В период с 1967 по 1972 гг. осуществлялось создание медицинского протонного комплекса на базе Ленинградского института ядерной физики им. Б.П. Константинова (ныне – НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ) при участии врачей - радиологов Центрального научно-исследовательского рентгенорадиологического института Министерства здравоохранения СССР (ныне – РНЦРХТ Минздрава РФ).

Исследования на пучке протонов синхроциклотрона Ленинградского института ядерной физики применительно к целям терапии проводились с 1971г. Дозиметрические и радиобиологические характеристики пучка синхроциклотрона ЛИЯФ изучались в воздухе и при прохождении протонов через вещество. Исследования проводились на тканеэквивалентных фантомах, мелких биологических объектах (дрожжевых клетках, дрозофилах и асцитных опухолевых клетках), на собаках и фантоме-манекене человека.

В январе 1973 года был введен в эксплуатацию медицинский протонный тракт 1000 МэВ синхроциклотрона Ленинградского института ядерной физики им Б.П. Констатинова.

Это был третий в СССР и шестой в мире медицинский протонный комплекс. Одновременно в ЦНИРРИ (ныне – РНЦРХТ) было создано отделение протонной терапии. Его основателем и бессменным руководителем в течение четверти века был профессор Б.А. Коннов, благодаря которому этот метод лучевого лечения стал одним из ведущих высокотехнологичных направлений деятельности института.

Результаты исследования, касающиеся использования протонного пучка в лучевой терапии опухолей гипофиза и заболеваний центральной нервной системы, были одобрены Комитетом по новой медицинской технике Управления по внедрению лекарственных средств и медицинской техники Министерства здравоохранения СССР 13 марта 1980г.

Преимущества протонной терапии

Преимущества протонной терапии при сравнении с хирургическими методами лечения:

• лечение проводится без повреждения целостности черепа и разрушения ткани   головного мозга.
• нет жизненно опасных или ведущих к инвалидности осложнений;
• эффект реализуется через 6-12 месяцев, что дает организму плавно адаптироваться изменениям гормонального фона после протонной терапии (ПТ) передней трети гипофиза;
• женщины детородного периода через 1-2 года после лечения имеют возможность забеременеть и, при желании, родить здорового ребенка, что нереально после хирургического вмешательства

Таким образом, ПТ является эффективным, бескровным методом лечения. Не имеет жизненно важных осложнений и может являться полноценной альтернативой как хирургическим так и медикаментозным методам лечения.

Рис. 1. Фото установки протонной стереотаксической терапии (УПСТ)

Накопленный за десятилетия опыт клинического использования пучка протонов с энергией 1 ГэВ позволяет считать, что наиболее рационально их применение в области радио-нейрохирургии - т.е. не инвазивного воздействия на различные структуры головного мозга.

С учетом малого рассеяния высокоэнергетического пучка, можно создать дозное поле с резким градиентом дозы за пределами мишени при использовании облучения «напролет» ("shoot-through") с применением двухосевого маятникового качания в сочетании с ротацией.

Для обеспечения стереотаксического облучения был разработан комплекс оборудования, позволяющий осуществлять прецизионную центрацию пучка протонов в зоне мишени. Эффект достигается смещением объекта вокруг двух осей вращения, расположенных в различных плоскостях. Основной элемент установки - стол, на который укладывается больной, совершающий в горизонтальной плоскости маятникообразное движение в диапазоне ±40° (рис. 2).

Передняя часть стола представляет собой прибор-фиксатор головы, дека которого маятникообразно качается вокруг горизонтальной продольной оси с дугой ±36°, либо одновременно с поворотами деки стола, либо независимо. Обе оси качания, вертикальная и горизонтальная, а также перпендикулярная к ним ось пучка излучения пересекаются в одной точке (0), являющейся изоцентром вращений. Перед облучением пациента проводится юстировка оси протонного пучка на изоцентр и выведение на него мишени путем перемещения деки прибора-фиксатора головы. Для центрации больного используется специально адаптированный к данным условиям рентгеновский диагностический аппарат с возможностью вращения вокруг изоцентра (угол поворота от 0⁰ до 90⁰).

Пучок протонов направлен вдоль оси Y 1- траектория пучка на поверхности головы пациента при последовательных вращениях стола, пациента и прибора-фиксатора; 2- траектория пучка на поверхности при одновременных вращениях стола, пациента и прибора-фиксатора. Распределение дозных полей для пучка протонов с размерами: Х=6 мм, Z=6 мм по 50% изодозе

Рис. 2.  Схема вращения головы больного при двухосевом (оси Z и X) маятниковом облучении.

