УСКОРИТЕЛИ В МЕДИЦИНЕ
Доктор физико-математических наук Александр ЧЕРНЯЕВ, проректор МГУ им. М.В. Ломоносова; кандидат физико-математических наук Сергей ВАРЗАРЬ, доцент физического факультета МГУ; младший научный сотрудник Мария КОЛЫВАНОВА, физический факультет МГУ
В данной статье авторы приводят краткую историю создания ускорителей и других ядерно-физических технологий в медицине с момента обнаружения «Х-лучей». Специалисты делают особый акцент на описании основных открытий, давших толчок к развитию лучевой терапии и ядерной медицины, предлагают свой анализ современного состояния медицинского применения ядерных установок.
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Ускорители заряженных частиц — один из примеров того, как сложнейшее изобретение «глубокой» науки, в котором в полной мере разбираются буквально единицы ученых, может стать незаменимым элементом многих современных технологий. В представлении большинства людей они до сих пор нужны только узкому кругу специалистов, обладают огромными размерами и приводят лишь к непомерным тратам. Однако реальная картина направлений развития ускорительной техники выглядит несколько иначе. Хотя они и задумывались как инструмент познания микромира, но все же сегодня в фунда-
ментальной науке работают лишь 3—4% всех существующих установок. Основную же часть ускорителей используют в практических целях. Их применяют в производстве автомобильных покрышек и полимерных труб, кабельной изоляции, изделий из резины, упаковочной пленки и многого другого. В настоящее время исследователи уже разработали технологии с использованием ускорителей для таких задач, как определение выдержки вин, изменение цвета полудрагоценных (и драгоценных) камней, сжижение попутных газов и т.д. Все большее применение эти установки находят в здравоохранении, где наряду с лучевой терапией и ядерной медициной их
широко используют при стерилизации одноразовых шприцев и других медицинских инструментов.
Между тем в настоящее время общее число ускорителей (ежегодно в мире запускают около 1000 новых аппаратов), действующих по всей планете, оценивается примерно в 40 000. Из них для фундаментальных исследований в ядерной физике и физике элементарных частиц применяют около 1200—1500, а в промышленности — более 25 000 установок. В лучевой терапии и ядерной медицине (без учета рентгеновских трубок, которые можно рассматривать как простейший ускоритель электронов на низкие энергии) работает более половины всех ускорителей электронов (около 12 тыс.), или почти одна треть всех существующих, а также примерно 1000 ускорителей протонов* и ионов.
ПРОНИКНОВЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ В МЕДИЦИНУ
Между тем развитие направлений использования ускорителей в медицине можно условно разделить на несколько этапов. Первый определяется возникновением новых разделов физики, исследующих законы субатомного мира, и необходимых для этого аппаратных средств. Его начало ученые традиционно связывают с чередой открытий в конце XIX в., большинство из которых в дальнейшем были отмечены Нобелевской премией: 1895 г. — открытие немецким физиком Вильгельмом Рентгеном (первый нобелевский лауреат по физике, 1901 г.) Х-лучей;
1896 г. — открытие французом Антуаном Беккере-лем естественной радиоактивности солей урана;
1897 г. — открытие англичанином сэром Джозефом Томсоном электрона (первой субатомной частицы);
1898 г. — выделение и исследование свойств радия и полония Марией и Пьером Кюри; 1899 г. — открытие британским физиком Эрнстом Резерфордом положительно заряженных альфа-частиц и отрицательно заряженных бета-частиц в излучении от солей урана; 1900 г. — открытие французским физи-
ком, членом Парижской АН Полем Виллардом гамма-излучения.
Практически одновременно с обнаружением новых излучений началась и апробация их медицинского применения. Так, уже в начале 1896 г. ученые документировали повреждающее действие на кожу рентгеновского излучения, а в ноябре того же года врач Леопольд Фройнд (1868—1943) провел спланированное облучение волосяного невуса у пятилетней девочки. В 1901 г. Анри Данлос (1844—1912) использовал радиоизотопы при лечении больного туберкулезом, а в 1903 г. американский ученый Александр Белл (1847—1922) предложил располагать в опухоли или около нее источники радия.
ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ «ЛУЧЕЙ» В РОССИИ
Отметим, возможности новых «лучей» не остались без внимания отечественных физиков и врачей. Уже в первых числах января 1896 г. Вильгельм Рентген разослал оттиски своей статьи коллегам в несколько стран, в том числе в Московский университет приват-доценту физики Петру Лебедеву (1866—1912). В конце того же месяца последний прочитал лекцию «Об открытых Рентгеном Х-лучах», сопровождая ее показом полученными им самим рентгенограммами. В феврале 1896 г. в Петербургском университете Иван Боргман (1849—1914) во время доклада в качестве иллюстрации на глазах у слушателей получил два рентгеновских снимка, а Владимир Тонков (1872—1954) в Медико-хирургической академии доложил о рентгенологическом изучении роста костей. В том же году в Военно-медицинской академии в Петербурге* воспроизвели опыт упомянутого выше Беккереля.
