О возможности развития ионной терапии в ИТЭФ М.М.Кац НТС3

После восстановления синхротрона УК на его базе можно сделать основное оборудование для центра ионной терапии, который по своим возможностям превзойдет все существующие и проектируемые центры ионной терапии. Эта работа возможна только под руководством дирекции ИТЭФ в тесном сотрудничестве с медиками Москвы и центральной России (ИТЭФ, ОНЦ, Дубна, Обнинск, 62 больница, Институт рентгена и радиологии, Бурденко,…).

Современная ситуация с центрами протонной и ионной терапии в мире и в России. 99% больных облучают на ГАММА установках (кобальт, 6МэВ, 20МэВ, брахиотерапия). Технология облучения развивается, десятки тысяч установок работают в мире, НО облучается не только мишень, но и здоровые части тела! Терапия пучком протонов позволяет точнее облучать мишень и тем самым снижает в 2-5 раз по сравнению с гамма облучение здоровых частей тела и вероятность осложнений. Терапия пучком ионов позволяет еще точнее облучать мишень и тем самым еще сильнее снижает по сравнению с гамма облучение здоровых частей тела и вероятность осложнений, но только облучение ионами позволяет бороться с радиорезистентными опухолями, которых около 15%. Только в Москве таких больных более в год.

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. Современный стандарт на центр протонной терапии – ускоритель – 3-5 комнат (2-4 ГАНТРИ), до 1500 пациентов в год. Сейчас строится 2-3 новых центра облучения протонами в год. Время строительства 3-4 года. Время освоения 3-5 лет. Цена каждого центра около 100 МЕu

Стандартный центр облучения протонами с двумя ГАНТРИ

Сейчас в мире работает около 6 центров ионной терапии, только в Гайдельберге построено одно ГАНТРИ на теплых магнитах (пока не работает), облучают в мире ионами менее 1500 пациентов в год. Современный стандарт при разработке новых центров ионной терапии – синхротрон – 3 комнаты с фиксированными пучками без ГАНТРИ. Очевидно, что выбирать оптимальные направления облучения в таких условиях нельзя. Цена каждого центра около 200 MEu. В Японии сделают одно ГАНТРИ на сверхпроводящих магнитах через 2 года. Аналогичные планы есть у фирмы IBA.

Планы создания и использования существующих возможностей по терапии пучками в России – Дмитровград – через 2 года будет построена стандартная (ОИЯИ+IBA) протонная система (2 ГАНТРИ). Протвино – Балакин усовершенствует свой компактный малоинтенсивный протонный синхротрон (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. В Дубне есть планы создания стандартного протонного центра. ИТЭФ есть большой опыт лечения протонным пучком (4260 пациентов за 40 лет).

Что надо для успешной работы центра терапии пучками протонов и ионов? 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, 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 0.5мм. Диаметр пучка при сканировании 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 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.

Биологическая доза BD=D*RBE RBE(protons) 1.05 RBE(c12)=f(dE/dx) R (dE/dx) RBE precision g /cm2 mev/cm C

Распределение дозы в теле от тонкого пучка протонов одной энергии. Кривые распределения дозы и BD в зависимости от пробега с учетом ядерных взаимодействий, рассеяния и статистического разброса в пробегах (straggling). Форма пика Брега зависит от пробега.

Как реализовать оптимальное распределение биологической дозы по глубине при облучении с одного направления? Для этого надо суммировать распределение биологических доз от частиц с разной энергией (пробегом) и с разной интенсивностью при учете рассеяния и поглощения частиц внутри тела. Получим распределенный пик Брега, который имеет плато по биологической дозе в пределах мишени.

Как распределяется биологическая доза (BD=D*RBE) при облучении ионами разных по размерам мишеней (без учета фрагментации)? Плато по биологической дозе до мишени тем выше, чем больше мишень. RBE влияет на распределение биологической дозы тем сильнее, чем мишень меньше и чем меньше ее глубина.

Как распределяется биологическая доза (BD=D*RBE) при облучении протонами и ионами мишеней с одинаковыми размерами и разной глубиной? Плато по биологической дозе до мишени от положения мишени зависит слабо Протоны Ионы

Доза в здоровых тканях К может быть оценена по отношению к дозе в мишени (1.0) Targets diameter d сm Protons К Carbon ions К Точность этих оценок около 10%. Основываясь на этих оценках можно предсказывать распределение биологической дозы при облучении любых по размерам и по положению мишеней с любых направлений.

Для примера показана схема облучения простаты протонами с четырех направлений с результирующим распределением дозы.

При облучении протонами или ионами с двух направлений дозы в здоровых тканях уменьшаются в 2 раза При облучении с одного направлении больших мишеней и протонами, и ионами дозы в здоровых тканях сравнимы с дозой в мишени.

