двух плоскостях относительно оси пучка.
   
2. 
   Фокусировка протонного пучка квадрупольными линзами в точку облучения.
   
3. 
   Малое поперечное рассеяние пучка высокой энергии в теле пациента.
   

С помощью указанных мер удалось получить соотношение доз в мишени и на поверхности 1:200. Для целей протонной терапии в специальном зале для медицинских облучений сформирован пучок диаметра 3-5 мм с малым фоном вторичных частиц. Сформированный пучок позволил Гатчинскому центру протонной терапии сконцентрироваться на бескровных хирургических операциях, на участках головного мозга, находящихся вблизи жизненно важных центров. В Гатчинском центре протонной терапии прошли лечение более 1300 пациентов.

Несмотря на то, что протонная терапия с использованием пуска с энергией 1000 МэВ дает очень хорошие результаты, ее применение целесообразно для ограниченного ряда заболеваний головного мозга. В связи с этим для увеличения спектра заболеваний пациентов, которые могут лечиться в центре протонной терапии в Гатчине, в ПИЯФ принято решение о модернизации центра протонной терапии, для лечения больных с онкологическими заболеваниями внутренних органов, с использованием пика Брэгга пучками протонов с энергией в диапазоне 100 - 230 МэВ.

Рассматривалась возможность получения пучков протонов необходимой энергии путем замедления в поглотителе, пучка выпущенного из синхроциклотрона [2]. Такой метод был реализован при создании медицинского пучка на фазотроне в Дубне [3]. Проведенные расчеты показали, что таким методом на Гатчинском синхроциклотроне можно получить медицинский протонный пучок с энергией 140 – 230 МэВ, который обеспечивает среднюю скорость набора дозы в центральной части пучка, которая содержит примерно до 40% интенсивности, в диапазоне 0.7 – 0.4 Гр/мин. Поперечные размеры пучка характеризуются среднеквадратичным отклонением 1.5 -3 см.

В то же время в ПИЯФ принято решение о строительстве специализированного комплекса для протонной терапии на основе циклотрона Ц-80 и синхротрона С-230. Циклотрон Ц-80, разработанный совместно ПИЯФ и НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, обеспечивает пучок протонов с энергией до 80 МэВ и током до 100 μА. Циклотрон предназначен для лечения офтальмологических заболеваний путем облучения глазного яблока пациента, а также для наработки самого широкого спектра медицинских радионуклидов для диагностики и терапии. Кроме того циклотрон является инжектором для синхротрона С-230.

Синхротрон С-230 предназначен для генерации медицинского протонного пучка в диапазоне энергий 100 -230 МэВ со средней скоростью набора дозы 2 – 10 Гр/мин. Пучок из циклотрона по инжекционному транспортному каналу инжектируется в синхротрон и ускоряется до необходимой энергии. Пучок протонов, выпущенный из синхротрона, доставляется по транспортному каналу высокой энергии к облучательным портам.

Комплекс оборудован четырьмя облучательными портами, облучательный порт №1 - офтальмологический, использует протонный пучок, выпущенный из циклотрона, остальные порты предназначены для использования протонного пучка выпущенного из синхротрона. Облучательный порт №2 – терапевтический, горизонтальный, фиксированный, оборудованный 6-мерной роботизированной системой позиционирования пациента. Облучательный порт №3 – терапевтический, оснащенный системой гантри. Облучательный порт №4 – технологический, горизонтальный, фиксированный, предназначается для биофизических, медицинских, материаловедческих и др. исследований и приложений. Технологический порт спроектирован таким образом, чтобы имелась возможность простой модернизации в терапевтический облучательный порт при добавлении системы позиционировании пациента и системы верификации положения пациента.

Все системы комплекса охвачены единой автоматизированной системой контроля и управления. Система управления может быть условно разбита на следующие составные части: система управления ускорителем и каналами, управление системой формирования дозного поля, измерение дозного поля, наблюдение за пациентом, связь с радиологической информационной системой и системой планирования лечения.
1.2 Основные параметры комплекса

Основные параметры ускорительного комплекса и требования к терапевтическому пучку приведены в Таб.1.1.

