Проект для обсуждения.
advertisement
1
О возможности развития ионной терапии в ИТЭФ
М.М.Кац ИТЭФ
НТС-3 23.10.2012
План
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Цель, потребности, трудности.
Современное состояние протонной и ионной терапии в мире и в России.
Что надо для успешной работы центра терапии пучками протонов и
ионов?
Как распределяется биологическая доза при облучении протонами и ионам
(С+6) в объеме мишени.
Почему при облучении большинства мишеней надо иметь возможность
выбирать направления облучения.
Как устроено ГАНТРИ и почему при транспортировке ионов ГАНТРИ
желательно не применять.
Плоские системы – компромисс и альтернатива ГАНТРИ.
Возможности создания в ИТЭФ на базе синхротрона УК центра облучения
пучками ионов и протонов.
Последовательность работ.
Сравнение предлагаемого центра с существующими и проектируемыми
центрами.
Литература.
Данные о работающих центрах протонной и ионной терапии в мире на
конец 2011г.
2
1.
Цель, потребности, трудности.
Онкологические заболевания являются массовыми и опасными для жизни.
Только в Москве за год регистрируется около 30000 новых больных [1].
С онкологическими мишенями наряду с операциями и лекарствами надо
бороться радиацией, подавляя клетки опухолей в мишени [2]. Радиационное лечение
полезно примерно для половины больных.
Обычно (в 99%) для облучения применяют разные гамма установки.
Облучение тяжелыми заряженными частицами имеет значительное
преимущество по сравнению с применением пучков гамма-квантов из-за
возможности при облучении минимально повреждать здоровые ткани из-за
максимального выделения частицей энергии в конце пробега (пика Брега) [3].
Однако установки для лечения протонами очень громоздки и дороги. Поэтому
их внедрение идет медленно и с трудом.
Терапия онкологических заболеваний пучками ионов (углерода) позволяет не
только уменьшить вредное облучение здоровых тканей около мишени, но и бороться
с радиорезистентными опухолями, с которыми не могут бороться пучки гаммаквантов или протонов. Таких опухолей около 10% от их общего числа. Поэтому в
последние 15 лет во всех центрах протонной терапии проводятся исследования в
направлении применения ионной терапии. [4-10].
На пути внедрения ионной терапии есть существенные трудности.
Оборудование для ионной терапии по сравнению с аналогичным оборудованием
для терапии пучком протонов в 2-3 раза более громоздкое и более дорогое.
Относительная биологическая эффективность ионов к настоящему времени
измерена не для всех условий облучения, не для всех тканей, и не всегда с
достаточной точностью.
В зависимости от пробега иона в веществе есть вероятность его развала
(фрагментации) на более легкие частицы, которые выделяют энергию за пиком
Брега.
Не во всех странах приняты правила и стандарты на облучение ионами
(например, в США и России – не приняты, а в Японии пациент сам дает согласие на
экспериментальное лечение).
Однако последние 10 лет в мире идет интенсивное развитие центров ионной
терапии. [11]. Накопленный опыт лечения пучками ионов примерно в 10 раз меньше,
чем для пучков протонов.
В этой работе предлагается создать в Москве на базе ИТЭФ центр ионной
и протонной терапии, который при относительно малых затратах по своим
параметрам превзойдет все существующие и проектируемые центры терапии
пучками ионов.
3
2. Современное состояние протонной и ионной терапии
в мире и в России.
Сейчас в мире работает около 40 центров протонной терапии, в них около 70
процедурных комнат и около 40 ГАНТРИ, облучают в мире около 5000 пациентов в
год [11].
Современный стандарт на центр протонной терапии – ускоритель – 3-5 комнат,
(в них 2-4 ГАНТРИ), годовая производительность до 1500 пациентов в год [12, 13].
Сейчас строится 2-3 новых центра облучения протонами в год. Время
строительства 3-4 года. Время освоения оборудования 3-5 лет. Цена каждого центра
около 100 МЕu.
На рис. 1 показана схема стандартного центра протонной терапии [12, 13] с
циклотроном (1), системой (2) выделения полезного пучка (ESS), каналами (3)
транспортировки полезного пучка к трем процедурным комнатам, две из которых
оборудованы ГАНТРИ системами (4). В третьей комнате (5) горизонтальный пучок
применяется для лечения глаз и внутричерепных мишеней.
4
1
2
0
4
3
3
5
3
20m
3
40m
Рис. 1. Схема стандартного центра протонной терапии.
Сейчас в мире работает около 6 центров ионной терапии [11]. Как правило,
пучок направляется к пациенту с фиксированных направлений (обычно только с
горизонтального). Единственное ГАНТРИ на теплых магнитах было построено в
Гайдельберге в 2009 году [14, 15], но пока не работает. Облучают ионами в мире
менее 1500 пациентов в год.
Современный стандарт при разработке новых центров ионной терапии –
синхротрон – 3 комнаты с фиксированными пучками без ГАНТРИ [11]. Очевидно,
что выбирать оптимальные направления облучения в таких условиях нельзя. Цена
каждого центра около 200 MEu.
В Японии надеются сделать через 2 года одно ГАНТРИ на сверхпроводящих
магнитах. Аналогичные планы есть у фирмы IBA.
60m
4
Планы создания и использования существующих возможностей
по терапии пучками в России.
Дмитровград – через 2 года будет построена стандартная (ОИЯИ+IBA)
протонная система с двумя ГАНТРИ [12, 13].
Протвино – В.Е.Балакин усовершенствует свой компактный малоинтенсивный
протонный синхротрон [16] (м.б. он будет работать в Обнинске) и он же строит
компактный ионный синхротрон.
Протвино - Выведен пучок ионов из У70 для биологии и (медицины).
Гатчина – есть циклотрон 80МэВ годный для облучения глаз.
