Протонная терапия в ЛЯП ОИЯИ
«В 1961 г. было начато систематическое лечение пациентов на циклотроне в Массачусетсе (США). В нашей стране нужные для этого ускорители протонов с энергией 100–200 MэВ отсутствовали, и этот дорогостоящий метод лечения в 1950-е гг. не был востребован ввиду давления более острых и насущных проблем.
Однако в середине 1965 г. у выдающегося физика академика И. Я. Померанчука была диагностирована тяжелая стадия рака пищевода и ему был назначен курс терапии облучением гамма-квантами Со⁶⁰. При первой же встрече с заведующим радиологическим отделением Онкологического института профессором А. И. Pудерманом Исаак Яковлевич спросил его, почему они не используют для терапии облучение протонами. И. Я. Померанчук не был знаком с публикацией P. Вильсона и развитием протонной терапии в США, но ему было очевидно, что облучение протонами более эффективно, чем облучение электронами или гамма-квантами. Знал это и А. И. Рудерман. Он рассказывает об этой беседе:
— 3a чем же дело стало?
— Медики не имеют таких установок. Они в рукaх физиков. Требуется соответствующее решение.
— Ну, в этом советской медицине можно помочь.
Тут же состоялся телефонный разговор академиков И. Я. Померанчука и В. А. Кириллина (в то время председателя ГКНТ). На следующий день я [Рудерман] был вызван в ГКНТ, а еще через день президент АМН СССР Н. Н. Блохин и я обсуждали с В. А. Кириллиным текст возможных заданий по использованию заряженных ядерных частиц в медицине. Ответственными исполнителями были выделены ИЭиКО (Институт экспериментальной и клинической онкологии), ИТЭФ и ОИЯИ. Затем состоялся Ученый совет ИЭиКО с участием И. Я. Померанчука, В. П. Джелепова и ряда других ведущих физиков и лучевых терапевтов Москвы. После моего доклада и детального обсуждения выяснилось, что физико-техническая подготовка к клиническому использованию протонов займет немало времени.
Исаак Яковлевич знал, что в лечении его самого использовать протонную терапию уже не удастся, но это не погасило его энтузиазм — он активно интересовался ходом дел и способствовал ему до последних дней своей жизни.
Венедикт Петрович Джелепов действовал стремительно. Сразу же по возвращении из Москвы в Дубну он распорядился собрать для обсуждения ведущих и активных физиков Лаборатории ядерных проблем, в первую очередь тех, кто имел опыт работы на выведенном протонном пучке синхроциклотрона. Список участников этого директорского совещания не сохранился, но можно утверждать, что на нем присутствовали Л. И. Лапидус, И. М. Василевский, Л. М.Сороко и сотрудники его сектора О. В. Савченко и В. И. Комаров. После информационного сообщения директора последовало активное обсуждение.
Общая схема использования синхроциклотрона была ясна: пучок протонов может быть выведен из камеры ускорителя только при максимальной энергии 670 МэВ, но использовать его надо при энергии не выше 200 МэВ, так что необходимо существенно подтормозить его фильтром. Затем пучок вводится в поле отклоняющего магнита СП-37 и через стальной коллиматор выводится за радиационную защиту в зал лаборатории №4 корпуса синхроциклотрона. Допустим ли здесь радиационный фон для пребывания пациента во время сеанса облучения — надо было еще выяснять. Главный вопрос состоял в том, будет ли после коллиматора интенсивность пучка достаточно большой, а энергетическая дисперсия достаточно малой для клинического использования. Ответ на этот вопрос можно было получить только при прямых измерениях на ускорителе.
Необходимая для этого аппаратура довольно проста, но должна быть готова к использованию без задержки. Выяснилось, что такая аппаратура есть у О. В. Савченко, В. И. Комарова и И. М. Василевского. Они и взялись провести нужные измерения. Уже на следующий день ускоритель был предоставлен в их распоряжение, и началась юстировка выведенного пучка в направлении квадрупольной линзы МЛ-4 вблизи камеры ускорителя.
<...>
Полученные результаты показывали достижимость параметров пучка, нужных для клинического использования. Однако измерение суммарной дозы рассеянного излучения в районе регистрирующей аппаратуры, выполненное М. М. Комочковым, показало при работе ускорителя величину 20÷40 мбэр/ч, недопустимую для облучаемого пациента. Значительно уменьшить дозу, создав дополнительную защиту в этом месте, было невозможно. Это означало необходимость вывода пучка в удаленное помещение за дополнительной защитой.
Результаты измерений были доложены на директорском совещании ЛЯП, где было принято решение о неотложном проведении дальнейших работ с целью создания условий для терапии И. Я. Померанчука на протонном пучке синхроциклотрона.
