Точно в цель

ТЕХНОЛОГИИ / #9_2019
Текст: Ирина ПРОРОВСКАЯ / Фото: Karfidovlab.com

Три кита современного подхода к лечению онкологических болезней — хирургия, лекарства и лучевая терапия. Поиск волшебной таблетки от рака, по мнению ученых, не имеет перспектив; нужно бить по раковым клеткам из всех орудий, постоянно их совершенствуя. Работу в этом направлении ведет и АО «Русатом Хэлскеа», на базе которого разрабатывается первый отечественный комплекс лучевой терапии.

Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации (АО «НИИТФА»), входящий в контур «Русатом Хэлскеа», завершает работу над экспериментальным образцом линейного ускорителя для лучевой терапии. Радиотерапевты могли увидеть макет разработки осенью 2019 года на III Всероссийском конгрессе Российской ассоциации терапевтических радиационных онкологов. Речь идет о комплексе лучевой терапии на базе ускорителя электронов с энергией 6 МэВ и конусно-лучевого компьютерного томографа. Сегодня линейный ускоритель — главное лечебное устройство, которым оснащаются отделения дистанционной лучевой терапии.

Больше половины пациентов с онкологическими заболеваниями нуждаются в радиотерапии. Существует несколько видов такого лечения. Контактная лучевая терапия подразумевает подведение источника излучения непосредственно к злокачественному новообразованию, что возможно только при поверхностных опухолях или в ходе операции. Радионуклидная терапия — это использование радиофармпрепаратов, которые могут накапливаться в тканях организма. Самый известный пример — применение радиоактивного йода для лечения некоторых видов рака щитовидной железы. Дистанционная лучевая терапия дает возможность бесконтактно воздействовать на опухоль, лежащую глубоко и окруженную здоровыми тканями. Для этого используются установки, позволяющие прицельно облучать злокачественные новообразования дозами, рассчитанными персонифицированно, с учетом типа и размера опухоли, возраста пациента и других факторов. Сегодня это самый востребованный вид лучевой терапии в мире.
В НИИТФА в конце 2017 года стартовали работы по созданию радиотерапевтической установки «Оникс». «Идея принадлежит академику Валентину Пантелеймоновичу Смирнову, научному руководителю института, — рассказала Татьяна Крылова, руководитель проекта. — В России еще не было подобных проектов, хотя существуют все необходимые компетенции для этого. Учитывая распространение онкологических заболеваний и недостаток подобного оборудования, взяться за такую работу было правильно и с социальной, и с экономической точки зрения».

В команде проекта собраны как опытные профессионалы, так и молодые специалисты: конструкторы, инженеры, физики, электронщики, механики, а также медицинские физики.

Реализация проекта стала возможной благодаря субсидии, полученной от Минобрнауки, а также софинансированию проекта госкорпорацией «Росатом» через медицинского интегратора «Русатом Хэлскеа».
Как все начиналось
Основой для развития лучевой терапии стала череда открытий в области физики, в том числе нобелевских, сделанных в конце XIX века Вильгельмом Рентгеном, Антуаном Беккерелем, Пьером и Марией Кюри, Эрнстом Резерфордом, Полем Виллардом и другими учеными.

В 1903 году Александр Белл предпринял первые попытки воздействовать источниками радия на опухолевые ткани. В том же году в России был открыт первый отдел лучевой терапии в Институте им. Морозовых (сейчас МНИОИ им. П. А. Герцена). Спустя три года его руководитель Дионисий Решетилло выпустил первое в России учебное пособие для врачей и студентов «Лечение лучами Рентгена с изложением рентгенологии и рентгенодиагностики», а следом — монографию «Радий и его применение».

В 1923 году институт использовал при лечении онкологических заболеваний два рентгенотерапевтических аппарата.

В Европе в то время активно велись работы по созданию ускорителей заряженных частиц. Еще до начала 1930-х годов появились и стали использоваться в исследовательских целях первые линейные ускорители, циклотроны, ускорители Ван-де-Граафа. Первый медицинский ускоритель для лучевой терапии онкологических больных был установлен в 1937 году в лондонском госпитале Святого Варфоломея. Это был гигантский аппарат (его размеры достигали 10 метров) с энергией всего около 1 МэВ.