Благодаря использованию данной методики подвижного облучения достигается отношение поглощенной в очаге дозы к поверхности порядка 200:1. Точность наведения составляет доли миллиметра.

ОПЫТ протонной стереотаксической радиохирургии на синхроциклотроне (С-1000) ПИЯФ

* Повторное облучение

Всего с 1975 года по настоящее время протонная терапия (ПТ) на синхроциклотроне ПИЯФ осуществлена 1394 пациентам (табл. 1). В 151 случаях она осуществлялась повторно.

В настоящее время проводится модернизация комплекса протонной терапии.

Последние десятилетия отмечены интенсивным внедрением методов ядерной физики и наукоемких технологий в области, непосредственно связанные с качеством человеческой жизни и, в частности, с развитием совершенно новых отраслей медицины. Использование достижений фундаментальной ядерной науки послужило основой создания совершенно нового направления современной медицины - ядерной медицины. Уникальность методов ядерной медицины состоит в том, что они позволяют диагностировать функциональные отклонения жизнедеятельности органов на самых ранних стадиях болезни, когда человек еще не чувствует симптомы заболевания. Это позволяет быстрее обнаруживать и лечить большое количество разнообразных заболеваний, существенно экономя средства на лечение.

Технологии ядерной медицины, направленные как на диагностику, так и на терапию заболеваний, в основном базируются на использовании различных видов излучений радиоактивных нуклидов. Радиоактивные нуклиды или радиоактивные изотопы - это атомы, ядра которых в отличие от ядер стабильных изотопов, из которых состоит весь окружающий нас мир, имеют другое число нейтронов. Скажем, если ядра углерода-12, и углерода-13, имеющие заряд ядра Z=6 и число нейтронов соответственно 6 и 7, являются стабильными, то ядро углерода-11 с тем же зарядом и числом нейтронов 5 является радиоактивным и распадается с испусканием позитронов - положительно заряженных бета- частиц.

С самого начала основными источниками получения медицинских радионуклидов являлись реакторы на тепловых нейтронах. Поскольку в последнее десятилетие во многих странах ширится общественное движение за запрет строительства новых реакторов, а также за закрытие старых, учеными интенсивно ищутся новые методы производства радионуклидов для медицины. В настоящее время на первое место в производстве радионуклидов выходят ускорители заряженных частиц – циклотроны, как наиболее безопасные и надежные технологические установки.

Кратко процесс получения какого-либо радионуклида может быть описан следующим образом. Мишенное вещество (мишень), ставится на облучение пучком бомбардирующих частиц – это могут быть протоны, альфа-частицы (альфа-частица - это ядро атома гелия-4, имеющее два протона и два нейтрона), или тяжелые ионы. В результате ядерных реакций в веществе мишени образуются различные радионуклиды. Для получения максимального количества требуемого радионуклида необходимо иметь определенное мишенное вещество высокой чистоты и определенный тип пучка бомбардирующих частиц высокой интенсивности. После заданного времени облучения мишень направляется в горячую камеру, где радиохимическими методами производится выделение нужного радионуклида.

Набор производимых на циклотронах радионуклидов во много раз шире и разнообразнее, чем получаемых на реакторах. Используя мишени, содержащие уран-238, в реакции деления на протонных пучках можно в большом количестве получать те же радионуклиды, что и на реакторах на тепловых нейтронах. При этом важно подчеркнуть, что только на ускорителях заряженных частиц можно производить радионуклиды, излучающие позитроны и используемые для ПЭТ – позитронно-эмиссионной томографии. Среди них стронций-82 — генераторный радиоизотоп, который в последнее время очень широко используется для ПЭТ-диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Генераторным называется радионуклид, при распаде которого образуется тот радиоизотоп, который непосредственно используется при проведении медицинских процедур. Например, стронций-82 (материнский изотоп) распадается (генерирует при своем распаде) радионуклид рубидий-92 (дочерний изотоп), который и используется в ПЭТ-диагностике. Удобство использования генераторных изотопов состоит в том, что материнский изотоп (радионуклид-генератор) может иметь достаточно длительное время жизни (период полураспада стронция-82 равен 25.5 суток) и поэтому может быть доставлен практически без потерь в любое, самое отдаленное место. При этом рубидий-82, который вводится пациенту, имеет период полураспада 1.3 мин., т.е. распадается практически сразу после проведения диагностической процедуры и поэтому не накапливается в организме пациента.