В каждой фракции (в каждый день облучения) желательно проводить облучение с нескольких оптимальных направлений. Для этого обычно используют ГАНТРИ. ГАНТРИ это магнитный канал, который установлен на вращаемой раме и который транспортирует пучок к лежащему неподвижно пациенту с любых направлений.

Чем определяется конструкция ГАНТРИ ? Центр мишени неподвижен в центре облучения. Доступны все направления облучения. Тип частиц (протоны Р=0.7 или ионы 1.9ГэВ/c) Энергия частиц достаточна для пробега 30 г/см**2 Радиус поворота в магнитном поле 1.6Тл 1.5м или 4м Тип распределения дозы – пассивно (рассеяние и коллимация) – после последнего магнита не менее 3м для протонов! или активно (сканирование) - сканирующие магниты до последнего магнита, или (для протонов) после него. Сканирование точнее и сложнее.

ГАНТРИ для пучка ионов на теплых магнитах в Гайдельберге

Безумные размеры, вращаемый вес, мощность, механические и магнитные допуски на попадание пучка в центр мишени, исходный пучок должен быть ахроматичный и симметричный, стоимость! пока НЕ РАБОТАЕТ!

ГАНТРИ для ионов со сверхпроводящими магнитами будет компактнее и дороже.

Сделать ГАНТРИ компактнее, проще, дешевле - нельзя. Как компромисс и альтернатива были предложены (2002) плоские системы.

Плоская система (с поворотами пучка в вертикальной плоскости и с вертикальным смещением стола)

Сравнение возможностей горизонтального пучка, двух фиксированных направлений, плоской системы и ГАНТРИ.

Чем шире возможности выбора направления облучения – тем лучше. Сравнивались возможности оборудования с углами облучения от F=0 (горизонтальный пучок) до 90 градусов (ГАНТРИ) с промежуточными величинами 30 и 60 градусов по числу доступных для облучения направлений на 11 реальных типичных примерах (томограммах) различных локализаций, которые были представлены проф. Е.В.Хмелевским (МЦРР). 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 лучше, но сравнимы с возможностями оборудования с углами облучения до ±60 градусов. Возможности плоской системы с углами наклона пучка до 30 градусов существенно лучше, чем возможности систем с фиксированными направлениями пучка.

В чем преимущества такой системы по сравнению с обычным ГАНТРИ ? Поворот пучка не всегда на 180 градусов, а на нужный угол 0

Сравнение оптики ГАНТРИ и плоской системы

В чем отличия и недостатки такой системы по сравнению с обычным 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 не технические – Врачи привыкли вращать пучок вокруг неподвижного пациента. Фирмы ориентированы на получение максимальной прибыли от продажи дорогого оборудования.

Не все пространственные направления доступны для облучения, но, возможности выбора оптимальных направлений облучения увеличиваются с увеличением угла F и для F45 градусов близки к возможностям ГАНТРИ. Современные механизмы позволяют перемещать процедурный стол с пациентом в нужную точку с требуемой точностью. 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 диапазон направлений облучения и ликвидировать дисперсию.

Вариант расположения трех процедурных комнат для пучка ионов с любыми направлениями облучения

Схемы огибающих пучка ионов в системе с тремя процедурными комнатами 45SPS(45) для разных углов поворота пучка в SPS(45)

Плоские системы были опубликованы в ПТЭ (2002) и в Медицинской физике (2002), доложены в ИТЭФ, ИФВЭ, Дубне, RuPACs, 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.

ИТЭФ обладает возможностями для создания в ограниченный срок уникального лучшего в мире оборудования для центра облучения ионами на основе того оборудования, которое не сильно пострадало от пожара. 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 до любых нужных для медицины энергий (до 400МэВ/нуклон). Разработан проект медленного вывода ускоренного пучка из УК.

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. Второй стенд для радиобиологических опытов можно использовать и для опробования плоской системы. Магниты для такой системы в ИТЭФ есть.

Схема медленного вывода пучка ионов из УК в горловину корпуса 120 для двух стендов

Вертикальное сечение стенда в горловине корпуса 120 для биофизических экспериментов и для опробования плоской системы на базе двух магнитов СП94

Для создания 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. 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.

Схема расположения пяти процедурных комнат на трех уровнях с системами изменения направления пучка в пределах -45

При создании запланированного магнитного канала транспортирующего пучок протонов от линейного ускорителя И2 в УК то же оборудование снабдит пучками протонов те же процедурные комнаты с возможностями менять направление пучка и сканировать мишень или протонный пучок может быть направлен в старые процедурные комнаты.

Project of expanded Injection Complex for ITEP-TWAC (2010) Beam transfer line I-2/UK Beam transfer line I-2/U-10 Ring UK: Acceleration of proton and any ion beams up to the energy of 50 MeV – 2.5 GeV for protons and 10 MeV/u – 700 MeV/u for ions Beam transfer line I-4/UK Ring U-10: Acceleration of proton and any ion beams up to the energy of GeV for protons and 100 MeV/u – 4 GeV/u for ions, Stacking of nuclei at the energy of MeV/u

Layout of expanded experimental area for applied research Treatment rooms for proton and ion therapy Medical Building Target Hall Stands for research on radiography and high density energy in matter Fast extracted beam from U-10 Ring Slow extracted beam from UK Ring Fast extracted beam from U-10 Ring Ring UK Ring U-10 Stands for biological research and radiation treatment of materials

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.