Таб.1.1 Основные параметры комплекса:

№ п/п	Наименование технического параметра	Значение параметра
1	Тип частиц	Протоны
2	Тип ускорителя	Синхротрон
3	Энергия выпуска частиц	100 – 230 МэВ
4	Количество облучательных портов	3
5	Облучательный порт №2	Терапевтический, горизонтальный фиксированный
6	Облучательный порт №3	Терапевтический, гантри
7	Облучательный порт №4	Технологический, горизонтальный фиксированный
8	Тип инжектора	Циклотрон Ц-80
9	Энергия инжекции	60-70 МэВ
10	Тип инжекции	Многооборотная
11	Частота повторения (макс.)	1 Гц
12	Выпуск	Медленный 1-10 с
13	Число уровней энергии	Не менее 130
14	Максимальная интенсивность	1010 частиц/с
15	Средняя интенсивность	Не менее 109 частиц/с
16	Модуляция энергии выпущенного пучка	10 % модуляция энергии в течение 100 мс
17	Система формирования дозного поля	Пассивная схема с рассеиванием, сканирование, синхронизация с дыханием пациента
18	Модуляция пика Брэгга	0.2 см (для SOBP < 5 см) 0.5 см (для SOBP > 5 см)
19	Средняя доза	2 – 10 Грей/мин
20	Размер дозного поля	20 х 20 см2
21	Точность выделяемой дозы	± 2 %
22	Однородность дозного поля	± 5 %
23	Симметрия дозного поля	> 95%
24	Поперечный спад дозного поля	Не более 2 мм сверх физического предела.
25	Продольный спад дозного поля	Не более 0,3 г/см сверх физического предела.
26	Расстояние от источника до поверхности	Не менее 2 м
27	Отклонение пучка от изоцентра	± 0.5 мм
28	Время сброса пучка	< 10 мс
29	Среднеквадратичный размер пучка в изоцентре	2-10 мм
30	Точность положения изоцентра	Сфера радиусом 0.5 мм
310	Система позиционирования пациента для фиксированного порта	6D роботизированная кушетка, возможность установки кресла
32	Стол кушетки	Съемный, совместимый с системой транспортировки пациента и системами диагностики
33	Диапазон горизонтальных перемещений	±1000 мм в обоих направлениях
34	Диапазон вертикального перемещения	От 700 до 1300 мм
35	Вращение вокруг вертикальной оси	±185°
36	Продольный наклон (макс)	±30°
37	Поперечный крен (макс)	±15°
38	Точность перемещения	±0.5 мм
39	Точность вращения	±0.1°
40	Максимальный вес пациента	200 кг
41	Система верификации положения пациента для фиксированного порта	Стереотактическая рентгеновская система
42	Диапазон вращения системы верификации	±180°
43	Точность вращения системы верификации	±0.1°
44	Точность положения рентгеновской трубки	±0.15 мм
45	Точность положения детектора	±0.15 мм
46	Тип гантри	Изоцентрическая
47	Угол вращения гантри	±185°
48	Шаг вращения гантри	1°
49	Точность поворота гантри	±0.25°
50	Скорость вращения гантри	6°/с
51	Система позиционирования для порта гантри	Роботизированная кушетка
52	Точность перемещения	±0.5 мм
53	Система верификации положения пациента для порта гантри	Стереотактическая рентгеновская система

1.3 Согласование схемы размещения ускорительного комплекса

Ускорительный комплекс располагается на территории ПИЯФ, и частично использует существующее радиационно-защищенное здание.

Синхроциклотрон расположен в центральной части здания в отдельном зале. Транспортные каналы выводят пучок протонов в экспериментальный зал. Циклотрон, синхротрон и офтальмологический облучательный порт предполагается разместить в свободной части экспериментального зала.

После выхода из циклотрона, находящегося в правой стороне экспериментального зала (первый этаж), пучок направляется в переключающий магнит. При использовании пучка для глазной терапии, магнит поворачивает пучок на 20º вправо от оси и далее по прямолинейному участку доставляется в офтальмологический порт.

Для наработки изотопов пучок поворачивается магнитом на 15° влево от оси, затем на 45° вниз, в подвал, затем на 45° вверх и трассируется в горизонтальной плоскости. Далее протонный пучок может быть выведен на одну из мишенных станций: а) с поворотом на 25° по часовой стрелке от “нулевого“ пучка на мишень изотопного масс-сепаратора; b) “нулевой” пучок на мишень на первой мишенной станции; c) с поворотом на 25° против часовой стрелки на мишень на второй мишенной станции.

Для инжекции протонов в синхротрон пучок поворачивается магнитом 15° влево (как для наработки изотопов), затем проходит по прямолинейному участку, сквозь 45° поворотный вертикальный магнит (поле в магните выключено). Далее по инжекционному каналу, пучок обходит сверху магнит синхротрона, поворачивается на 180°, по часовой стрелке, и с внутренней стороны, сверху, инжектируется в синхротрон. Синхротрон также расположен в экспериментальном зале (первый этаж).

