Ускорители заряженных частиц, изначально разработанные для фундаментальных исследований в области физики высоких энергий, нашли широкое применение в медицине благодаря своей способности генерировать управляемые пучки частиц с высокой точностью. Основные области применения включают терапию онкологических заболеваний, радиодиагностику, производство радионуклидов, стерилизацию медицинских изделий и исследования в области биофизики.
Для медицинских целей используются как линейные ускорители (линейные акселераторы или линейки), так и циклические ускорительные системы — циклотроны и синхротроны. Эти установки позволяют генерировать протоны, электроны, ионы и фотонные пучки с энергиями, достаточными для проникновения в ткани организма, при этом обеспечивая минимальное повреждение здоровых клеток.
Наиболее важной особенностью пучков протонов и тяжелых ионов (например, углерода) является наличие пика Брэгга — резкого максимума дозы ионизации в конце пробега частиц. Это означает, что частицы передают основную часть своей энергии на точно определённой глубине, что позволяет фокусировать дозу в пределах опухоли, практически не повреждая прилегающие здоровые ткани.
Ионы углерода, обладая большей массой и зарядом, демонстрируют ещё более выраженный пик Брэгга и повышенную радиобиологическую эффективность (RBE), особенно в отношении гипоксичных и радиорезистентных опухолей.
Протонная терапия осуществляется с использованием циклотронов (энергии порядка 230 МэВ) или синхротронов. Установки для ионной терапии требуют более мощных ускорителей: ионы углерода ускоряются до 400–450 МэВ/нуклон. Пучки направляются к пациенту через систему гентри или фиксированных портов, с возможностью сканирования пучка по объёму опухоли («pencil beam scanning»).
Наиболее распространённым источником ионизирующего излучения в клинической онкологии являются линейные ускорители электронов. Электронный пучок либо используется напрямую для облучения поверхностных опухолей, либо направляется на мишень, где генерирует фотонное излучение (гамма-кванты) через тормозное излучение.
Энергии пучков составляют 4–25 МэВ. Современные линейки оснащаются многофункциональными системами формирования поля, системами визуализации (IGRT) и позиционирования, что позволяет применять методы интенсивно-модулированной радиотерапии (IMRT) и радиохирургии.
Циклотроны используются для производства короткоживущих радионуклидов, применяемых в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ). Наиболее важными из них являются:
Циклотроны медицинского класса обладают энергией 10–30 МэВ для протонов и деутеров и могут быть размещены в больницах и радиологических центрах.
ПЭТ — это метод визуализации, основанный на регистрации двух 511-кэВ фотонов, испускаемых при аннигиляции позитрона, испущенного радионуклидом, с электроном. Применение ускорителей позволяет получать радиофармпрепараты непосредственно в клинике и проводить высокоточное картирование метаболических процессов.
Стереотаксическая радиохирургия (SRS) и стереотаксическая радиотерапия тела (SBRT) используют высокоточные методы доставки больших доз в малые объёмы. Ускорители, применяемые в этих методах, обеспечивают подмиллиметровую точность и позволяют избежать инвазивного хирургического вмешательства при лечении опухолей головного мозга, метастазов, артериовенозных мальформаций и других патологий.
Особое место занимают гамма-нож и кибернож:
Ускорители низкой и средней энергии применяются также для стерилизации медицинских изделий (шприцы, хирургические инструменты, имплантаты) и модификации биоматериалов. Электронные пучки эффективно уничтожают микроорганизмы без необходимости применения высоких температур или химических реагентов. Обработка может осуществляться в промышленном масштабе при помощи линеек с энергией 1–10 МэВ.
Использование ускорителей позволяет проводить фундаментальные исследования механизмов повреждения ДНК, радиочувствительности различных типов клеток, репарации и апоптоза. Особенно ценной является возможность получения пучков частиц с точно заданной LET (линейной передачей энергии), что необходимо для калибровки моделей радиобиологической эффективности.
Также на ускорителях изучаются эффекты космического излучения на биологические ткани, что важно для обеспечения радиационной защиты в пилотируемых миссиях за пределами магнитосферы Земли.
Несмотря на значительный прогресс в медицинском применении ускорительных технологий, остаются нерешённые задачи:
Совмещение достижений физики ускорителей, ядерной медицины и молекулярной биологии открывает путь к персонализированной, максимально щадящей и высокоэффективной терапии широкого спектра заболеваний.