кабинет ускоритель что такое
Линейный ускоритель – это радиотерапевтический комплекс, который используется для проведения облучения злокачественных новообразований. Системы визуализации и синхронизации с дыханием пациента дают возможность точного дозирования радиации в центре злокачественной опухоли. Инновационные технологии позволяют минимизировать повреждение здоровых тканей, сократить длительность лечения и значительно уменьшить время воздействия облучения.
Линейные ускорители: ощутите разницу
Чем отличается лечение на линейном ускорителе от обычной лучевой терапии? При проведении лучевого облучения на традиционных аппаратах, используется мощное гамма-излучение, которое эффективно разрушает опухоль. Существенным недостатком устаревшей технологии является неуправляемое излучение, которое поражает здоровые ткани и органы, что ведет к инвалидизации и снижению качества жизни онкобольных.
Современные линейные ускорители отличает отсутствие в них радиоактивных элементов. Облучение осуществляется узконаправленными лучами, в месте пересечения которых образуется высокая концентрация радиации на область новообразования. Также различаются способы определения формы и расположения опухоли. Инновационные технологии позволяют формировать участок облучения по форме пораженных тканей, что дает возможность использовать линейные ускорители для лечения онкологии подвижных новообразований при естественном изменении их положения.
Что лечат?
Высокая эффективность методики лучевой терапии доказана в ведущих онкологических центрах Европы, Израиля и России. Лечение линейным ускорителем показано в следующих случаях:
Краткий обзор линейных медицинских ускорителей
Линейный ускоритель в медицине – настоящая панацея и дает надежду на выздоровление и улучшение качества жизни более чем 80% больным онкологией. Медико-биологические комплексы радиационной терапии отличаются надежностью и многоуровневыми системами автоматизации:
Стоимость лучевой терапии
Линейный ускоритель – цена сопоставима с лечением по устаревшим технологиям. Например, стоимость курса лучевой терапии (10 – 15 процедур) на линейном ускорителе Вариан (Varian) начинается от 100 000 рублей. Цена варьируется в зависимости от объемов подготовительного этапа, стадии заболевания, локализации и формы опухоли.
Что такое и как работает линейный ускоритель
В этом аппарате электроны, т.е. отрицательно заряженные частицы, ускоряются с помощью высокочастотного излучения и могут непосредственно использоваться для облучения опухолей. Поскольку электроны не способны глубоко проникать в ткани, их применяют, например, для лечения кожных опухолевых заболеваний. Для облучения злокачественных новообразований, расположенных в более глубоких слоях тканей, необходимо использовать фотонное излучение. Когда ускоренные электроны сталкиваются с препятствием (мишенью), изготовленным из тяжелого металла, чаще всего вольфрама, это сопровождается выработкой высокоэнергетического рентгеновского излучения. Чем мощнее фотонное излучение, тем больше глубина его проникновения в ткани. После столкновения с мишенью луч проходит первичный коллиматор, который определяет максимальную площадь зоны облучения, и фильтр, обеспечивающий однородность излучения. Затем форма полученного пучка лучей подстраивается под параметры опухолевого очага, что обеспечивает его точное облучение. Это достигается с помощью многоступенчатого коллиматора (мультиколлиматора). В головке прибора для облучения находятся до 160 пластин шириной от 1до 16мм, которые при планировании процедуры облучения принимают контуры опухоли. Данные позиций каждой из пластин сохраняются и во время сеанса облучения передаются на линейный ускоритель, где подстраиваются с точностью до миллиметра под анатомические параметры пациента.
Как работает компьютерный томограф (КТ) и осуществляется симуляция (моделирование) процесса лучевой терапии.
С помощью снимков, полученных при помощи компьютерного томографа, начинается планирование процесса облучения. Процедурный стол, положение тела пациента и вспомогательные средства фиксации позиций тела идентичны данным линейного ускорителя. После центрации тела пациента на лечебном столе компьютерный томограф производит серию снимков области опухоли, на которых врач очерчивает контуры зоны предстоящего облучения.
Рентгеновский симулятор представляет собой рентгеновский диагностический аппарат, который в точности повторяет все параметры и конструктивные особенности линейного ускорителя. В нем также совпадают данные о позиции тела пациента на процедурном столе с данными линейного ускорителя. Все необходимые замеры, рассчитанные при планировании процесса облучения, переносятся с помощью симулятора на пациента перед первым сеансом терапии. В первую очередь – это точная позиция (положение) тела пациента, угол падения луча, границы облучаемой мишени. Все эти данные сохраняются в цифровом рентгеновском снимке.
