Сканирование карандашным пучком¶

Сканирование карандашным пучком (англ. pencil beam scanning, PBS) — это метод доставки ионизирующего излучения при лучевой терапии, при котором узкий, сфокусированный пучок (карандашный пучок) последовательно облучает отдельные точки опухоли, формируя заданное распределение дозы. В отличие от методов с широким полем облучения (например, трёхмерной конформной лучевой терапии), PBS позволяет добиться высокой конформности дозы — точного соответствия формы зоны высокой дозы форме мишени, с резким падением дозы на границе с окружающими здоровыми тканями. Технология является одной из основных форм протонной терапии и терапии тяжёлыми ионами (в частности, углеродными ионами), где реализуется принцип сканирования пучком по объёму.

¶История

Идея использования сканирующего пучка для лучевой терапии была предложена в 1950-х годах. Первые экспериментальные работы проводились в Лаборатории ядерных исследований имени Лоуренса (Беркли, США) и в Институте теоретической и экспериментальной физики (Москва, СССР). Однако практическая реализация столкнулась с техническими сложностями: требовалась высокая точность позиционирования пучка, быстродействующая система управления и надёжные методы дозиметрии.

В 1990-х годах развитие ускорительной техники и компьютерного управления позволило создать первые клинические установки. В 1996 году в Швейцарии, в Институте Пауля Шеррера (PSI), была введена в эксплуатацию система Gantry 1, реализующая дискретное сканирование карандашным пучком для протонной терапии. В 2001 году в PSI началось клиническое применение непрерывного сканирования (raster scanning). В 2008 году в Центре протонной терапии в Лома-Линда (Калифорния, США) была запущена первая коммерческая система PBS.

В России технология PBS внедряется с 2010-х годов. В 2018 году в Медицинском радиологическом научном центре имени А. Ф. Цыба (Обнинск) началось клиническое применение протонной терапии с карандашным сканированием на установке «Прометеус». В 2021 году в Санкт-Петербурге, в Центре протонной терапии Медицинского института имени Березина Сергея, запущен комплекс ProBeam (производства Varian Medical Systems), поддерживающий PBS.

¶Принцип работы

¶Формирование пучка

Пучок заряженных частиц (протонов или ионов) генерируется в ускорителе — циклотроне или синхротроне. После ускорения до заданной энергии (обычно 70–250 МэВ для протонов) пучок проходит через систему магнитных линз и отклоняющих магнитов, которые фокусируют его в узкий цилиндрический канал диаметром от 3 до 10 мм (в зависимости от энергии и глубины). Такой пучок называют «карандашным» из-за его формы.

¶Сканирование по объёму

Облучение проводится послойно. Опухоль делится на виртуальные слои (срезы) толщиной 2–5 мм, перпендикулярные направлению пучка. В каждом слое пучок последовательно перемещается по точкам (спотам) с заданным шагом (обычно 2–5 мм). Время облучения одного спота составляет 1–10 миллисекунд. После завершения слоя энергия пучка изменяется (для протонов — за счёт изменения энергии ускорителя или установки замедлителя), что позволяет сместить пик Брэгга на следующую глубину.

Существует два основных режима сканирования:

• Дискретное сканирование (step-and-shoot): пучок останавливается в каждой точке, облучает её, затем перемещается к следующей. Между точками пучок отключается.
• Непрерывное сканирование (raster scanning): пучок движется непрерывно по заданной траектории, а доза регулируется изменением скорости движения и интенсивности пучка. Этот метод быстрее, но требует более сложной системы управления.

¶Управление дозой

Доза в каждой точке контролируется системой обратной связи, включающей ионизационные камеры и мониторы пучка. В реальном времени измеряется число частиц, попавших в спот, и при достижении заданного значения пучок переключается на следующую точку. Для компенсации движений пациента (дыхание, перистальтика) применяются методы синхронизации с дыханием (gating) или отслеживания (tracking).

¶Преимущества

¶Высокая конформность

PBS позволяет создавать распределение дозы, точно повторяющее форму опухоли, в том числе сложные трёхмерные конфигурации с вогнутостями и выступами. Это достигается за счёт независимого управления дозой в каждом споте. В отличие от методов с рассеивающими фильтрами (passive scattering), где пучок формируется с помощью коллиматоров и компенсаторов, PBS не требует изготовления индивидуальных устройств для каждого пациента.

