Приоритетным направлением является, конечно, создание российского медоборудования для диагностики и лечения самых опасных заболеваний. Вот пример: в компании «Русатом Хэлскеа», входящей в структуру госкорпорации «Рос­атом», в течение двух лет ведется работа над аппаратом «Оникс» — комплексом для лучевой терапии злокачественных опухолей. Лучевая терапия наряду с хирургией и химиотерапией относится к основным методам борьбы с тяжелым недугом.

Чего нам не хватает?

Согласно статистике, лучевая терапия (в том числе в сочетании с хирургией и химиотерапией) показана 60% онкологических больных, а потребность в аппаратах — 1 единица на 300 тысяч населения. Печально, но, по современным оценкам, в российских клиниках ощущается 50−70-процентная нехватка требуемого оборудования, а то, что есть, зачастую морально устарело и не использует новейшие технологические достижения в этой сфере. Задача создателей аппарата «Оникс» — обеспечить российское здравоохранение установкой, которая будет дешевле, чем аналоги от именитых иностранных конкурентов, но при этом сможет обеспечивать терапию на самом современном уровне.

Аппарат «Оникс» Аппарат «Оникс»

Целительная радиация

Базовый принцип работы аппарата довольно прост: опухоль «обстреливается» потоком фотонов высоких энергий. В результате их воздействия в тканях высвобождаются свободные электроны, которые ионизируют атомы окружающей среды и разрушают ДНК раковых клеток, что приводит к прекращению их размножения и постепенной гибели. Тут сразу возникает вопрос: а что же здоровые клетки, оказывающиеся на пути к опухоли? Для их ДНК воздействие излучением проходит бесследно? Разумеется, нет. Для того чтобы победить вредоносные клетки и нанести минимальный урон здоровым тканям, создается весьма сложная и дорогостоящая конструкция. В ходе сеанса терапии луч оббегает вокруг лежащего на столе тела пациента, обстреливая опухоль с разных углов. В результате максимальная доза облучения концентрируется именно в опухоли, а здоровые ткани подвергаются существенно меньшему воздействию. «Часто ДНК здоровых клеток тоже страдает, — объясняет руководитель проекта «Оникс» Татьяна Крылова, — однако, особенно при сохранении в целости одной из спиралей ДНК, нормальные клетки способны восстановиться (этот процесс называется репарацией), а у клеток опухоли потенциал к восстановлению значительно меньше».

Лучевая терапия (фотонная) Лучевая терапия (фотонная)

Часовая механика

Чтобы добиться точного воздействия на опухоль, которая зачастую имеет небольшие размеры), необходимо, чтобы излучающая головка была установлена на вращающейся с прецизионной точностью конструкции, которая называется гантри. «Гантри имеет массу около тонны, — говорит Татьяна Крылова. — Собирая экспериментальный образец «Оникса», мы были обеспокоены тем, сумеем ли добиться нужной точности при расчетах, проектировании и изготовлении конструкции. Для нормальной работы устройства требуется, чтобы виртуальный центр вращения гантри в процессе работы не смещался более чем на 1 мм. Наши опасения оказались напрасными: максимальное отклонение составило лишь 0,3 мм».

Центральный элемент «Оникса», установленный внутри гантри, — это электронная пушка с линейным ускорителем электронов. Ускоритель разработан исключительно российскими специалистами и из-за особой структуры внутренних ячеек имеет длину всего 30 см (против 40 см у аналогов). Необходимое ускорителю высокочастотное питание поставляется клистроном — устройством, которое по сравнению с другим источником СВЧ-излучения — магнетроном — обеспечивают большую стабильность и большую мощность пучка.

"Оникс"

«Умные» лепестки

До сих пор мы вели речь о фотонном излучении, а теперь рассказываем об электронной пушке. Нет ли тут ошибки? Нет. Пучок электронов не идет напрямую к организму, а ударяет в мишень толщиной 3−4 мм. Электроны отдают свою энергию мишени, возникает тормозное излучение, которое в виде фотонов устремляется дальше и встречает на своем пути два важных устройства. Одно из них — ионизационная камера, которая замеряет дозу излучения, чтобы отследить ее нахождение в заданных параметрах. Второе — коллиматор. «Оникс» способен облучить площадь размером 40 х 40 см. Разумеется, на практике нужен гораздо более узкий луч, имеющий не квадратные очертания, а точно по форме опухоли. Коллиматор довольно сложное устройство, которое с помощью тонких вольфрамовых лепестков создает как бы трафарет, который придает пучку частиц нужную форму.

Тысяча предосторожностей

«Прежде чем пациент поступит на курс лучевой терапии, — рассказывает Татьяна Крылова, — ему назначается исследование с помощью аппарата компьютерной томографии (3D-рентгеновское исследование). Затем на полученном изображении врач отмечает контуры опухоли и близлежащих жизненно важных органов (сердце, легкие, спинной мозг и т. д.) и определяет, какие дозы излучения к какому участку надо приложить. Работающий в паре с доктором медицинский физик (есть такая специальность!) с помощью системы дозиметрического планирования рассчитывает параметры пучка и время облучения, необходимые для реализации поставленной врачом задачи. Получившийся таким образом лечебный план передается в «Оникс» и обрабатывается его сложнейшим ПО — лечебный план в медицинском формате DICOM должен быть переведен на язык электроники.

Облучение «точно в цель» обеспечивается не только прецизионной работой гантри и многолепесткового коллиматора, но также и координатно привязанным ко всему устройству подвижным столом с шестью степенями свободы. Стол автоматически позиционирует лежащего пациента так, чтобы аппарат светил туда, куда надо, не отклоняясь ни на миллиметр. На схеме «Оникса» можно увидеть еще одну дополнительную систему контроля — своеобразные выдвижные «руки», в одной из которых находится источник рентгеновского излучения, а в другой — детектор. Благодаря конусно-лучевой компьютерной томографии можно получить достаточно подробную картинку того, как располагается опухоль относительно терапевтического пучка перед сеансом облучения.

Компоненты экспериментального образца 1. Ускорительная система: а) клистрон; b) волновод; с) ускоряющая структура // 2. Радиационная головка включает первичный коллиматор, выравнивающий фильтр, ионизационную камеру и шторки коллиматора // 3. Опорно-поворотное устройство // 4. Система КВ-визуализации (рентгеновский излучатель и детектор)

Это красиво

«В аппарате, опытный образец которого мы создали, — говорит Татьяна Крылова, мы собрали практически все современные технологии, имеющиеся в зарубежных аналогах. Многие из узлов разработаны непосредственно в нашей стране, другие (например, коллиматор и 6D-стол) пока импортные, но в ближайшее время АО «НИИТФА» совместно с МОКБ «Марс», также входящим в нашу структуру, должны создать отечественные образцы. И конечно же, «Оникс» будет дешевле импортных установок такого класса. 2020 год будет посвящен доработке как программной, так и аппаратной частей и прохождению технических испытаний, а в 2021 году планируем начать процедуру получения регистрационного удостоверения на медицинское изделие».

Стоит заметить, что над «Ониксом» серьезно поработали не только медики, инженеры, физики и программисты. Судя по эскизам, аппарат получит корпус из радиостойкого медицинского пластика и, благодаря труду промышленных дизайнеров, обретет фирменный, как сказали бы лет 30 назад, или стильный, как сказали бы сейчас, внешний вид.

Статья «Луч надежды» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2020).