Работать в этом направлении взялись только два научных сотрудника — О. В. Савченко и В. И. Комаров. Столь небольшое число добровольцев объясняется тем, что необходимая работа была практически несовместима с продолжением научных исследований, проводимых в то время сотрудниками лаборатории, и, очевидно, требовала отложить их на время не менее года. С другой стороны, работа с протонными пучками высокой интенсивности могла проводиться только при получении радиационных доз, ограниченных сверху принятыми нормативами. Такой дополнительный риск для здоровья тоже не способствовал энтузиазму. В результате все неотложные работы начального этапа пришлось проводить двоим, в то время как усилиями дирекции лаборатории подбирались кандидатуры молодых инженеров и научных сотрудников для комплектования кадров нового направления работ в ОИЯИ. Ответственным руководителем планируемых работ был назначен кандидат физико- математических наук Олег Васильевич Савченко. В кратчайший срок он подготовил проект работ по созданию медико-биологического комплекса.
Проект включал два основных блока: строительство экспериментально-клинического помещения и создание фокусирующего протонного канала для транспортировки подторможенного протонного пучка в это помещение. Предлагалось оборудовать специализированное помещение за двухметровой бетонной стеной корпуса ускорителя, чтобы обеспечить достаточно низкий радиационный фон в месте расположения пациента. Для сохранения интенсивности подторможенного пучка при его транспортировании на расстояние около 30 м предлагалось создать систему из семи фокусирующих магнитных линз и вакуумного тракта с полной длиной 26 м. В качестве линз предлагались квадрупольные триплеты с полной конструктивной длиной 1,5 м и градиентом магнитного поля до ~ 800 Э/см. Такие линзы были разработаны в конструкторском бюро ЛЯП А. А. Кропиным, и задача состояла в срочном их изготовлении. Проект был одобрен дирекциями ЛЯП и ОИЯИ. Началась подготовка технических заданий для выполнения работ в конструкторском бюро, экспериментальных мастерских, электротехническом отделе лаборатории, строительной организации и Центральных мастерских ОИЯИ. Одновременно началось изготовление и наладка необходимой измерительной аппаратуры. Все дальнейшие работы по реализации заданий курировались Венедиктом Петровичем Джелеповым и проводились в самом максимальном темпе.
Подготовкой аппаратуры и разработкой ионно-оптической схемы фокусирующего канала занимался В. И. Комаров.
<...>
Комплект квадруполей был срочно изготовлен в Центральных мастерских ОИЯИ и смонтирован сотрудниками опытно-экспериментального производства ЛЯП под руководством К. А. Байчера. Он же руководил работами по монтажу вакуумопровода канала и бурению бетонной стены корпуса для установки в ней коллиматора и замыкающего триплета канала. Энергия Константина Алексеевича и его увлеченность выполняемой задачей позволили закончить все работы по установке канала в самые краткие сроки. Так же слаженно работали сотрудники электротехнического отдела, руководимые В. И. Смирновым, обеспечив своевременное электропитание канала. В результате к осени 1966 г. удалось подготовить испытания канала, его оптимальную настройку. Строительство специализированных помещений и установка оборудования в процедурном помещении уже завершались в конце года, здесь проявлялась энергичная деятельность зам. директора ЛЯП Н. Т. Грехова. Другой заместитель директора, Л. И. Лапидус, организовывал взаимодействие с медицинскими учреждениями. Их работу в Дубне курировал президент Академии медицинских наук Н. Н. Блохин. Прочная связь с сотрудниками московского Института экспериментальной и клинической онкологии АМН СССР установилась сразу же. В Дубну неоднократно приезжал А. И. Рудерман; О. В. Савченко постоянно обсуждал вопросы, связанные с дозиметрией и процедурами облучения, с докторами М. Ш. Вайнбергом и Б. В. Астраханом. Успешно шла подготовка нужной дозиметрической аппаратуры. Сознание срочности и нужности нашей работы проявлялось всеми. К несчастью, декабрь 1966 г. стал последним в жизни И. Я. Померанчука. Мы испытали тяжелое чувство утраты и сожаления о том, что наши усилия не смогли помочь Исааку Яковлевичу. Но много позже Лев Иосифович Лапидус выразил нашу общую благодарность ему словами: “...на всю жизнь сохраню в памяти его ‘спасибо’ за наши инициативные действия по организации исследования возможности лечения онкологических больных с помощью ускоренных протонов в последний год жизни И. Я. Померанчука. Его внимание и личный контакт с В. А. Кириллиным были очень важны для развития этого направления в нашей стране”.
