Управлять пучком

Когда столкнулись медицина и физика

Речь сегодня пойдет о разработках в области противораковых технологий. Но здесь не будет пугающих цифр. Лучше поговорим о людях, которые эти самые технологии разрабатывают или улучшают существующие. В Томском политехе в этой области работают и химики, и материаловеды, и программисты, и, конечно же, физики. Один из таких коллективов недавно получил грант Российского научного фонда для молодых ученых. Политехники разрабатывают программно-аппаратный комплекс для 3D-печати коллиматоров - устройств, придающих пучку электронов нужную форму и защищающих здоровые ткани пациента во время лучевой терапии. Аналоги обычно делают из металлов в специальных лабораториях, что гораздо дороже и требует особых условий.

C доцентом отделения ядерно- топливного цикла ТПУ Юрием Черепенниковым мы спускаемся на цокольный этаж 10-го корпуса. Поворот - и за одной из дверей кабинет, где работают участники коллектива. Здесь сотрудники разных школ и отделений университета. К ним присоединились коллеги из медицинских научно-исследовательских институтов и крупных международных проектов в области физики высоких энергий. И всем им интересна область медицинской физики.

О работе коллектива сегодня будут рассказывать сам Юрий, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Сергей Стучебров, инженер Исследовательской школы Ангелина Красных и преподаватель отделения ядерно-топливного цикла Ирина Милойчикова — она, кстати, представляет в коллективе еще и НИИ Онкологии Томского НИМЦ, где работает медицинским физиком. То, что коллектив молодой и творческий, ясно сразу. Достаточно пары минут в их лаборатории, чтобы понять, кто какую музыку слушает, над какими шутками смеются в перерывах. Подсказывают и рабочие столы, и стены, и даже футболки ученых.

Пластик против металла

Полученный недавно грант Российского научного фонда — первый столь крупный для коллектива. Он рассчитан на три года, а сумма поддержки на год составляет 5 млн рублей.

— Все мы здесь изначально физики и долгое время изучали различные пучки. Постепенно подошли к теме лучевой терапии, — начинает рассказывать Сергей Стучебров. — В общих чертах все представляют себе эту процедуру — опухоль облучают ионизирующим излучением. Понятно, что радиация - огромный стресс для здоровых тканей и всего организма в целом. И сейчас все сеансы терапии скрупулезно просчитываются, применяются различные технологии и инструменты, чтобы это самое воздействие на здоровые ткани минимизировать. Один из таких инструментов — коллиматор.

Как правило, коллиматоры делают из металла. Это такой толстый металлический блок с отверстием, повторяющим форму опухоли. Через отверстие и проходит пучок. Получается, что опухоль облучается, а слой металла закрывает от излучения здоровые ткани. — Где-то такие коллиматоры вырезают, где-то выплавляют. Представляете, для выплавки такого устройства для каждого конкретного пациента при больнице нужна своя плавильня!

В России, например, такая плавильня есть в Московской городской онкологической больнице № 62, — продолжает Юрий Черепенников. — Это сложно, дорого, в сплавах используются токсичные элементы. Плюс особенности производства приводят к потере точности коллиматора. По нашим оценкам, расхождения между реальным размером, формой опухоли и полученным коллиматором доходят до 5 %. Для современной лучевой терапии это слишком серьезная погрешность.

Политехники предлагают делать коллиматоры из полимеров — распространенных пластиков АБС (акрилонитрилбутадиенстирол), ПЛА (полилактид) и ХИПС (ударопрочный полистерол). Полученные командой проекта образцы коллиматоров демонстрируют точность изготовления в 0,2 мм по отношению к форме и размеру реальной опухоли.

— Такой точности даже при планировании самой лучевой терапии не достигается, — говорит Юрий. — Если на отливку одного коллиматора из металла требуются сутки, то с пластиком и аддитивными технологиями — буквально несколько часов. Также процесс печати не требует постоянного участия человека. Включил кнопку на принтере - и все.

Еще одно преимущество аддитивных технологий — стоимость конечного изделия. Себестоимость отлитого коллиматора — несколько тысяч рублей, а напечатанного - около 500 рублей.

Дешевле, проще, экологичнее

— В конечном итоге мы должны создать программно-аппаратный комплекс. Одна установка должна объединить в себе функции: передачи информации из планирующей системы о характеристиках нужного коллиматора, преобразования этих данных в формат, пригодный для 3D-принтера, и изготовления коллиматора методом послойного наплавления. Это всего одна установка и никаких токсичных веществ. Дешевле, проще, экологичнее, — говорит Сергей.

Но политехники прекрасно понимают, что как установке медицинского применения их разработке придется пройти сложную и длительную стадию испытаний и сертификаций.

— Нам повезло. У нас тесное сотрудничество с медиками. И в Томске вообще благоприятные условия для таких исследований. В городе есть Томский национальный исследовательский медицинский центр РАН, объединяющий разные НИИ медицинского профиля, - отмечает Ирина Милойчикова. - Ведь обычная больница, онкодиспансер не могут проводить каких-то исследований, самостоятельно внедрять установки, методы лечения. А вот у НИИ возможности в этом плане чуть шире.

— Надеемся, мы пройдем все эти стадии испытаний, не сильно измучившись. Но это часть нашей работы. Мы к ней готовы, как нам кажется, - говорит Сергей Стучебров.

Юрий Черепенников:

- Работа в области медицинской физики сама по себе связана с важной и благородной целью - сохранением здоровья людей. Пусть люди, работающие в этой области, и не имеют дела непосредственно с больными, их труд также важен и приобретает все большее значение с усложнением медицинских приборов и установок. Мы пытаемся внести свой вклад в достижение этой цели.

Сергей Стучебров:

- Идея работать в этом направлении пришла сама собой, случайно. Мы просто работали с пучками и поняли, что часть наших результатов может быть полезна в медицинской физике. Да, это непростая область, особенно для внедрения результатов в практику, но, если удастся довести нашу работу до практического использования в клиниках, это принесет реальную помощь медикам и, конечно, пациентам.

Ангелина Красных:

- Первое желание заниматься наукой (еще будучи студенткой) у меня появилось именно потому, что направление было связано с медициной. Сразу стало понятно, зачем это делается. Есть цель - помогать людям. Она до сих пор меня вдохновляет.

Ирина Милойчикова:

- Несмотря на то, что мы являемся представителями технической специальности, работая в области медицинской физики, мы стремимся к выполнению основного завета медицины: «Не навреди». Именно с этим связаны наши основные научные разработки. Особенно важно, что наши идеи находят отклик у врачей и они готовы к сотрудничеству.

Подготовила Александра Лисовая