В Гатчине есть опыт применения пучка с энергией 1000МэВ для облучения
мишеней в голове на просвет (без использования пика Брега).
Дубна - есть пучок протонов для облучения мишеней в голове [11].
В Дубне есть планы создания стандартного протонного центра.
ИТЭФ есть большой опыт лечения протонным пучком (4260 пациентов за 40
лет) [11].
3. Что надо для успешной работы центра терапии
пучками протонов и ионов?
Нужна МАССОВАЯ РАННЯЯ диагностика!
Нужны квалифицированные врачи!
Нужна хорошая программа планирования облучения.
Нужно хорошее оборудование, позволяющее облучать по точкам весь
объем мишени до нужной биологической дозы с возможностями
оперативно выбирать направление облучения и минимально облучать
здоровые ткани. Это оборудование при высокой производительности
должно быть компактным, простым и не дорогим.
Мишень надо облучать при помощи 4-d сканирования с
оптимальных направлений – минуя органы, которые облучать нельзя, в
каждой фракции (в день) с 2-4 не пересекающихся направлений.
По принятой технологии лечения число фракций 10-30, суммарная
доза в мишени около 60Gr.
Время облучения с каждого направления и время изменения
направления облучения должны быть минимальны, около 1 минуты.
Юстировка центра мишени в центр облучения должна быть с
точностью ±0.3мм.
Для большинства мишеней желательно иметь диаметр пучка при
сканировании (5 – 10)мм. Он определяется как свойствами пучка при его
выводе и транспортировке, так и особенностями мишени (многократным
рассеянием и страгглингом).
Для обеспечения эффективного и производительного лечения
ускоритель должен работать на медицину (в том числе на обеспечение
5
гарантии качества облучения) не менее 300 дней в году и не менее 10
часов в день.
Перед облучением желательна оперативная томография для
определения координат центра мишени по отношению к горизонтальной
плоскости, на которой зафиксирован лежащий пациент и на которой он
остается во время транспортировки в процедурную комнату и во время
облучения. Перед облучением желательна коррекция плана облучения
В каждой фракции можно для изменения направления облучения
вращать пациента вокруг вертикальной оси, проходящей через центр
мишени и смещать процедурный стол, не нарушая горизонтального
положения пациента и сохраняя точность положения центра мишени по
отношению к пучку.
Все направления облучения для оптимальной терапии не
обязательны, шаг по направлению 5 градусов допустим.
Процедурные комнаты могут иметь разные возможности по
направлению пучка к пациенту. Исходя из фракционности облучения, во
всем цикле лечения можно использовать возможности всех процедурных
комнат.
4. Как распределяется биологическая доза
при облучении протонами и ионам (С+6) в объеме мишени.
На рис.2 показано характерное распределение дозы в теле от тонкого пучка
протонов одной энергии.
Рис. 2.
Оценки распределения физической дозы в зависимости от пробега с учетом
ядерных взаимодействий, рассеяния и статистического разброса в пробегах
(straggling) были получены при помощи программы TRIM [17]. При расчетах и
измерениях этих кривых для медицинских целей надо использовать размер входного
пучка равный размеру мишени.
6
Рис.3. dE/dx (доза в точке ) в зависимости от пробега R до остановки для протонов
в воде в относительных величинах.
Площадь под кривой соответствует начальной энергии частицы (Е). Видно, что
в соответствии с рассеянием, ядерными взаимодействиями и страгглингом форма
пика Брега зависит от пробега! (Чем больше пробег, тем меньше частиц
останавливаются в конкретной точке.)
Биологическая доза в любой точке BD пропорциональна физической дозе этой
точке dE/dx (медики называют эту величину LET) и эффективности данного типа
излучения по отношению к эффективности гамма облучения RBE. BD= dE/dx*RBE
Измерение RBE сложная экспериментальная задача. Результаты измерений
зависят от способа измерений (по выживаемости или по доле разрушенных клеток),
от времени от облучения до измерения, от величины дозы, от типа клеток. Но в
основном величина RBE зависит от dE/dx.
На рис.4 показана часть данных о зависимости RBE для трех типов ионов от
dE/dx [18] и показаны диапазоны по dE/dx протонов и ионов, при которых эти
частицы могут применяться для облучения (при которых их пробег R≤30 см).
Рис.4
7
Видно, что для протонов RBE меняется слабо и может быть оценено как
1.1±0.1. Для ионов RBE меняется от 1.2±0.1 (далеко от пика Брега) до 2.8±0.5 (в
самом пике, на последних миллиметрах пробега). Т.о. величина биологической дозы
при облучении ионами известна сегодня с недостаточной точностью (около 20%). В
этом направлении идут интенсивные экспериментальные работы [19] и есть надежда,
что значения RBE для всех важных для лечения случаев будет вскоре измерена
точнее.
Для оценок распределения биологической дозы для пучка ионов углерода было
предложено [20] использовать значения RBE из следующей таблицы.
Таблица 1.
dE/dx
MeV/мм
RBE
(C12)
Точность
0.1
200
2.8
0.5
0.5
54
2.2
0.5
1.0
40
1.8
0.4
1.5
31
1.6
0.3
2.0
29
1.5
0.3
3.0
25
1.4
0.2
4.0
22
1.34
0.2
5.0
20
1.3
0.15
7.0
18
1.24
0.15
10.
15
1.22
0.15
15.
13
1.21
0.1
30.
11
1.2
0.1
R
g/см2
Измерения RBE продолжаются (в Японии, в Германии, в Дубне, в ИТЭФ …) и,
несмотря на большую погрешность в величинах RBE, терапия пучком ионов
развивается успешно. Так, в центре облучения HIMAC (Япония) за год было
облучено более 1000 пациентов.
8
Как реализовать оптимальное распределение биологической дозы по
глубине при облучении с одного направления?