Также на циклотронах можно непосредственно получать короткоживущие радиоизотопы, что дает при диагностике и терапии значительное уменьшение дозы радиации, получаемой пациентом. В настоящее время большой интерес проявляется к использованию альфа излучателей при проведении терапевтических процедур злокачественных опухолей на ранней стадии их образования. Альфа-частицы эффективно уничтожают злокачественные образования, по размеру соответствующие размеру клетки (клеточная радиоизотопная хирургия), не повреждая при этом окружающие ткани. Радиоизотопы, испускающие при распаде альфа-частицы - Tb-149 и Ra-223, 224, также могут быть получены на ускорительных пучках.

В настоящее время в России почти все циклотроны, используемые для получения медицинских радионуклидов, имеют низкие энергии бомбардирующих частиц, поэтому набор производимых на них нуклидов достаточно ограничен. Циклотрон РНЦ «Курчатовский институт» (Москва) является в настоящее время единственным циклотроном, обеспечивающим получение выведенного пучка протонов с энергией около 30 МэВ. В результате только на этом циклотроне производится йод-123 высокой радионуклидной чистоты из ксенона-124.

Также в этой связи необходимо упомянуть линейный ускоритель Института ядерных исследований РАН (г. Троицк Московской обл.). На отводе протонного пучка 160 МэВ создана лаборатория с установкой по облучению мишеней током до 120 мкА для получения медицинских радионуклидов. Существенным недостатком данного метода является тот факт, что эксплуатация ускорителей такого рода чрезвычайно затратна, и стоимость производства медицинских радионуклидов на ней значительно дороже, чем при использовании специально конструируемых и изготавливаемых для этой цели циклотронов с энергией протонов до 80 МэВ.

В ПИЯФ НИЦ «КИ» в 2013 г. завершено строительство и в настоящее время проводятся пуско-наладочные работы циклотрона Ц-80. Энергия выведенного протонного пучка будет варьироваться в диапазоне 40-80 МэВ, интенсивность пучка на мишени до 200 µA. Данный циклотрон предназначен для производства широкого спектра радионуклидов для диагностики и терапии, а также для лечения офтальмологических заболеваний путем облучения злокачественных образований глаза. На пучке циклотрона Ц-80 создается радиоизотопный комплекс РИЦ-80 (Радиоактивные Изотопы на циклотроне Ц-80). На данном радиоизотопном комплексе планируется производить все вышеуказанные радионуклиды, а также многие другие, считающиеся в настоящее время наиболее перспективными для использования в диагностике и терапии. На одной из мишенных станций комплекса будет установлен электромагнитный масс-сепаратор – прибор, позволяющий получать разделенные по массам медицинские радионуклиды высокой чистоты. Данный метод обеспечивает разделение получаемых изотопов в элекромагнитных полях, и высокоселективное выделение требуемого радионуклида, что невозможно получить радиохимическими методами.

Одним из основных компонентов ускорительных установок по получению медицинских радионуклидов являются используемые мишенные вещества и мишенные устройства, которые определяют набор получаемых радиоизотопов, эффективность их получения и чистоту. Поэтому разработка новых мишенных устройств, которая в настоящее время интенсивно ведется в ПИЯФ, во многом является ключевым фактором для получения широкого набора медицинских радионуклидов на радиоизотопном комплексе РИЦ-80.

Создаваемый комплекс обеспечит самые широкие возможности в получении медицинских радионуклидов и радиофармпрепаратов как для диагностики, так и для терапии, которых до настоящего времени не было на других Российских установках. По своим параметрам и возможностям РИЦ-80 будет соответствовать самым лучшим зарубежным радиоизотопным комплексам. По возможности получения сверхчистых радионуклидов данная установка не будет иметь мировых аналогов.

к.ф.-м. н. В. Н. Пантелеев

В 1965 году Б. Г. Турухано создал новую лабораторию голографии, где уже в 1967 году была получена первая голограмма пузырьковой камеры, которую лишь через 18 лет смогла повторить Резерфордовская лаборатория.

В 1969 году была разработана установка для обмера объемных голограмм пузырьковых камер.

К 1982 году были получены первые линейные голографические дифракционные решетки (ЛГДР) уникальной точности.

В 1988 году ГКНТ СССР объявил конкурс с целью создания измерительных систем высокой точности. Лаборатория выиграла этот конкурс и получила финансирование в размере около одного миллиарда рублей.