Пошаговый процесс лучевой терапии на линейном ускорителе:
1. Утверждение концепции лечения. Для каждого пациента в отдельности бригадой врачей разных медицинских направлений – хирургов, терапевтов, патологов, радиологов, специалистов в области ядерной медицины, психоонкологов, представителей паллиативной медицины – в ходе так называемой онкологической конференции разрабатывается индивидуальный курс лечения.
2. Информирование пациента. В подробной беседе онколог-радиолог разъясняет пациенту, необходимо ли применение лучевой терапии в качестве единственного способа лечения в его случае, или возможны комбинации с радиосенсибилизирующими (радио-химиотерапия, иммунотерапия) и/или радиоактивными веществами для внутреннего облучения.
3. Подготовка пациента к процессу облучения. Пациента укладывают на процедурный стол и надежно закрепляют на нём положение тела больного с помощью различных специальных устройств (фиксаторов, масок), изготавливаемых в инженерной лаборатории медицинской физики. В ходе сеанса лучевой терапии это положение нельзя менять для того, чтобы обеспечить точность облучения.
4. Получение компьютерных изображений для проведения процедуры лучевой терапии. При составлении плана лечения используются различные методы визуализации, например, компьютерная томография (КТ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная томография (МРТ). Эти приборы делают снимки области опухоли, в которую будет направлено излучение. С их помощью онколог- радиолог сможет четко дифференцировать границы облучаемой опухоли от здоровых тканей в процессе подготовки к лечению.
5. Планирование лучевой терапии. Планирование лучевой терапии осуществляют совместно онколог-радиолог и медицинский физик. Онколог определяет целевую область облучения и отмечает её вместе с медицинским физиком на компьютерных снимках. Кроме того, он указывает, куда и какая доза облучения должна подаваться, а медицинский физик рассчитывает распределение доз. Наконец, они вместе оценивают план. Если план одобрен обоими, то можно начинать лечение.
6. Имитация процесса лечения на тренажере. Прежде, чем начать процедуру облучения, пациента укладывают на стол тренажёра (симулятора). Ему наносят метки так, чтобы положение тела во время симуляции (а значит, и во время последующего лечения) были абсолютно идентичными. Затем проводят имитацию процесса облучения в соответствии с предварительно составленным планом. Таким образом, процесс симуляции позволяет сопоставить план облучения с реальным процессом лечения на терапевтическом аппарате. На данном этапе есть возможность его корректировки в соответствии с реальной картиной, а затем приступить непосредственно к лечению.
7. Сеанс лучевой терапии. Во время проведения процедуры о пациенте заботятся медицинские технические ассистенты-радиологи. Их задача состоит в подготовке пациента к сеансу терапии и обслуживании медицинского линейного ускорителя. При этом они тесно взаимодействуют с врачами, медицинскими физиками, работниками медико-физической инженерной лаборатории. Сама же процедура терапии проводится очень быстро: согласно разработанному плану, она длится от нескольких секунд до нескольких минут.
8. Контроль во время сеанса облучения. Во время процесса лучевой терапии следует постоянный контроль точности облучения с помощью серии снимков из компьютерного томографа или рентгеновского аппарата. Проверяется расположение опухоли, которая может находиться в движении, например, при дыхании или сердцебиении, и, в соответствии с этим, производится корректирование положения пациента на процедурном столе.
9. Беседы с врачом во время лечебной процедуры. Во время лечебного сеанса поддерживается постоянная связь пациента с лечащим врачом. При возникновении каких-либо вопросов или проблем пациент в любой момент может обратиться к онкологу-радиологу.
10. Окончание сеанса лучевой терапии. После завершения процедуры следует подробный окончательный разговор пациента с врачом о том, завершен ли курс лечения или ещё необходимо применение других терапевтических мер, например, радиохимиотерапии.
11. Послеоперационное обслуживание пациента. Спустя 4-6 недель после окончания радиотерапии пациент посещает клинику. Врач тщательно обследует его, выясняет эффективность использованного метода лечения: находится ли развитие опухоли под контролем или пациент полностью излечился от онкозаболевания. Кроме того, проверяется наличие побочных эффектов или последствий, чтобы назначить соответствующее лечение. Согласно нормативным документам, последующее наблюдение за пациентом продолжается в течение нескольких лет и осуществляется в тесном сотрудничестве с его профильным врачом и семейным доктором.