Для этого надо суммировать (см. рис. 5) распределение биологических доз от
частиц с разной энергией (пробегом) и с разной интенсивностью при учете рассеяния
и поглощения частиц внутри тела [2-10]. Получим “распределенный пик Брега”,
который должен иметь плато по биологической дозе в пределах мишени с точностью
около ±5%.
Рис. 5. Схема получения распределенного пика Брега.
Для оптимального облучения любых объемных мишеней надо аналогично
применять послойное облучение (сканирование объема мишени тонким пучком
переменной энергии по всем точкам объема). Такой способ был разработан в PSI и
GSI и в настоящее время активно внедряется во всех центрах протонной и ионной
терапии.
При использовании более распространенного способа распределения дозы при
помощи рассеяния и коллимации пучка дозы в здоровых тканях увеличиваются и
требуется применять индивидуальные комплекты рассеивателей и коллиматоров для
каждого пациента и для каждого направления облучения.
Были рассчитаны [20] для водного фантома в одномерном варианте
распределения по глубине относительных величин биологической дозы и
соответствующей физической дозы для разных размеров мишени в глубину и для
разной глубины мишени для пучков протонов и для пучков ионов. Предполагалось,
что биологическая доза в мишени должна быть равна 1.0±0.05 и это достигается
выбором числа слоев при сканировании. Для примера на рис.6 показаны
распределения биологической (верхние кривые) и физической (нижние кривые) дозы
при облучении с одного направления мишеней с разными размерами, которые
расположены на одинаковой глубине.
9
Рис. 6.
Видно, что плато по биологической дозе до мишени тем выше, чем больше
мишень. Видно, что чем мишень меньше и чем меньше ее глубина, тем сильнее
влияет на распределение биологической дозы RBE (тем больше отношение в точке
биологической дозы к дозе физической).
На рис. 7 показаны аналогичные зависимости для пучков протонов и ионов при
облучении мишеней с одинаковыми размерами и разной глубиной.
Протоны
Ионы
Рис.7.
Видно, что плато по биологической дозе до мишени от положения мишени
зависит слабо и что при глубоком положении мишени в случае недостаточно
большого расстояния от сканирующих магнитов до мишени (SAD) есть увеличение
дозы у поверхности тела. Для пучка протонов при облучении глубоких мишеней
достаточно иметь SAD=2.5м, а для ионов около 5м..
На основании проведенных расчетов были получены оценки величины
биологической дозы в здоровых тканях К по отношению к дозе в мишени (1.0)
10
Таблица 2.
Диаметр
мишени
d , см
К (пучок
протонов)
1
0,55
0,1
K (пучок 0,28
ионов C) 0,05
5.
2
4
8
12
16
0,60
0,1
0,70
0,08
0,80
0,07
0,87
0,06
0,95
0,05
0,38
0,51
0,70
0,82
0,93
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
Почему при облучении большинства мишеней надо иметь
возможность выбирать направления облучения.
При облучении мишеней и протонами, и ионами с одного направления величина
биологической дозы на плато до мишени значительна, а для мишеней с размерами в
глубину более 12см сравнима со смертельной дозой в мишени. По этой причине
цикл облучения обычно делится на фракции, в каждой фракции доза в мишени
порядка 2Gr, и для набора необходимой дозы в мишени цикл облучения состоит из
многих (до 30) фракций.
(В промежутках между фракциями здоровые ткани
восстанавливаются быстрее, чем ткани в мишени). Отсюда видна необходимость
проводить облучение с нескольких непересекающихся направлений. Для примера на
рис.8 показаны распределения доз при облучении одной и той же мишени с одного
или с двух направлений.
Рис. 8
Чтобы при облучении с нескольких направлений не происходило
повторное облучение здоровых тканей направления облучения в зависимости
от размеров и от положения мишени должны существенно отличаться.
11
Основываясь на этих оценках можно предсказывать распределение
биологической дозы при облучении любых по размерам и по положению
мишеней с любых направлений.
Для примера на рис.9 показана схема облучения простаты протонами с
четырех направлений с результирующим распределением дозы.
0.18
0.36
1.0
0.42
0.21
d=4cm
K=0.7
N=4
K/N=0.18
(1+K)/2N=0.21
0
dF=30
0
20
0.25
40cm
Рис.9.
Возможное уменьшение биологической дозы в здоровых тканях при облучении
с нескольких направлений является предпосылкой для исследования возможностей
увеличения величины дозы в каждой фракции и тем самым уменьшения числа
фракций и длительности цикла лечения.
Как устроено ГАНТРИ и почему при транспортировке ионов
(и протонов) ГАНТРИ желательно не применять.
Для оперативного изменения направления облучения неподвижно лежащего в
горизонтальном положении пациента обычно используют ГАНТРИ установки. Это
жесткая объемная рама, на которой закреплен транспортирующий частицы
магнитный канал. Рама может поворачиваться вокруг горизонтальной оси
проходящей через центр мишени и сосной с направлением пучка подведенного к
данной процедурной комнате. Пучок сначала отклоняется от исходного направления,
а затем поворачивается к оси вращения под углом 90 градусов. Для сохранения
режима магнитного канала при его вращении надо, чтобы исходный пучок на входе
в ГАНТРИ был ахроматичный и симметричный. Таким образом, при поворотах рамы
обеспечивается любые направления облучения при неподвижном положении
пациента. Пучок должен транспортироваться через магнитный канал ГАНТРИ без
потерь и с ахроматизацией. Пучок на выходе из ГАНТРИ должен быть сфокусирован
на мишени или на первом рассеивателе в пятно с диаметром (5-10)мм.