Если решение о создании на базе УК центра облучения ионами будет принято, то за время восстановления УК желательно под руководством дирекции ИТЭФ 1. Сравнить руками специалистов при помощи стандартных программ планирования облучения протонами на ГАНТРИ качество облучения 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 здания (или модернизации корпуса 120).

8. Провести проектные работы. 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.

Создание центра облучения ионами не препятствует восстановлению всего ускорительного комплекса ИТЭФ. Работа технологического канала будет возможна сразу после вывода ионов в горловину 120 корпуса. После восстановления У10 станет возможным продолжение работ в направлении ТВН, быстрого вывода протонов из У10 в старые медицинские кабины.медленного вывода в направлении 212 (Титоренко), быстрого и медленного вывода пучка из У10 в БЭЗ (канал 311 для протонографии и канал 312 (Ставинский), вывода частиц в каналы 313 (Куликов) и 322 (Алексеев). Дополнительно будет рассмотрена возможность второго медленного вывода из УК в направлении БЭЗ для расширения возможностей экспериментов.

Спасибо за внимание.

Ниже приводятся данные PTCOG для всех существующих адронных центров на март 2011 г ( pdf-file for download prepared by PTCOG Secretary). pdf-file for download prepared by PTCOG Secretary WHO, WHERE COUNTRYPARTICLE MAX. CLINICAL ENERGY (MeV) BEAM DIRECTION START OF TREATMENT TOTAL PATIENTS TREATED DATE OF TOTAL ITEP, MoscowRussiap2503 horiz Dec-10 St.PetersburgRussiap10001 horiz Dec-10 PSI, VilligenSwitzerlandp721 horiz Oct-10 DubnaRussiap200****horiz Dec-10 UppsalaSwedenp2001 horiz Dec-10 ClatterbridgeEnglandp621 horiz Dec-10 Loma LindaCA.,USAp2503 gantry, 1 horiz Jan-11 NiceFrancep651 horiz Dec-10 OrsayFrancep ***** 2301 gantry,1 horiz Dec-10 iThemba LabsSouth Africap2001 horiz Dec-09 MPRI(2)IN.,USAp2002 gantry, 1 horiz Dec-10 UCSFCA.,USAp601 horiz Dec-10 HIMAC, ChibaJapanC-ion800/uhoriz.,vertical Aug-10 TRIUMF, VancouverCanadap721 horiz Dec-10 PSI, VilligenSwitzerlandp**250*1 gantry, 1 horiz Dec-10 G.S.I. DarmstadtGermanyC-ion**430/u1 horiz Nov-09 HZB (HMI), BerlinGermanyp721 horiz Dec-10 NCC, KashiwaJapanp2352 gantry Dec-10 HIBMC,HyogoJapanp2301 gantry Nov-09 HIBMC,HyogoJapanC-ion320horiz.,vertical Nov-09 PMRC(2), TsukubaJapanp250gantry Dec-10

PMRC(2), TsukubaJapanp250gantry Dec-10 NPTC, MGH BostonUSAp2352 gantry, 1 horiz Dec-10 INFN-LNS, CataniaItalyp601 horiz Mar-09 ShizuokaJapanp235gantry, horiz Dec-10 WERC,TsurugaJapanp2001 horiz.,vertical200262Dec-09 WPTC, ZiboChinap2302 gantry, 1 horiz Dec-10 MD Anderson Cancer Center, Houston, TX USAp***2503 gantry, 1 horiz Apr -11 UFPTI, Jacksonville, FL USAp2303 gantry, 1 horiz Dec-10 NCC, IIsanSouth Koreap2302 gantry, 1 horiz Dec-10 RPTC, MunichGermanyp**2504 gantry, 1 horiz Dec-10 ProCure PTC, Oklahoma City, OK USAp230 1 gantry, 1 horiz, 2 horiz/60 deg Dec-09 HIT, HeidelbergGermanyp**2502 horiz.2009 treatment started Nov-09 HIT, HeidelbergGermanyC-ion**430/u2 horiz.2009 treatment started Nov-09 UPenn, PhiladelphiaUSAp2304 gantry, 1 horiz Dec-10 GHMC, GunmaJapanC-ion400/u3 horiz., vertical2010 treatment started Mar-10 IMPCAS, LanzhouChinaC-ion400/u1 horiz Dec-10 CDH Proton Center, Warrenville, IL USAp230 1 gantry, 1 horiz, 2 horiz/60 deg treatment started Oct-10 IFJ PAN, KrakowPolandp601 horiz Apr-11