Учёные Брукхейвенской национальной лаборатории в США успешно протестировали новую систему на основе постоянных магнитов, которая может революционизировать лечение рака протонной терапией.
Главным достижением стала возможность перемещать пучки протонов по диапазону энергий от 50 до 250 миллионов электронвольт при помощи дуги из девяти специально созданных постоянных магнитов.
Разработанная как побочный результат ядерных исследований, эта технология предлагает выход из-под ограничения современных протонных ускорителей – медленного переключения между энергиями. В отличие от обычных электромагнитетов, которым для смены энергии требуется время на «рампу» (изменение мощности), постоянные магниты создают фиксированное поле. Благодаря особенностям конструкции – клиновидные блоки в каждом магните расположены так, что сила поля плавно изменяется от края дуги к её центру – пучки протонов с разной энергией обнаруживают стабильные траектории внутри одного горизонтального слота (апертуры).
По каждой энергии размещаются стабильные орбиты в продольном проеме. Благодаря этому конструкция поддерживает постоянное функционирование всех энергий. В результате возможно обеспечение высоких мощностей или быстрая масштабируемость энергии.
Разработчик магнитов, физик Стивен Брукс, пояснил.
Критически важной для FLASH-терапии является способность к мгновенному переключению энергий. В этом методе опухоль облучается сверхвысокой дозой радиации за доли секунды. По словам Сэмюэла Рю, заведующего отделением радиационной онкологии Медицинского центра Стони Брук, «это действительно как вспышка — пучок ультравысокой мощности». Исследования показывают, что при FLASH-воздействии лучше сохраняются прилегающие здоровые ткани. Протонная FLASH-терапия объединит преимущества протонов (точная доставка энергии в опухоль с минимумом повреждения окружающих тканей) и FLASH-эффекта. «Различные энергии дают разные глубины осаждения энергии протонов. Можно выбирать эти энергии мгновенно, поэтому можно охватить большие опухоли, особенно глубоко расположенные в простате, почках, поджелудочной железе и мозге», — добавил Рю.
Разработка опирается на опыт проекта CBETA из Корнеллского университета, где фиксированные магниты перемещали электронные пучки на четырёх энергиях. Но для медицинского применения требовались серьёзные улучшения: протоны в 1836 раз массивнее электронов, а установка должна быть компактной для клиник. Архитектура стала более сложной с суженной апертурой для усиления поля.
Состоящая из девяти магнитов дуга – это фрагмент будущей установки. Полная установка будет состоять из двух таких дуг, соединенных прямыми секциями. В результате образуется трасса размером около 9 на 3 метра — значительно компактнее существующих установок, достигающих размеров футбольного поля. Установка рассчитана на циркуляцию пучка до 6000 оборотов.
Для осуществления проекта лаборатория сотрудничала с компанией SABR Enterprises, LLC (Массачусетс), занимающейся постоянными магнитами. Инженеры SABR разработали инструменты для высокоточной сборки и фиксации магнитов. Собранный массив был доставлен в Брукхейвен, где команда механиков установила его на стальную опорную плиту.
Испытания состоялись в Лаборатории космической радиации NASA (NSRL), где использовались пучки из ускорительного комплекса Брукхейвена. Пучки протонов с энергиями от 50 МэВ (минимальная для NSRL) до 250 МэВ (максимум по проекту) прошли через магниты по заданным траекториям. Следующий этап — тестирование на установке Tandem Van de Graaff в Брукхейвене на энергиях от 10 до 50 МэВ.
Команда работает над созданием полного ускорителя, но для применения в медицине нужны дополнительные исследования. Рю отметил: «Следующий шаг — эксперименты на клеточных культурах». В будущем он рассчитывает применить эту технологию для лечения людей.