Идея вращения пучка вокруг неподвижного пациента происходит от
традиционных установок для облучения пучками гамма квантов и электронов. Но
при вращении пучков протонов или ионов с энергией, соответствующей пробегу в
воде 30см, требуются магниты в 30-100 раз более сильные, (более длинные при
магнитном поле до 1.6Тл), чем для электронов с максимальной энергией 20 МэВ.
Радиус поворота пучка протонов будет около 1.5м, а пучка ионов около 4м. По этой
причине ГАНТРИ для пучка протонов во всех вариантах имеет габариты около
6.
12
15м*11м*11м и вращаемый вес более 100Т. Схемы сечений магнитного
оборудования стандартных ГАНТРИ для пучка протонов показаны на рис.10.
frame
D=11m
SAD=2.5m
3m
frame
D=8m
1.5m
cw
cw
0
0
5m
10m
10m
5m
Рис.10. ГАНТРИ фирмы IBA[12, 13] c оборудованием для распределения дозы
расположенном после последнего магнита на длине 3м и ГАНТРИ со сканирующими
магнитами расположенными до последнего поворотного магнита, который имеет
большой зазор и вес [4, 21].
На рис.11 показана пространственная схема ГАНТРИ для пучка ионов со
сканирующими магнитами расположенными до последнего поворотного магнита [4,
21], которая была построена в 2007 году в Гайдельберге (HIT). Эта установка имеет
безумные размеры (22м*14м*14м), вращаемый вес (более 600Т), мощность (до
1МВт), трудно выполнимые механические и магнитные допуски связанные с
точностью попадания пучка в центр мишени. Все это приводит к огромной
стоимости оборудования для одной процедурной комнаты, в которой можно
надеяться лечить не более 300 пациентов в год. Однако эта установка уже 4 года
находится в наладке и для лечения еще не применяется.
B < 1.6Tl
3
4000m
60T
GANTRY
0 < f < 360
frame
D=12m, L=17m, W=600T
22m*14m*14m
60T
0
5m
10m
15m
Рис.11
Для уменьшения габаритов ГАНТРИ было предложено использовать
сверхпроводящие магниты [22]. Такие установки разрабатываются в Японии и
Германии. Однако они будут тоже весьма громоздкими (см. рис. 14) (как ГАНТРИ
для пучка протонов), более сложными и очень дорогими.
13
B<4Tl
150T
0
5m
GANTRY
0 < f < 360
ions
15m*10m*10m
10m
15m
Рис. 12.
За последние 20 лет предлагались разные решения транспортировки пучков к
пациенту. Предлагалось уменьшить угол между направлением пучка и осью
вращения ГАНТРИ [23], использовалась ГАНТРИ с симметричным вращением
магнитов и пациента (PSI), эксцентриковые ГАНТРИ [24, 25], просто вращения
пациента вокруг вертикальной оси при горизонтальном направлении пучка [26] или
вращения пациента зафиксированного между надувными емкостями [27]. Все эти
решения далеки от оптимального решения.
Сделать ГАНТРИ существенно компактнее, проще, дешевле - нельзя.
Поэтому нельзя надеяться на применение ГАНТРИ при массовом лечении
пучками ионов.
Поэтому реально ГАНТРИ применяются для пучков протонов, а для пучков
ионов разрабатываются только системы с фиксированными направлениями пучка
[28].
7. “Плоские системы” – компромисс и альтернатива ГАНТРИ.
В качестве компромиссного решения и как альтернатива ГАНТРИ в 2002 году
были предложены “плоские системы” [29] (см. рис. 15). В процедурной комнате с
исходно горизонтальным пучком непосредственно перед пациентом установлен
неподвижный магнит с увеличенным зазором для поворотов пучка только в
вертикальной плоскости. Для изменения направления облучения изменяется
соответственно поворот пучка, а процедурный стол с неподвижно закрепленным на
нем в горизонтальном положении пациентом смещается в вертикальной плоскости
так, чтобы центр мишени был расположен на оси повернутого пучка.
14
Рис. 13.
В какой степени такая система позволяет выбирать оптимальные направления
облучения? Из чисто геометрических соображений ясно (см. рис.14), что
возможности выбора направлений облучения для одной фракции (не более 3
направлений) при помощи подобной системы при максимальных поворотах пучка до
60 Channel
градусов
существенно лучше, чем для горизонтального
пучка или системы с
GANTRY with SAD>10m for proton beam
fo irradiation by proton beam
PRECISION ROTATION of 100T
with D=7m
in horizontal
direction.
двумя
фиксированными
направлениями пучка и близки к возможностям
ГАНТРИ
Channels for irradiation by proton beam
SPS(60)
[30, 31].
with dwo directions
B<1.8Tl, Y'<+-60
1.8m*1.36m*0.16m
swx
swx
q2
q1
b1(45)
swx
q1 q2
q3 swy
q1 q2
iso-center
q2
q3 q4 q5 swy
b3(-45)
b2(-45)
r=1.5m
swx
PRECISION
q3 swy
q1
q3 q4 q5 swy
b2(-45)
b3(-90)
r=1.5m
1.5m
b1(45)
iso-center
iso-center
0
0
0
3
6
9m
0
3
6
3
6
9m
9m
0
3
6
9m
Рис. 14. Схемы разных систем с соответствующими возможными
направлениями облучения.
Однако было бы желательно провести сравнение систем с разными
возможностями отклонения пучка F на примере 10-20 реальных массовых
локализаций при F=0 (горизонтальный пучок) , 30, 45, 60, 90 (ГАНТРИ) градусов
руками специалистов (по планированию облучений на ГАНТРИ) с помощью
современных программ планирования.
Подобная работа была сделана в 2005 году в предположении - Чем шире
возможности выбора направления облучения – тем лучше.
15
Проф. Е.В.Хмелевский (МЦРР) предоставил 11 томограмм часто
встречающихся локализаций. Оптимальные направления облучения совпали для
ГАНТРИ и F=60 градусов для следующих часто встречающихся локализаций:
грудь, простата, печень, поджелудочная железа, толстая кишка,
пищевод, средостение, горло.