Голографические системы характеризуются высокой надежностью и многофункциональностью. Они предназначены для прецизионных измерений перемещений в реальном масштабе времени, обработки и сохранения результатов измерения при работе как в автономном режиме, так и с автоматизированными системами измерения и в составе измерительно-вычислительных комплексов. Голографические датчики, по сути, являются фотоэлектрическими преобразователями перемещений. Принцип работы преобразователя основан на модуляции света за счет изменения разности фаз интерферирующих световых пучков при перемещении измерительной решетки относительно малой вспомогательной. Основным элементом датчиков, определяющим его точностные характеристики, является измерительная дифракционная решетка. Решетки, записанные копированием интерференционной картины, формируемой в выходной плоскости голографического интерферометра, в настоящее время точнее решеток, полученных другими способами.

Применение наноизмерительных систем ЛГИИС

Наноизмерительные системы, разработанные и изготовленные в ЛГИИС, нашли применение в различных областях: автомобильной промышленности, самолетостроении, машиностроении, электронике.

Сейчас рассматривается применение в следующих программах:

• многокоординатные наноизмерительные системы с разрешением 1 нм — для производства точных оптических поверхностей, в том числе и металлических, полимеров и кристаллов;
• системы микророботов для наноскальпеля (хирургия глаза, кардиология и т. д.);
• гигантские микрочипы – для электроники и других областей промышленности;
• изучение макрообъектов с наноточностью;
• анализ и аутентификация редких старинных книг, музейных экспонатов, произведений искусства и т. д.

Скачать буклет "Лаборатория голографических информационных и измерительных систем (ЛГИИС)"

В рамках этого направления в 1998 г. был проложен волоконно-оптический кабель между АТС ПИЯФ и Гатчинским районным узлом связи (в настоящее время ОАО "Северо-Западный Телеком") общей протяженностью около 6 км.

В 2005 году выполнены работы по организации канала c пропускной способностью 100 Mbps с использованием арендованного ПИЯФ "темного" волокна Гатчина—Санкт-Петербург в Федеральную университетскую компьютерную сеть России RUNNET и академическую сеть РОКСОН. В 2007 году на канале было установлено новое оборудование, увеличившее пропускную способность до 1 Gbps. Основное назначение этого канала — организация взаимодействия вычислительных центров с использованием технологии Grid. В период с 1998г. по 2009 г работы по развитию средств телекоммуникации и оплата каналов в научно-образовательные сети выполнялись в лаборатории в рамках программы Совета РАН "Научные телекоммуникации и информационная инфраструктура ".

В настоящее время внешние интернет каналы института представлены каналами с пропускной способностью 1 Гбит/сек через провайдера ООО “ИТ-Регион” в Гатчине и 2 Гбит/сек по арендованному “темному” волокну в СПб (Боровая, 57) через провайдеров ООО “ВЕРОЛАЙН” (канал с пропускной способностью 100 Мбит/сек для “public”-интернет) и ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика» (канал в научно-образовательные сети с пропускной способностью 1 Гбит/сек и канал с пропускной способностью 1 Гбит/сек в НИЦ “КИ”).

Установленный в лаборатории кластер насчитывает более 70 современных многоядерных вычислительных узлов c оперативной памятью из расчёта 2 Гб на ядро, обеспечивающих одновременную обработку до 300 заданий. В состав кластера входит дисковая система хранения данных общим объёмом более 200 Тб. Внутренняя сеть кластера построена на основе технологии Gigabit Ethernet, соединение с внешними сетями обеспечивается двумя оптоволоконными каналами с пропускной способностью 1 Гбит/с каждый.

На узлах кластера установлена 64-битная ОС Scientific Linux, система управления пакетными заданиями Torque и программное обеспечение EMI 3. Возможно выполнение параллельных заданий с использованием технологии MPI. Кластер включен в международную Грид-инфраструктуру WLCG (Worldwide LHC Computing Grid) и является ресурсным центром RDIG (Russian Data Intensive Grid). Через инфраструктуру Грид производится хранение и обработка данных четырех экспериментов БАК в рамках виртуальных организаций atlas, alice, cms и lhcb, а также собственной виртуальной организации nw_ru, предоставляющей доступ к кластеру для сотрудников нашего института. В среднем кластер обеспечивает обработку около 70 тысяч заданий в месяц в течение последних 9 лет.