¶Снижение дозы на здоровые ткани

Благодаря резкому падению дозы на границе мишени (менее 1 мм для протонов), окружающие органы риска получают минимальное облучение. Это особенно важно при лечении опухолей, расположенных вблизи критических структур (головной мозг, спинной мозг, глазные нервы).

¶Эффективность при движущихся мишенях

Современные системы PBS могут адаптироваться к движению опухоли, вызванному дыханием или перистальтикой, за счёт синхронизации с дыхательным циклом или активного отслеживания. Это позволяет облучать опухоли лёгких, печени, поджелудочной железы с высокой точностью.

¶Недостатки и ограничения

¶Чувствительность к движению

При облучении подвижных мишеней (например, опухолей лёгких) без синхронизации может возникать эффект «интерференции» — наложение доз от разных спотов, приводящее к неоднородному распределению. Для компенсации требуются сложные алгоритмы и оборудование.

¶Время облучения

PBS требует больше времени на сеанс по сравнению с методами широкого поля. Для опухоли объёмом 500 см³ время облучения может составлять 5–15 минут, что увеличивает риск движений пациента. Для сокращения времени применяются ускорители с высокой интенсивностью пучка и оптимизированные алгоритмы сканирования.

¶Техническая сложность

Системы PBS требуют высокоточного управления пучком (точность позиционирования ±0,5 мм), быстродействующей электроники и надёжных систем дозиметрии. Стоимость установки (включая ускоритель, гантри и системы управления) составляет от 1 до 3 миллиардов рублей (по состоянию на 2024 год).

¶Применение

¶Клинические показания

PBS применяется при лечении широкого спектра онкологических заболеваний:

• Опухоли головного мозга и основания черепа (глиомы, менингиомы, краниофарингиомы) — благодаря возможности облучать сложные формы без повреждения зрительных нервов и гипофиза.
• Опухоли головы и шеи (рак носоглотки, рак околоушной слюнной железы) — снижение дозы на слюнные железы и челюсти.
• Рак предстательной железы — уменьшение дозы на мочевой пузырь и прямую кишку.
• Рак лёгкого — при синхронизации с дыханием.
• Саркомы (в том числе параспинальные) — облучение опухолей, прилегающих к спинному мозгу.
• Опухоли печени и поджелудочной железы — при использовании методов отслеживания.

¶Сравнение с другими методами

¶Развитие в России

В Российской Федерации технология PBS развивается в рамках государственной программы «Борьба с онкологическими заболеваниями». По состоянию на 2024 год действуют четыре центра протонной терапии, оснащённых системами PBS: в Обнинске (МРНЦ имени А. Ф. Цыба), Санкт-Петербурге (Центр протонной терапии МИБС), Москве (Центр протонной терапии на базе НМИЦ онкологии имени Н. Н. Блохина) и Димитровграде (Федеральный высокотехнологичный центр медицинской радиологии). Планируется строительство ещё двух центров к 2026 году.

В 2023 году в России начато производство отечественных систем PBS: компания «Протон-Центр» (входит в госкорпорацию «Росатом») разработала установку «Прометеус-2», проходящую клинические испытания. Ожидается, что серийное производство начнётся в 2025 году.

¶Перспективы

Основные направления развития PBS включают:

• Ультрабыстрое сканирование — использование сверхпроводящих магнитов для сокращения времени перемещения пучка до 0,1 мс.
• Адаптивная терапия — коррекция плана облучения в реальном времени на основе данных МРТ или КТ, полученных во время сеанса.
• Комбинированные методы — одновременное использование PBS и фотонной терапии (IMRT) для оптимизации дозного распределения.
• Снижение стоимости — за счёт модульных ускорителей и упрощения систем управления.

¶Источники

• Lomax, A. J. (2008). Intensity modulated proton therapy and its clinical applications. Physics in Medicine and Biology, 53(19), R1–R27.
• Pedroni, E., et al. (1995). The 200-MeV proton therapy project at the Paul Scherrer Institute: Conceptual design and practical realization. Medical Physics, 22(1), 37–53.
• Клинические рекомендации по лучевой терапии (2023). Министерство здравоохранения Российской Федерации.
• Доклад «Развитие протонной терапии в России» (2024). Национальный медицинский исследовательский центр радиологии.