Для двух редких случаев возможности ГАНТРИ оказались лучше, но сравнимы
с возможностями оборудования с углами облучения до ±60 градусов.
В чем преимущества плоской системы по сравнению с обычным
ГАНТРИ ?
• Поворот пучка не всегда на 180 градусов,
а на нужный угол 0 <f< F
F < 60.
Все магниты неподвижны и имеют меньший вес..
• Объем помещения существенно (в 5 раз) уменьшен.
• Средняя мощность существенно (в 5 раз) уменьшена.
• Магнитная оптика существенно упрощена.
• Стоимость системы существенно уменьшена (для протонов в 2 раза, для
ионов в 5 раз).
• Допуски на однородность поля магнита существенно проще.
• Все эти преимущества особенно важны при транспортировке
пучков ионов, т.к. при транспортировке ионов все магниты будут в 2.6
раз длиннее и мощнее.
Каждый из этих пунктов можно детализировать. Сравним для примера
(см. рис. 15) оптические схемы (схемы огибающих пучка с одинаковыми
свойствами) в ГАНТРИ (слева, при осевом направлении пучка на мишень и
при отклонении пучка сканирующими магнитами в обеих плоскостях на
100мм от центра мишени) и в плоской системе (справа, при F=0 и F=60
градусов):
Рис. 15 Поперечные размеры пучка в вертикальной (сверху) и в горизонтальной
(снизу) плоскостях при транспортировке через ГАНТРИ (слева) и через SPS(60) без
поворота и с максимальным поворотом при максимальном отклонении пучка
сканирующими магнитами на мишени от оси пучка (на 100мм).
Видно, насколько проще оптика плоской системы, как влияет поворот пучка и
как это влияние при сканировании компенсируется фокусирующими линзами.
16
В чем отличия и недостатки такой системы по сравнению с ГАНТРИ?
Не все пространственные направления доступны для облучения.
При изменении направления облучения надо перемещать процедурный стол с
пациентом.
При изменении направления облучения надо вносить поправки в токи
фокусирующих линз в соответствии с изменением фокусирующего влияния на пучок
магнита.
Линейная дисперсия пучка на мишени R16 [cm/%], не подавлена и может
увеличивать вертикальный размер пятна пучка при сканировании. Она
пропорциональна углу поворота пучка f и расстоянию от центра поворота до
мишени. Ее влияние пропорционально разбросу протонов в пучке по импульсам
dP/P.
Главные недостатки плоских систем не технические –
Врачи привыкли вращать пучок вокруг неподвижного пациента.
Фирмы ориентированы на получение максимальной прибыли от продажи
дорогого оборудования.
По поводу недостатков:
Не все пространственные направления доступны для облучения,
но, возможности выбора оптимальных направлений облучения
увеличиваются с увеличением угла F и для F≥45 градусов близки к
возможностям ГАНТРИ.
Современные механизмы позволяют перемещать процедурный стол с
пациентом в нужную точку с требуемой точностью (лучше ±0.2мм) [32].
Управление токами всех магнитных элементов автоматизировано и опирается на
заложенную в память ЭВМ информацию.
Для уменьшения влияния линейной дисперсии R16 полезно сделать
минимальным расстояние от центра поворота до мишени (например, 1м). Тогда при
повороте пучка протонов на максимальный угол 45 градусов линейную дисперсию
можно оценить как 1см/%. Такая дисперсия может оказывать влияниие при
облучении небольших (с диаметром до 5см) и не глубоких (глубина до 10см)
мишеней при dP/P>0.2%.
Пучок, выведенный из синхротрона, имеет dP/P около 0.1%. Влияние
дисперсии будет минимально.
Предварительный поворот пучка в вертикальной плоскости позволяет
выбрать для данной процедурной комнаты диапазон возможных направлений
облучения и ликвидировать дисперсию. При этом при F=45 градусов в двух
процедурных комнатах возможно обеспечить любые направления облучения.
Для примера на рис. 18 показана система для транспортировки пучка ионов
теплыми магнитами в три процедурные комнаты, которые оборудованы плоскими
системами и схемы возможных направлений пучка в этих комнатах.
20m
17
0
5
10
15
ions
B<1.6Tl
0
5
10
15
20m
Рис. 18.
На рисунке 19 показаны оптические схемы этой системы при разных поворотах
пучка. Квадрупольные линзы, которые расположены до первого магнита
фокусируют пучок в обеих плоскостях примерно в центр первого поворота.
Квадрупольные линзы, которые расположены до второго магнита фокусируют пучок
в обеих плоскостях на мишень с компенсацией линейной дисперсии (голубая кривая
для dP/P = 1%).
Рис. 19.
18
Плоские системы были опубликованы в ПТЭ (2002) и в Медицинской физике
(2002), доложены в ИТЭФ, ИФВЭ, Дубне, RuPAC’s, PAC 2009, PTCOG (40, 44, 50).
Они были обсуждены и одобрены С.Е.Ульяненко (Обнинск), Ю.М.Антиповым
(ИФВЭ), С.А.Акулиничевым (Пахра), Е.М.Сересиным ОИЯИ), Е.В.Хмелевским
(Москва), В.А.Костылевым (Медицинская физика), Т.Г.Ратнер (Онкоцентр),
В.А.Климановым (МИФИ), D.Shardt (GSI), Y.Jongen (IBA), A.Brame (Karolinski
Hospital), J.Flanz (NPTC) …
Применение магнитных каналов с поворотами пучка в вертикальной плоскости
в разных вариантах для транспортировки пучков ионов (и протонов) в медицинских
целях вместо стандартных ГАНТРИ мне кажется вполне целесообразным. Это
будет существенный шаг к массовой терапии онкологических мишеней пучками
ионов и протонов.