После ускорения пучок выпускается вверх в канал высокой энергии. Пучок обходит магнит синхротрона сверху, затем спускается на уровень медианной плоскости и справа от двери экспериментального зала выводится в пристройку. В пристройке расположены облучательные порты, за исключением порта №1.

Пучок транспортируется прямо и может быть повернут на 60° вправо пререключающими магнитами к облучательным портам. Первый переключающий магнит направляет пучок к технологическому порту. Второй переключающий магнит направляет пучок к терапевтическому горизонтальному фиксированному порту. Третий переключающий магнит направляет пучок к терапевтическому порту гантри. Если все переключающие магниты выключены, пучок транспортируется до конца транспортного канала и сбрасывется в поглотитель. Такая схема расположения обеспечивает достаточную степень защиты от несанкционированного облучения пациента, и позволяет, в случае необходимости, нарастить число облучательных портов. Пристройка имеет следующие размеры: длина 55 м ,ширина 40 м (в самом широком месте).

Размеры облучательных комнат для фиксированных портов 7.68 х 7.5 м², высота потолка 5.7 м. Размеры комнаты гантри 17.7 х 12 м², высота потолка 14 м, пол комнаты гантри находится на уровне -4.5 м (ниже уровня пола экспериментального зала). Комната гантри должна быть оборудована мостовым краном с грузоподъемностью 50 т. Каждая облучательная комната имеет радиационную защиту, как от транспортного канала высокой энергии, так и от других облучательных комнат. Каждая комната имеет отдельный вход оборудованный лабиринтом, с шириной прохода 2 м, достаточной для транспортировки пациента. Все входы соединены общим коридором, с которым соединяются комнаты подготовки пациентов (например, через лифты, если комнаты подготовки расположены на втором этаже пристройки, над облучательными фиксированными портами).

Между технологическим портом и внешней стеной экспериментального зала организован лабиринт для доступа в помещение, где расположен канал высокой энергии.

Комнаты для электроники, пультовая, комнаты для планирования лечения и др. помещения находятся за пределами радиационно-защищенного помещения.

Рис.1.2. План ускорительного комплекса.

Рис.1.3. Размещение ускорительного комплекса (каналы не показаны).


Рис.1.4. Размещение ускорителей в экспериментальном зале (каналы не показаны).

Рис.1.5. Размещение комнат облучения в пристройке (каналы не показаны).
1.4 Определение конфигурации инжекционного канала и его согласование с системой транспортировки пучка от циклотрона

Инжектором синхротрона С-230 служит циклотрон Ц-80. Исходя из выполненных в ПИЯФ расчетов параметров выпущенного пучка, выбрана энергия инжекции 60 МэВ. Взаимное расположение циклотрона, глазного порта, синхротрона и пристройки ведут к необходимости поворота транспортного канала (впуска или выпуска) на 180°. Исходя из соображений экономии и удобства, естественно поворачивать канал инжекции, максимально упрощая канал высокой энергии. Также принято решение инжектироваться с внутренней стороны синхротрона, иначе мешает офтальмологический порт.


Рис.1.6. Циклотрон Ц-80.

Рис. 1.7. Фазовые эллипсы выведенного пучка с энергий Т =40, 60, 70 МэВ. Чёрная пунктирная линия – фазовый эллипс на перезарядной фольге; cиняя пунктирная линия – на входе в корректирующий магнит; сплошная синяя линия – на выходе из корректирующего магнита.

Таб. 1.2. Дисперсии пучков (на 100%)

T, МэВ	На входе в магнит		На выходе из магнита
	D, см	D’, рад	D, см	D’, рад
40	105.46	1.03	141.24	0.91
60	65.44	0.66	98.69	1.04
70	51.28	0.52	83.95	1.06

Таб.1.3 Параметры фазового эллипса на выходе из корректирующего магнита для энергий 40, 60 и 70 МэВ.

T, МэВ	40		60		70
	ξ	z	ξ	z	ξ	z
α	-1,793	-5,079	-2,631	0,022	-3,562	-3,123
β, мм/мрад	5,801	5,010	3,307	4,657	3,559	62,220
γ, мрад/мм	0,727	5,348	2,395	0,215	3,845	0,173
ε, мммрад	5,4	3,8	5,9	2,1	5,6	1,2

Рис. 1.8. Взаимное размещение ускорителей и офтальмологического порта в экспериментальном зале.