VII Съезд биофизиков России
Краснодар, Россия
17-23 апреля 2023 г.
Главная
О Съезде
Организаторы
Программный комитет
Программа Съезда
Место проведения Съезда
Проживание
Оргвзносы
Основные даты
Регистрация
Публикации материалов Съезда
Молодежный конкурс
Контакты
Тезисы
English version
Партнеры Съезда
Правила оформления докладов

Программа Съезда

Секции и тезисы:

Медицинская биофизика. Нейробиофизика

Перспективные ядерно-физические методы бинарной протонной терапии

И.Н. Завестовская1,2*

1.Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН;
2.НИЯУ МИФИ;

* zavestovskayain(at)lebedev.ru

Доклад посвящен обзору работ по проекту «Разработка новых технологий диагностики и лучевой терапии социально значимых заболеваний протонными и ионными пучками с использованием бинарных ядерно-физических методов», реализуемого в ФИАН совместно с НИЯУ МИФИ и НМИЦ радиологии МЗ РФ по соглашению с Минобрнауки в рамках ФНТП «Развитие синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 гг.».

Несмотря на значительный прогресс в диагностике, лечении и профилактике онкологических заболеваний, достигнутый в настоящее время, эти заболевания остаются серьезной угрозой для человечества и являются второй основной причиной смертности в мире. Лучевая терапия является эффективным методом лечения онкологических заболеваний различных патологий. К высокотехнологичным и перспективным методам лучевой терапии относится адронная терапия - радиотерапия с использованием пучков частиц, таких как нейтроны, протоны, альфа-частицы, заряженные ионы и др. Наибольшее развитие в мире среди технологий адронной терапии получила протонная и ионная терапия. Это обусловлено фундаментальными свойствами взаимодействия протонных и ионных пучков с веществом, которые позволяют получить уникальные характеристики глубинного распределения поглощенной дозы адронов. Протоны и ионы быстро теряют энергию на последних нескольких миллиметрах проникновения в ткани, что дает ярко выраженный максимум дозового распределения (пик Брэгга) в локализованной области, которую можно регулировать по глубине, изменяя начальную энергию протонного пучка. Пик Брэгга может быть точно локализован в любом месте тела пациента за счет выбора энергии протонов, а несколько пиков Брэгга могут быть смещены по глубине для создания распределенного пика Брэгга, который и используется для облучения патогенной области. Данное преимущество можно использовать как для достижения тумороцидных значений дозы и ее высококонформную доставку, так и для значительного снижения доз в нормальных тканях, проксимальных и дистальных по отношению к мишенному объему.

Комплекс протонной терапии (КПТ) «Прометеус», на котором ведутся работы в проекте, представляет собой компактный протонный синхротрон, способный ускорять протоны в диапазоне значений энергии 30–330 МэВ. По своим характеристикам установка значительно превосходит ведущих мировых лидеров: малая масса (15 т), низкое энергопотребление (до 100 кВт) и компактные размеры (внешний диаметр – 5 м) позволяют размещать комплекс в обычных больницах, не возводя отдельные здания. Шаг выбора энергии на ускорителе составляет 0,1 МэВ, что делает возможным планирование процедуры облучения в направлении распространения пучка с субмиллиметровой точностью. При этом размер пучка в ортогональной плоскости составляет не более 3 мм при энергии пучка 150 МэВ, одной из наиболее часто используемых для облучения энергий. В проекте предусмотрена разработка, апробация и внедрение перспективных технологий лучевой терапии на модернизированном КПТ «Прометеус»:

- Разработка фундаментальных основ новых бинарных технологий протонной терапии на основе адресных технологий с использованием перспективных наночастиц, нанокомпозитных материалов и многофункциональных систем на их основе в качестве радиосенсибилизаторов терапии и/или активных агентов для визуализации.

- Разработка фундаментальных основ новых технологий лучевой терапии на основе сочетанного действия редко-ионизирующего (протонного) и плотно-ионизирующего (нейтронного/ионов углерода) излучений, позволяющих создать высокий градиент доз между опухолевыми и нормальными тканями, и одновременно с этим, увеличить повреждающий эффект (в том числе, радиорезистентных опухолей) за счет воздействия ионов углерода/нейтронов, обладающих высокой относительной биологической эффективностью (ОБЭ).

- Математическое моделирование процессов, определяющих эффективность лучевых терапий: динамики изменения размеров и возможного движения опухоли в процессе облучения, режимов облучения (фракционирование, модулирование интенсивности, сенсибилизация наночастицами и др.) и пространственно-временного изменения радиочувствительности опухолевых клеток.

- Разработка на базе протонного синхротрона Физико-технического центра (ФТЦ) ФИАН метода протонной радиографии и томографии, позволяющего определять длину пробега протонов внутри тела пациента с миллиметровой и субмиллиметровой точностью и значительно повысить контраст изображения и тем самым существенно увеличить эффективность использования протонной терапии.

- Разработка технологий протонной и ионной терапии, учитывающих во время проведения сеанса протонной терапии движение и смещение опухоли и внутренних органов, возникающих из-за сердцебиения и дыхания или непроизвольных движений пациента, на основе сравнительного анализа различных методов облучения интрафракционно движущихся опухолей брюшной и грудной областей при проведении исследований на динамическом водном фантоме.