8.
Возможности создания в ИТЭФ на базе синхротрона УК
центра облучения пучками ионов и протонов.
ИТЭФ обладает уникальными возможностями для создания в
ограниченный срок с минимальными затратами лучшего в мире
оборудования для центра облучения ионами и протонами на основе того
оборудования и тех зданий, которые не сильно пострадали от пожара.
Очень важно, что создание такой установки поддерживается врачами
Москвы и Московской области.
Есть линейный ускоритель протонов до энергии 20МэВ.
Есть источники многозарядных ионов, в частности, полезных для
медицины ионов С+6.
Есть предускоритель ионов И3.
Есть магнитный канал транспортировки ионов из И3 в синхротрон УК.
Восстановленный синхротрон УК сможет ускорять ионы (и протоны) до
любых нужных для медицины энергий (до 400МэВ/нуклон).
Разработан проект медленного вывода ускоренного пучка из УК.
Магнитные элементы для этого канала заказаны.
Разработан проект магнитного канала транспортировки протонов из
линейного ускорителя И2 в синхротрон УК.
Дальнейшая транспортировка протонов может осуществляться теми же
системами медленного вывода из синхротрона УК и теми же магнитными
каналами (в том числе к старым процедурным комнатам), которые будут
транспортировать пучки ионов.
Выведенный из синхротрона ионный пучок планируется направить в
минимально пострадавший от пожара корпус 120.
На первом этапе в этом корпусе можно организовать работу двух
независимых (разделенных бетонными стенами) стендов.
Первый для технологических измерений.
19
Второй стенд для радиобиологических опытов можно использовать также и
для опробования плоской системы. Магниты для такой системы в ИТЭФ
есть.
Схема использования медленного вывода пучка ионов из УК в горловину
корпуса 120 для двух стендов на первом этапе показана на рис. 20. В левом
верхнем углу изображен макет плоской системы.
H=5m
H=5m
к
ск ск
2.65m
701
10m
0
612
1 проц.
1.5m
120
512
607
сн
сн
SPS SPS
511
2.65m
к
ск ск
М4
У10
УК
606
корр 1.65m
H=5m
к
2.65m
сн
сн
к
сн корр
М5
1.65m
605
М3
UK
604
М2
сн
корр
КИКЕР
колл
10m
0
20m
к
603
30m
40m
СМ
Q27
колл
кик
602
+0,133
сн
УСУ-2
м
М1
корр
0.14
1.65m
вк
601
пк
сн
к
корр
+0,389
512
Q22
сн
1.65m
c2
0.10 c1
0.04
сн
УМ3
R61
+2,893
8
+0,02
+1,171
Рис. 20
Высота орбиты пучка в синхротроне УК по отношению к полу в корпусе 120 2.65м. Поэтому в горловине 120 корпуса вместе со стендом для биофизических
исследований возможно сделать макет плоской системы с диапазоном направлений
от горизонтального (F=0) до 45 градусов вниз на базе имеющихся магнитов типа
СП94.
H=5m
H=5m
к
ск ск
2.65m
0
10m
Рис. 21. Схема макета плоской системы
Для создания эффективного центра ионной терапии надо планировать
использование ионного пучка в нескольких процедурных комнатах, в каждой из
которых будет возможность менять направление пучка и сканировать мишень
тонким пучком.
20
Возможны варианты расположения процедурных комнат
как внутри корпуса 120, так и в дополнительном здании,
как на одном базовом уровне пола, так и на трех уровнях,
как трех комнат с любыми направлениями облучения и подавленной
дисперсией, так и 5 аналогичных комнат.
Вариант схемы расположения пяти процедурных комнат на трех уровнях
с системами изменения направления пучка в пределах -45 <f < 45 градусов
изображен на рис. 22.
45 SPS(45)
0 < f < 180
15 sps(45)
-30< f < 60
sps(45)
-45 <f< 45
-45 SPS(45)
180 < f < 360
10m
20m
30m
40m
0
10m
0
-15 sps(45)
-60< f <30
20m
ions
5 rooms
B < 1.6Tl
Рис. 22.
На рис. 23 показана схема использования пучков выводимых из синхротрона
УК. Кроме новых процедурных комнат выведенный в направлении корпуса 120
пучок протонов или ионов может направляться в две тест-территории и в
направлении старых процедурных комнат.
21
D
+ X
WC
wc
äóø
234
233
232
áàëêàIV
231
228
III
áàëêà
235
I2
230
227
229
222
221
226
225
220
219
224
223
214
213
218
217
211
212
216
215
210
209
áàëêà
II
âàêóóìíûé
êîæóõ
208
207
206
205
119
202
204
203
113
111
101
118
112
117
116
115
108
107
114
áàëêà
I
íó
110
109
106
105
104
103
102
óñê.òðóáêà
ãàðàæ
120/201
Medical facilities
in ITEP
based on UK
áàëêàV
ðåçîíàòîð
êó
812
+0,713
40
ÓÑÓ-5
21À
êâ
20
0
20À
1À
712
2À
201
18À
3 rooms
3 levels
any directions
ions
protons
3À
3 - ÿ ïðîöåäóð
íàÿ
2 - ÿ ïðîöåäóð
íàÿ
3 rooms
protons
ions
horisontal
Ø3
Ø2
ÊÍ9
ÊÍ7
ä
17À
Á4
Á3
Á6
Á5
ÊÍ5
223
4À
ÐÊ2
À7
222
ÓÑÓ-3
ÌË14
À6
íìä
5À
2
ô
ïê
Á
tests
301
íìä
êâ
ÑÏ94
ä
P
pr r-gr
ÌË15
Ø1
tests
215
TWAC
tests
120
ä
Tests facilities
based on second
slow extruction
from UK
to BEH
of 101
UK
N313
N312
312
ÌË15
ÑÏ94
412
20
40
119
60
80
20Ê10
0
I3
I4
0
ÊÃ50
100
WC
120
140
160
180
200m
WC
Рис. 23.