Кстати, одним из первых исследованием радиоактивности в России стал заниматься изобретатель радио Александр Попов, который еще в 1902 г. придумал прибор для измерения «напряжения электрического поля атмосферы с помощью ионизационного действия солей радия». Через год профессор
*См.: А. Тюрин, С. Иванов. Миссия протонного ускорителя. — Наука в России, 2010, № 3 (прим. ред.).
*См.: Ж. Алфёров, Э. Тропп. Санкт-Петербург — российское «окно в науку». — Наука в России, 2003, № 3 (прим. ред.).
физики Московского университета Алексей Соколов исследовал радиоактивность минеральных вод Кавказа. В дальнейшем он организовал и первый в стране учебный практикум по радиоактивности.
А начало применения радиоизотопов в отечественной медицине также связано с Московским университетом, при котором осенью 1903 г. был образован Московский онкологический институт (в настоящее время — МНИОИ им. П.А. Герцена). В нем активно практиковали лечение с использованием препаратов радия, подаренных институту всемирно известными учеными Марией и Пьером Кюри. Первая же крупная монография, посвященная радиобиологии и медицинской радиологии «Радий в биологии и медицине» (1911г.), написана русским ученым-патофизиологом Ефимом Лондоном (1869—1939).
ВОЗНИКНОВЕНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ
Между тем естественные радиоактивные препараты и рентгеновские трубки оставались единственными источниками ионизирующих излучений на протяжении около 30 лет. К возникновению идей о необходимости получения искусственно ускоренных частиц, по-видимому, привели опыты Эрнеста Резерфорда в 1919 г. Вскоре специалисты предложили методы, которые в проекте должны были обеспечить основные преимущества ускорителей по сравнению с естественными радиоактивными препаратами: большую энергию частиц, направленность и высокую интенсивность пучка, возможность ускорения протонов и ионов. Однако первые действующие установки, на которых эти методы реализовали, появились лишь в конце 1920-х годов.
В течение нескольких лет в исследовательских целях создали установки, основанные на прямом методе ускорения (ускорители Ван-де-Граафа, 1929 г.; Кокрофта-Уолтона, 1932 г.), и резонансные ускорители (линейные 1928 г. и циклотроны 1929 г.). А идею бетатрона (циклический, но не резонансный ускоритель электронов с фиксированной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля) запатентовал в 1922 г. физик из США Джозеф Слепян (1891-1969), однако первый реально действующий бетатрон создал лишь в 1940 г. американский физик Дональд Вильям Керст (1911-1993). Интересно, что в том же году физик-экспериментатор, член Национальной АН США Луис Уолтер Альварес (1911-1988) впервые в мировой практике ускорил в циклотроне ионы углерода С+6 до энергии 50 МэВ, положив своим
важным опытом начало исследованиям взаимодействия многозарядных ионов с веществом. Интенсивность пучка ускоренных ионов на конечном радиусе циклотрона составляла тогда 500 ионов в минуту.
Первый медицинский ускоритель электронов для лечения онкологических больных запустили в 1937 г. в Лондоне в больнице Св. Варфоломея. Размеры установки достигали 10 м, а энергия пучка не превышала 1 МэВ. Несколько позднее, в 1940-е годы, уже в США и Канаде в лучевой терапии ученые стали использовать высоковольтные ускорители трансформаторного типа, а также ускорители Ван-де-Граафа с максимальной энергией тормозных фотонов до 1-4 МэВ и бетатроны с энергией до 13-25 МэВ.
Интерес к строительству линейных ускорителей для лучевой терапии начал проявляться с 1950-х годов. Так, в 1953 г. в больнице Хаммерсмит в Лондоне врачи разработали и запустили первый промышленный линейный ускоритель для медицинских целей. К середине десятилетия во всем мире существовало лишь несколько линейных медицинских ускорителей. Тогда перед учеными как раз и встали проблемы уменьшения габаритов установок, обеспечения их надежности и безопасности, повышения точности попадания пучком в мишень.
ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ЦИКЛОТРОНОВ
Достижения ускорительной физики создали фундамент для более широкого применения радиоактивных изотопов. В самом начале 1930-х годов американские физики лауреат Нобелевской премии (1939 г.) Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1958) и Милтон Стэнли Ливингстон (1905-1986) показали возможность наработки на циклотроне радиоизотопов. Именно на циклотронах открыли большинство радиоактивных изотопов, нашедших применение в ядерной медицине и лучевой терапии, в том числе 60Со, полученный в 1938 г. тоже американцами — биофизиком Джоном Ливингудом и химиком и физиком-ядерщиком Гленном Теодором Сиборгом (1912-1999). Первым же циклотроном, предназначенным для медицины, принято считать ускоритель, сооруженный в клинике Университета Вашингтона в Сент-Луисе в 1940 г. Однако очевидным недостатком циклотронов в эти годы оставалась малая интенсивность пучка, поэтому начало широкого терапевтического использования изотопов связывают с появлением в 1950-е годы ядерных реакторов.
Ускорители в меди
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.