С тех пор эти устройства продолжают совершенствоваться — идет непрерывный поиск возможностей сделать более эффективным и безопасным их применение не только в медицине, но и в химической и пищевой промышленности, сельском хозяйстве, электронике и других сферах.
Первый в России
Потребность России в линейных ускорителях для лучевой терапии МАГАТЭ и ВОЗ оценивают как минимум в 500 единиц. Однако сегодня в медицинских учреждениях, осуществляющих лечение онкологических заболеваний, установлено лишь около двух сотен таких устройств. Не все они отвечают современным требованиям, значительная часть оборудования — гамма-терапевтические аппараты на основе источника кобальта, которые не могут реализовывать большинство современных методик облучения. По разным оценкам, до 80% оборудования для лучевой терапии в стране исчерпало свой ресурс. В рамках нацпроекта «Здравоохранение» предусмотрена модернизация медицинского оборудования онкоцентров, в том числе закупка аппаратов для лучевой терапии, до 2024 года.

Потребность только в линейных ускорителях, в том числе для замены устаревшей техники, составляет порядка 268 устройств, сообщает деловой журнал Vademecum со ссылкой на МНИОИ им. П. А. Герцена. Одна из целей разработки комплекса «Оникс» — обновление аппаратного парка онкоцентров.

Мировые лидеры в производстве комплексов лучевой терапии — американская Varian Medical Systems и шведская Elekta. В их линейке есть оборудование, аналогичное разработке ­НИИТФА — это комплексы Unique и Compact, широко представленные на рынке. Прежде российский опыт создания ускорителей для дистанционной лучевой терапии ограничивался проектами НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, который по технологии Philips в 1990-х годах начал выпуск линейного ускорителя с энергией пучка до 6 МэВ, а впоследствии занимался разработкой ускорителя «Эллус 6М». Однако регистрационное удостоверение медицинским изделием «Эллус 6М» не получено, и оно пока не может использоваться для лечения пациентов. Таким образом, сегодня радиотерапевтическая установка ­НИИТФА не имеет аналогов в России.
Комментарий эксперта

Александр Шибанов
директор АО «Русатом Хэлскеа»
— Разрабатываемая радиотерапевтическая система — это не только медицинский ускоритель, это многокомпонентный программно-аппаратный комплекс, содержащий также систему дозиметрического планирования для расчета планов облучения и онкологическую информационную систему. Таким образом, после поставки «Оникса» в радиологические отделения врачи получат рабочую систему, не требующую докомплектации отдельными модулями и частями. Единая интегрированная цифровая платформа станет универсальной и для дальнейших разработок в области лучевой терапии.
Следить за дыханием
Работу над комплексом НИИТФА ведет в партнерстве с НМИЦ Радиологии М З РФ, где, в числе прочего, были разработаны медико-технические требования к нему. В ходе проекта постоянно проводятся семинары с медико-физическим сообществом — пользователями аналогичного импортного оборудования в клиниках, что позволяет, получая обратную связь и поддержку, создавать продукт фактически под запрос пользователей.

Еще один партнер НИИТФА по проекту — Лаборатория электронных ускорителей МГУ им. М. В. Ломоносова (ООО «ЛЭУ МГУ») — там был спроектирован, разработан и изготовлен ускоритель электронов, состоящий из таких узлов, как ускорительная система, клистрон и модулятор. ЛЭУ МГУ во главе с профессором Василием Шведуновым уже имеет опыт разработки и серийного производства ускорительных систем для досмотровых комплексов.

Т. Крылова отмечает компактность ускорительной трубки, расположенной прямо в ­крутящейся части гантри (опорно-поворотного устройства, вращающегося вокруг пациента и направляющего пучок в намеченную область) — это позволило уменьшить вес и размер аппарата. Для подобных устройств габариты имеют большое значение (громоздкие аппараты требуют наличия в лечебном учреждении специальных ­бункеров).

Комплекс «Оникс», благодаря режимам работы с высокой мощностью дозы, позволяет проводить так называемую стереотаксическую терапию, то есть обеспечивать очень высокую дозу облучения за малое количество сеансов. Это сокращает курс лучевой терапии: пациент приходит в онкоцентр, например, не 20 раз, а только пять.