- Усовершенствование и модернизация протонного синхротрона ФТЦ ФИАН – комплекса протонной терапии (КПТ) «Прометеус» на основе решения поставленных в проекте крупных прикладных задач и разработанных в проекте технологий.

Новые технологии протонной терапии позволят дать конкретные рекомендации медицинском сообществу, нацеленные на повышение эффективности протонной терапии.

Promising nuclear physics methods of binary proton therapy

I.Z. Zavestovskaya1,2*

1.Lebedev Physical Institute of RAS;
2.MEPHI;

* zavestovskayain(at)lebedev.ru

The report is devoted to a review of the work on the project "Development of new technologies for the diagnosis and radiation therapy of socially significant diseases with proton and ion beams using binary nuclear physics methods", implemented at LPI jointly with the MEPHI and the NMIC of Radiology of the Ministry of Health of the Russian Federation under an agreement with the Ministry of Education and Science within the framework of the FSTP "Development of synchrotron and neutron research and research infrastructure for 2019-2027.

Despite the significant progress made in the diagnosis, treatment and prevention of oncological diseases, these diseases remain a serious threat to humanity and are the second leading cause of death in the world. Radiation therapy is an effective method of treating oncological diseases of various pathologies. High-tech and promising methods of radiation therapy include hadron therapy - radiotherapy using particle beams, such as neutrons, protons, alpha particles, charged ions, etc. Proton and ion therapy have received the greatest development in the world among hadron therapy technologies. This is due to the fundamental properties of the interaction of proton and ion beams with matter, which allow us to obtain unique characteristics of the deep distribution of the absorbed dose of hadrons. Protons and ions rapidly lose energy in the last few millimeters of penetration into tissues, which gives a pronounced maximum dose distribution (Bragg peak) in a localized area, which can be adjusted in depth by changing the initial energy of the proton beam. The Bragg peak can be precisely localized anywhere in the patient's body due to the choice of proton energy, and several Bragg peaks can be shifted in depth to create a distributed Bragg peak, which is used to irradiate the pathogenic area. This advantage can be used both to achieve tumoricidal dose values and its high-conformal delivery, and to significantly reduce doses in normal tissues, proximal and distal with respect to the target volume.

The proton therapy Complex (CPT) "Prometheus", on which work is being carried out in the project, is a compact proton synchrotron capable of accelerating protons in the energy range of 30-330 MeV. According to its characteristics, the installation is significantly superior to the world's leading leaders: low weight (15 tons), low power consumption (up to 100 kW) and compact dimensions (outer diameter – 5 m) allow the complex to be placed in ordinary hospitals without erecting separate buildings. The energy selection step at the accelerator is 0.1 MeV, which makes it possible to plan the irradiation procedure in the direction of beam propagation with submillimeter accuracy. At the same time, the beam size in the orthogonal plane is no more than 3 mm at a beam energy of 150 MeV, one of the most commonly used energies for irradiation. The project provides for the development, testing and implementation of promising radiotherapy technologies on the upgraded Prometheus CPT:

- Development of the fundamentals of new binary proton therapy technologies based on targeted technologies using promising nanoparticles, nanocomposite materials and multifunctional systems based on them as radiosensitizers of therapy and/or active agents for visualization.

- Development of the fundamentals of new technologies of radiation therapy based on the combined action of rare-ionizing (proton) and dense-ionizing (neutron / carbon ions) radiation, allowing to create a high dose gradient between tumor and normal tissues, and at the same time, to increase the damaging effect (including radioresistant tumors) due to exposure carbon ions/neutrons with high relative biological efficiency (OBE).

- Mathematical modeling of the processes that determine the effectiveness of radiation therapies: the dynamics of changes in the size and possible movement of the tumor during irradiation, irradiation modes (fractionation, intensity modulation, sensitization by nanoparticles, etc.) and spatio-temporal changes in the radiosensitivity of tumor cells.

- Development of a proton radiography and tomography method based on the proton synchrotron of the Physics and Technology Center (FTC) of the FIAN, which allows determining the length of the proton path inside the patient's body with millimeter and submillimeter accuracy and significantly increase the image contrast and thereby significantly increase the efficiency of using proton therapy.

- Development of proton and ion therapy technologies that take into account during a proton therapy session the movement and displacement of the tumor and internal organs arising from palpitations and breathing or involuntary movements of the patient, based on a comparative analysis of various methods of irradiation of intrafractionally moving tumors of the abdominal and thoracic regions during studies on a dynamic water phantom.

- Improvement and modernization of the proton synchrotron FTC FIAN – proton therapy complex (CBT) "Prometheus" based on the solution of the major applied tasks set in the project and the techno developed in the project

New technologies of proton therapy will make it possible to give specific recommendations to the medical community aimed at improving the effectiveness of proton therapy.



Докладчик: Завестовская И.Н.
506
2023-02-06

Национальный комитет Российских биофизиков © 2022
National committee of Russian Biophysicists