Все работы по восстановлению и использованию малого синхротрона УК
включая создание центра облучения ионами не мешают восстановлению в
дальнейшем большого синхротрона У10. Тогда появятся возможности
параллельного использования обеих ускорителей. В частности, появится
возможность работ на пучках протонов и ионов выводимых медленно из У10 в
каналы 211 и 212, на выводимом быстро из У10 пучке протонов с энергией 9 ГэВ в
направлении 311, на пучка выводимых медленно в направлении канала 312 ионов
максимальной энергии (до 4 ГэВ/нуклон), на пучках пионов в канале 322 с высоким
разрешением по импульсам на установке ЭПЕКУР, …(см. рис. 24)
22
1210 PLAN ITEP 91.dwg
D
+ X
WC
wc
äóø
231
235
234
233
232
228
áàëêàIV
230
227
226
225
229
224
223
222
221
220
219
211
217
218
216
215
I2
áàëêàIII
âàêóóìíûé
êîæóõ
214
213
212
210
209
208
áàëêàII
207
206
205
204
203
119
118
117
116
202
111
113
115
101
108
110
109
112
áàëêà
I
íó
114
107
106
105
104
103
102
óñê.òðóáêà
ãàðàæ
120/201
Medical facilities
in ITEP
based on UK
áàëêàV
ðåçîíàòîð
êó
812
+0,713
40
U10
712
ÓÑÓ-5
21À
êâ
20
0
20À
1À
0.0 ì
2À
201
3 rooms
3 levels
any directions
ions
protons
18À
3À
3 - ÿ ïðîöåäóð
íàÿ
2 - ÿ ïðîöåäóð
íàÿ
3 rooms
protons
ions
horisontal
Ø3
ÊÍ7
17À
Á4
Á3
Á6
Á5
ÊÍ5
ÐÊ2
À7
tests
protons
ions
from UK
Ø2
ÊÍ9
ä
4À
tests
ÓÑÓ-3
ÌË14
À6
tests
protons
ions
pions
from U10
Ø1
ô
301
íìä
êâ
ÑÏ94
tests
ïê
Á
ÌË15
ä
P
tests
120
íìä
5À
2
ä
UK
N313
N312
312
212
tests
211
ÌË15
ÑÏ94
412
ÊÃ50
20Ê10
0
311
20
40
119
60
312 313
I3
ions
I4
0
Physical
and tests
facilities
in ITEP in BEH
based on U10
and UK
322
EPEKUR
101 BEH
9 GeV
80
100
WC
FLINT
120
140
160
180
200m
WC
Рис. 24. Полная схема расположения оборудования ускорительного комплекса
ИТЭФ
Идея создания центра ионной терапии с несколькими процедурными
комнатами, в каждой из которых можно менять направление пучка и обеспечить
сканирование любых мишеней, может стать сильным аргументом для решения о
восстановлении ускорительного комплекса ИТЭФ.
9. Последовательность работ.
Если решение о создании на базе УК центра облучения ионами будет принято,
то за время восстановления УК желательно провести следующие работы:
1. Сравнить руками специалистов при помощи стандартных программ
планирования облучения протонами (или ионами) на ГАНТРИ качество облучения
10-20 частых локализаций разными системами транспортировки (пучки с
фиксированными направлениями, SPS(30), SPS(45), SPS(60), ГАНТРИ).
2. Разработать требования к медицинскому циклу УК для сканирования.
3. Разработать и изготовить пробные экземпляры магнитов для ионного SPS(45).
4. Выбрать вариант использования ионного пучка для терапии – число и
расположение процедурных комнат, какими системами снабжены эти комнаты.
5. Определить количество и параметры оборудования для диагностики и
планирования.
6. Определить объем и расположение стационара при центре облучения.
7. Выбрать соответствующий вариант строительства нового медицинского
корпуса (или модернизации корпуса 120).
8. Провести проектные работы по новому медицинскому корпусу.
23
9. Закупить (или разработать) и освоить программу планирования облучения
ионным пучком на ГАНТРИ с возможностями вводить ограничения по
направлениям.
10. Закупить (или разработать) и освоить приборы слежения за пучком и
дозиметрии.
11. Организовать обучение молодых специалистов со стажировкой в
действующих зарубежных центрах, с приемом по конкурсу и с обязательством
потом 5 лет работать в ИТЭФ.
Первый этап – восстановление синхротрона УК и вывод пучка ионов в корпус
120. Создание стендов радиобиологии и тестирования аппаратуры в горловине
корпуса 120.
Второй этап – канал транспортировки протонов от линейного ускорителя И2 в
синхротрон УК. Вывод протонов в существующие процедурные 1, 2, 3. Вывод ионов
в процедурные 2, 3.
Создание второго медленного вывода пучка из УК в направлении БЭЗ для
расширения возможностей тестовых опытов.
Третий этап - Создание медицинского корпуса с тремя (пятью) процедурными
комнатами, снабженными плоскими системами, и томографом.
10.Сравнение предлагаемого центра
с существующими и проектируемыми центрами.
В настоящее время не существуют и нет в проектах центров облучения ионами
с 3 процедурными комнатами, в которых можно менять направление пучка и двух
процедурных комнат с горизонтальным направлением ионного пучка.