Генерируемый ускорителем пучок тормозного излучения можно использовать как с выравнивающим фильтром, так и без него — это расширяет возможности использования устройства. Вылетающий из ускорителя пучок имеет разную интенсивность — высокую в центре и сниженную по краям. Однако при некоторых видах и локализациях опухолей необходимо, чтобы пучок был плоским, дабы пораженная область покрылась дозой облучения равномерно. Для этого и используется выравнивающий фильтр — модификатор геометрических параметров пучка.
Еще одно преимущество ускорителя, разработанного НИИТФА, — многолепестковый коллиматор. Эта система позволяет блокировать часть пучка с помощью вольфрамовых пластин, движущихся независимо друг от друга. Сами по себе лепестки не пропускают пучок. Выстраиваясь в разнообразные фигуры, они позволяют подстраивать его под опухоли разной конфигурации, приоткрывая пораженные области и закрывая здоровые ткани. Коллиматоры есть во всех современных моделях ускорителей для лучевой терапии, однако они различаются количеством и шириной лепестков — чем лепестков больше, а ширина их меньше, тем шире возможности подстройки пучка под конкретную опухоль.

Управлять пучком позволяет и система мониторинга дозы, встроенная внутрь коллимационной системы ускорителя, — ионизационная камера. По словам Т. Крыловой, доза, которую получит пациент, контролируется, помимо прочего, и на выходе из ускорителя. Это происходит при его прохождении через ионизационную камеру, после чего система дает ускорителю сигнал к отключению. Кроме того, она отслеживает симметрию пучка, а также дает обратную связь: если с пучком что-то не так, автоматически блокирует его.

Ускоритель «Оникс» будет оснащен специально разработанной оптической системой отслеживания дыхания пациента и его движений. Если человек во время сеанса делает глубокий вдох или кашляет, опухоль внутри него смещается — пучок в таком случае может потерять условную мишень. «Тело пациента, конечно, позиционируется, обязательно проводится компьютерная томография — перед каждой укладкой или согласно клиническому протоколу — для оценки расположения мишени относительно пучка, — объясняет Т. Крылова. — Но если пациент сдвинулся, есть риск, что пучок будет „стрелять“ не точно в пораженную область и затронет здоровые ткани. Постоянно отслеживая такие моменты, можно остановить пучок, если мишень сместилась».

Во время сеанса лучевой терапии пациент лежит на терапевтическом столе, который в установке «Оникс» имеет шесть степеней свободы и может не только сдвигаться вниз, вверх и в стороны, но и наклоняться в разных направлениях. Это, опять же, позволяет предельно точно подстроить положение мишени относительно пучка. Речь, по словам разработчиков, идет о точности меньше 1 мм и 0,5°.
Дизайн на будущее
Дизайн комплекса разрабатывался в конструкторском бюро «Карфидов Лаб», проектный портфель которого представлен такими работами, как конструкция факела Зимних олимпийских игр 2014 года, дизайн робота-курьера для «Сбербанка», универсального 3D-принтера, ванадиевой редокс-батареи, а также несколькими проектами медицинской направленности, например, автоматическим устройством для инъекций. По словам генерального конструктора бюро Алексея Карфидова, главной задачей лаборатории было сделать дизайн не только компактным и современным, но и максимально позитивным. «Это не просто медицинское устройство, оно предназначено для людей с тяжелыми заболеваниями, — объясняет свою идею А. Карфидов. — Перед нами стояла задача сделать его таким, чтобы не было никаких элементов, которые визуально могли бы раздражать. Мы проработали несколько вариантов дизайна — и получилась конструкция, напоминающая дельфина или косатку — животных, которые человеком воспринимаются как позитивные, дружелюбные».

На этапе предпроектного исследования команда «Карфидов Лаб» изучила рынок медицинских ускорителей, современных и выпускавшихся на протяжении последних 40 лет. Это было необходимо, чтобы, что называется, сработать на будущее.

«Нас интересовал некий тренд во времени, — говорит А. Карфидов. — Например, в старых моделях ускорителей активно использовались винты и шурупы. Сейчас, чтобы снять такую обшивку, например, в ходе ремонта устройства, приходится применять сложные инструменты. Годы эксплуатации показывают, что это не очень хорошее решение. Вместо креплений такого типа мы использовали внутренние защелки: их не видно снаружи, они могут удерживать детали в разных положениях, позволяют снимать и надевать обшивку предельно просто, без применения инструментов. Некоторые детали корпуса можно снять буквально с помощью кнопок».