В начале 1967 г. были определены основные параметры созданного пучка. <...>
…В 1966 г. был организован сектор медицинского протонного пучка ЛЯП под руководством О. В. Савченко. При создании сектора в него, кроме самого Савченко, вошли три техника и механика из состава сектора Л. М. Сороко. В. И. Комаров остался в секторе Сороко, поскольку планировал вернуться к физическим исследованиям после окончания мобилизационного периода создания медико-биологического комплекса. Вскоре были приняты на работу в секторе выпускники физических и физико-технических институтов Москвы Б. Б. Бугарчев, а затем В. И. Абазов, А. Г. Молоканов, Г. П. Решетников, В. П. Стекольников, Е. С. Кузьмин. В 1967 г. с участием сотрудников отдела электроники ЛЯП был создан первый комплект дозиметрической аппаратуры и сняты изодозные карты на гомогенном тканеэквивалентном фантоме. Было продемонстрировано преимущество дозиметрических характеристик протонного пучка ЛЯП ОИЯИ по сравнению с получаемыми при других видах излучения, используемых в лучевой терапии. Этот объем работ и облучение животных позволили в том же году провести первые клинические облучения больных и получить информацию об эффективности терапии различных онкологических заболеваний на протонном пучке. В работе суммировалось: “Результаты клинических исследований показали целесообразность использования протонов высокой энергии для облучения злокачественных опухолей. Протонная терапия приводит к существенно меньшим, чем при традиционных методах лучевой терапии, общим лучевым загрузкам, не вызывая общих реакций, и сулит более благоприятные клинические результаты. Изменения опухолевых тканей и непосредственные реактивные явления адекватны поглощенной дозе излучения и могут служить основой при планировании лучевого лечения рака различных локализаций”.
Следует отметить, что выполнение начальных работ по созданию медико-биологического комплекса происходило при высоком уровне энтузиазма всех участников работ.
В августе 1971 г. создание медицинского протонного пучка в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ было отмечено медалью ВДНХ СССР.
Развитие работ на протонном пучке ЛЯП ОИЯИ в начале 1970-х гг. описано в ряде публикаций. В течение этого начального периода регулярно, два раза в неделю, на ускорителе проводились сеансы облучения пациентов и лучевое лечение было проведено 84 пациентам.
Работа была приостановлена в 1974 г. при реконструкции синхроциклотрона, но в то время под руководством О. В. Савченко шла подготовка нового шестиканального комплекса, который был открыт в 1985 г. <...>
В заключение имеет смысл напомнить, что новые возможности, появившиеся в лаборатории при создании протонного канала, были использованы и для физических исследований. Канал позволял собирать в 4-й лаборатории систему детекторов для регистрации частиц, генерируемых протонным пучком в мишени непосредственно вблизи ускорителя, там, где при медицинских сеансах располагается замедлитель. Таким способом обеспечивалась эффективная регистрация частиц при их надежной идентификации и значительном подавлении фона, при высокой светимости в экспериментах. Это позволяло исследовать процессы с весьма низкими дифференциальными сечениями вплоть до ~ 0,1 нб/ср. Особый интерес в 1960-1970-х гг. вызывало исследование упругого рассеяния быстрых протонов назад легкими ядрами и малонуклонными группами в ядрах. Этот интерес возник в связи с открытием группой М. Г. Мещерякова квазиупругого выбивания дейтронов протонами с энергией 675 МэВ. Феномен был интерпретирован Д. И. Блохинцевым как проявление рассеяния частиц высокой энергии на флуктуациях плотности ядерного вещества, флуктонах. Возникал интригующий вопрос о возможности существования более тяжелых, трех- и четырехнуклонных флуктонов. Чтобы ответить на него, надо было измерить сечения рассеяния назад протонов на ядрах ³Не и ⁴Не. Такое измерение было сделано В. И. Комаровым и О. В. Савченко в 1968 г. с использованием протонного канала, за чем последовало открытие квазиупругого выбивания из ядер ³Не- и ⁴Не-фрагментов. Целая серия экспериментов в этом направлении была затем проведена на канале группой физиков ЛЯП и немецких физиков.
Подводя итог, можно сказать, что успешная работа, проведенная в высоком темпе при создании медико-биологического комплекса на синхроциклотроне ОИЯИ, и полвека спустя остается достойным примером научно-технической активности, обусловленной высокой мотивацией и четкой организацией работ.
Полный текст воспоминаний В.И. Комарова (со схемами и фотографиями): http://www1.jinr.ru/Preprints/2018/029(P18-2018-29).pdf
(Продолжение следует)
75-летие ЛЯП