Проектируемые центры облучения ионами {HIT Гальденберг, MedAstron (Вена),
CNAO (Италия)) ориентированы на фиксированные направления пучков в трех
процедурных комнатах и стоят порядка 200MEu. Затраты на создание
принципиально лучшего центра облучения в ИТЭФ могут быть в 4 раза меньше. В
ИТЭФ есть коллектив, способный обеспечить надлежащую работу ускорителей. В
Москве и в Московской области есть врачи способные обеспечить поток больных с
соответствующей диагностикой и сопровождение этих больных в процессе лечения
и реабилитации. Реализация этого предложения станет существенным шагом
Российской медицины и технологии облучения. Возможны поставки плоских систем
в будущие центры облучения пучками ионов и протонов по всему миру.
24
11. Литература.
1. Статистика злокачественных новообразований в России и странах СНГ
в 2008г
2. М.И.Давыдов, Е.М.Аксель Вестник РОНЦ им. Блохина РАМН 2010г
2. U.Amaldi and all Advances in Hadrontherapy 1997
3. G.Kraft
Tumor Therapy with Heavy Charged Particles PPNP, 45 (2000), p.477-544.
4. Proposal for a dedicated ion beam facility for cancer therapy (HIT)
J.Debus and all 1998.08
5. Jäkel, O., M. Krämer, C. P. Karger, and J. Debus, 2001, “Treatment
planning for heavy ion radiotherapy: Clinical implementation
and application,” Phys. Med. Biol. 46, 1101–1116.
Progress in Particle and Nuclear Physics 45 (2000) s473- s544
6. Kamada, T., H. Tsujii, H. Tsuji, T. Yanagi, J. E. Mizoe, T. Miyamoto,
H. Kato, S. Yamada, S. Morita, K. Yoshikawa, S. Kandatsu,
and A. Tateishi, 2002, “Efficacy and safety of carbon
ion radiotherapy in bone and soft tissue sarcomas,” J. Clin.
Oncol. 20, 4466–4471.
7. Brahme, A., 2004, “Recent advances in light ion radiation
therapy,” Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys. 58, 603–616.
8. Ishikawa, H., H. Tsuji, T. Kamada, T. Yanagi, J.-E. Mizoe, T.
Kanai, S. Morita, M. Wakatsuki, J. Shimazaki, and H. Tsujii,
2006, “Carbon ion radiation therapy for prostate cancer: Results
of a prospective phase II study,” Radiother. Oncol. 81,
57–64.
9. Amaldi, U., and G. Kraft, 2007, “European developments in
radiotherapy with beams of large radiobiological effectiveness,”
J. Radiat. Res. Suppl. 48, A27–A41.
10. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits
Dieter Schardt and Thilo Elsässer
Daniela Schulz-Ertner
REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 82, JANUARY–MARCH 2010.
11. Patient statistics of particle therapy facilities worldwide (no. of patients treated in
facilities in operation and in closed facilities);
data per end of 2011 (pdf-file for download prepared by PTCOG Secretary, March 2012 )
25
12. P.Cohlis, Y.Jongen The IBA cyclotron based system The RITA NETWORK and the
Design of Compact Proton Accelerators The TERA Collaboration 08.1996, p.400-411.
13. Y.Jongen GANTRIES and beam spreading systems. The RITA NETWORK and the
design of compact proton accelerators The TERA Collaboration 08.1996, p.305-336.
14. J. Debus et al. Proposal for a Dedicated Ion Beam Facility for Cancer Therapy
10.1998.
15. H.Einhoff et al. GANTRY system for transport and delivery of a high energy ion
beam in a heavy ion cancer therapy facility. International Patent No WO 02/063638 A1
15.08.2002.
16. Balakin. Status of development of installation for proton conformal therapy
application.
PTCOG36, 05.2002, Catania.
17. J.P. Biersack and J.F. Ziegler Calculation from TRIM
ННН> Version – 95.xx © 1989, 1992, 1995
18. Jong Seo Chai (KIRAMS) Medical Application of the heavy Ion Accelerator
Report on Asian PAC 03.2004.
19. J.Kubancak, А.G.Molokanov, B.Vleek Out-of-field dosimetry of the JINR
Radiotherapeutic proton beam using thermoluminiscent detectors
ОИЯИ
Е16-2001-80
20. М. М.Кац, Б.Л.Дружинин Простой метод оценки распределения биологического
эффекта при трехмерном сканировании объема мишени узким пучком протонов или
ионов. Медицинская физика, 2004, 4, стр.20-25.
21. M. Kats. Study of GANTRY optics for proton and carbon ion beams.
EPAC98, Stockholm, 6.98.
22. GANTRY with scanning through last super conducted magnet.
Y.Jongen, M.Kats
Report at 42 PTCOG
06.2006, Zurich.
23. M. Pavlovic. Obligue GANTRY
M.
Nucl. Instr. Meth. A434, 1999, p.454-466.
24. P.Bryant (editor) PIMMS:Proton- Ion Medical Machine Study.
CERN-2000-006 and CD 01.2000. 17.
25. М.М. Кац. Новые схемы облучения лежащих пациентов пучками
тяжелых заряженных частиц. ПТЭ, 2, 126-135, 2002.
26
26. V. Balakin. Status of development of installation for proton conformal therapy
application.
PTCOG36, 05.2002, Catania.
27. B. Astrakhan. AntiGANTRY. PTCOG28 10.1999, PARTICLES 26, 06.2000.
28. F. Soga. Design toward the smaller sized facility for heavy ion therapy.
PTCOG 41, 10.2004, San Francisco.
29. М. М. Кац. Простая плоская система. ПТЭ 2, 136-141, 2002.
30. M.Kats COMPACT AND NON EXPENSIVE TRANSPORT SYSTEMS
FOR MEDICAL FACILITIES USING PROTON AND ION BEAMS
PAC May 2009 Vancouver
31. M. Kats PLANAR SYSTEMS AND ITS COMPARISON WITH GANTRY AND
FIXATED BEAMS
PTCOG50 2011 May Philadelfia
32. Robot