Разработка дизайна такого крупного устройства, как медицинский ускоритель, сопряжена с дополнительными сложностями. Общая площадь всех поверхностей корпуса, по словам А. Карфидова, составила больше 50 метров. Конструкторам пришлось использовать технологии дополненной реальности, чтобы корректно оценить форму и габариты устройства. «Для создания прототипа мы использовали сразу несколько технологий: это печать, формовка, выклейка, сборка, грунтовка, покраска, — рассказывает А. Карфидов. — Много времени ушло на то, чтобы красиво и осмысленно разделить большую площадь конструкции на правильные участки. Необходимо, чтобы все детали корпуса конструкции аккуратно собирались, нахлестывались, стыковались, чтобы весь процесс было прост и удобен и ничто не мешало обслуживанию, чистке, ремонту и эксплуатации устройства».

Работа над промышленным дизайном ускорителя заняла пять месяцев.
В мире
Согласно данным МАГАТЭ, по общему количеству медицинских ускорителей лидируют США: в медучреждениях страны используются 3610 устройств, один ускоритель приходится на 90 тыс. жителей. В Китае — 1086 таких аппаратов, однако охват населения несравнимо ниже — один ускоритель на 1 276 тыс. человек. В пятерке лидеров также Япония (861), Германия (523) и Франция (504). Общее количество медицинских ускорителей, используемых по всему миру, превышает 12 тыс. единиц.
Сервис с нуля
Сегодня НИИТФА завершает работу над экспериментальным образцом радиотерапевтической установки. В планах на 2020 год — создание опытного образца. На этом этапе к работе подключится московское опытно-конструкторское бюро «Марс», которое примет участие в разработке инновационного терапевтического стола и многолепесткового коллиматора. В результате возрастет доля отечественных комплектующих устройства, которая сейчас составляет порядка 70%.

Опытному образцу предстоят технические, а после — клинические испытания и прохождение медицинской сертификации, после чего устройство может появиться в отделениях лучевой терапии. Ожидается, что аппарат будет готов к поставке в онкоцентры к концу 2021 года. Планируется выпуск до двадцати таких комплексов в год.

Параллельно НИИТФА предстоит фактически с нуля создать инфраструктуру для обслуживания нового устройства. На базе института будет работать сервисная служба для обучения и сертификации инженеров, которым предстоит обслуживать ускорители. Речь идет как о подготовке специалистов, работающих на местах, в отделениях лучевой терапии, так и о создании службы, сотрудники которой будут готовы оперативно выезжать на места для ремонта устройства. Предполагается несколько схем, в зависимости от того, как будет организована работа с ускорителем в учреждениях.
«После обучения инженеры смогут ремонтировать ускоритель, за исключением замены крупных компонентов, — говорит Т. Крылова. — Если таких специалистов в штате клиники нет, предполагаются профилактические работы раз в три месяца. Поддержка сервисной службы по программному обеспечению будет доступна удаленно в режиме 24/7. Также удаленно можно будет отслеживать большинство параметров ускорителя. Во время сервисных работ и непосредственно эксплуатации устройства автоматически будет записываться информация о его состоянии, параметрах, которая будет передаваться по сети в НИИТФА. Ее анализ позволит постоянно отслеживать работу ускорителя и предотвращать возможные ­поломки».

Предстоит решить и задачу подготовки медицинского персонала для работы на новом ускорителе. Это «больное место» онкологической службы в масштабах всей страны: зачастую на местах есть дорогостоящее современное оборудование, но нет или не хватает людей, умеющих с ним обращаться. Работа на линейном ускорителе для лучевой терапии предусматривает участие как минимум трех специалистов: медицинский физик рассчитывает план облучения и следит за работой аппарата; техник выполняет рутинную работу и отслеживает параметры; радиационный технолог укладывает пациента, осуществляет визуализацию и управляет аппаратом непосредственно во время лечения. По словам Т. Крыловой, ­НИИТФА уже работает в этом направлении с Ассоциацией медицинских физиков России и планирует сотрудничество с Ассоциацией радиационных онкологов России: «В Обнинске планируется создание специального образовательного центра, где будут проводиться как подготовка персонала радиотерапевтических отделений в целом, так и его обучение работе конкретно на нашем ускорителе. Это одна из задач на ближайшую перспективу».
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #9_2019