Мал, да удал: миниатюрный линейный ускоритель частиц, поставивший новый рекорд
Привычный нам принцип «больше значит мощнее» уже давно устоялся в многих отраслях жизни общества, в том числе в науке и технологиях. Однако в современных реалиях все чаще и чаще встречается практическая реализация поговорки «мал, да удал». Это проявляется как в компьютерах, которые ранее занимали целую комнату, а сейчас помещаются в ладошке ребенка, так и в ускорителях заряженных частиц. Да-да, помните большой адронный коллайдер (БАК), внушительные габариты которого (26 659 м в длину) буквально указаны в его названии? Так вот, это уже в прошлом по мнению ученых из DESY, разработавших миниатюрную версию ускорителя, который по показателям не уступает своему полноразмерному предшественнику. Более того, мини ускоритель даже установил новый мировой рекорд среди терагерцовых ускорителей, удвоив энергию внедренных электронов. Как был разработан миниатюрный ускоритель, какие основные принципы его действия и что показали практические эксперименты? Об этом нам поможет узнать доклад исследовательской группы. Поехали.
Основа исследования
По словам Дунфан Чжан (Dongfang Zhang) и его коллег из DESY (Немецкий Электронный Синхротрон), которые и разработали мини-ускоритель, сверхбыстрые источники электронов играют невероятно важную роль в жизни современного общества. Многие из них проявляются в медицине, разработке электроники и в научных исследованиях. Самой большой проблемой нынешних линейных ускорителей, использующих радиочастотные генераторы, является их дороговизна, сложность инфраструктуры и внушительные аппетиты относительно потребляемой мощности. А такие недостатки сильно ограничивают доступность подобных технологий для более широкого круга пользователей.
Эти очевидные проблемы являются отличным стимулом к разработке устройств, размеры которых не будут вызывать ужас, как и степень потребляемой мощности.
Среди относительных новинок в этой отрасли можно выделить терагерцовые ускорители, которые обладают рядом «плюшек»:
Электрический пробой* — резкое возрастание силы тока при приложении напряжения выше критического.
Ученые считают, что их терагерцовый ускоритель в миллиметровых масштабах является компромиссом между обычными ускорителями, что имеются сейчас, и микро-ускорителями, которые разрабатываются, но обладают множеством недостатков ввиду своих уж очень малых габаритов.
Исследователи не отрицают, что технология терагерцового ускорения уже какое-то время находится в разработке. Однако, по их мнению, в данной сфере есть еще масса аспектов, которые не были изучены, проверены или реализованы.
В своем труде, который мы сегодня и рассматриваем, ученые демонстрируют возможности STEAM (segmented terahertz electron accelerator and manipulator) — сегментированного терагерцового электронного ускорителя и манипулятора. STEAM позволяет уменьшить длину пучка электронов до субпикосекундной длительности, обеспечивая тем самым фемтосекундный контроль над фазой ускорения.
Удалось достичь поля ускорения в 200 МВ/м (МВ — мегавольт), что приводит к рекордному терагерцовому ускорению в > 70 кэВ (килоэлектронвольт) от внедренного пучка электронов с энергией 55 кэВ. Таким образом были получены ускоренные электроны до 125 кэВ.
Структура устройства и его реализация
Изображение №1: схема исследуемого устройства.
Изображение №1-2: а — схема разработанной 5-слойной сегментированной структуры, b — соотношение расчетного ускорения и направления распространения электронов.
Пучки электронов (55 кэВ) генерируются из электронной пушки* и внедряются в терагерцовый STEAM-buncher (компрессор пучка), после чего переходят в STEAM-linac (линейный ускоритель*).
Электронная пушка* — устройство генерации пучка электронов необходимой конфигурации и энергии.
Линейный ускоритель* — ускоритель, в котором заряженные частицы проходят структуру лишь 1 раз, что отличает линейный ускоритель от циклического (например, БАК).
ГВГ* (генерация второй оптической гармоники) — процесс объединения фотонов с одинаковой частотой во время взаимодействия с нелинейным материалом, что приводит к формированию новых фотонов с удвоенной энергией и частотой, а также в два раза меньшей длиной волны.
Оставшаяся часть луча NIR-лазера разделяется на 4 луча, которые используются для генерации четырех одноцикловых терагерцовых импульсов посредством генерации разности внутриимпульсных частот.
Два терагерцовых импульса затем поступают в каждое STEAM устройство через симметричные роговые структуры, которые направляют терагерцовую энергию в область взаимодействия поперек направлению распространения электронов.
Когда электроны входят в каждое из STEAM устройство, они подвергаются воздействию электрической и магнитной составляющих силы Лоренца*.
Сила Лоренца* — сила, с которой электромагнитное поле воздействует на заряженную частицу.
В данном случае, электрическое поле отвечает за ускорение и замедление, а магнитное поле вызывает поперечные отклонения.
Изображение №2
Как мы видим на изображениях 2а и 2b, внутри каждого STEAM устройства терагерцовые пучки разделены поперек тонкими металлическими листами в несколько слоев различной толщины, каждый из которых действует как волновод, переносящий часть полной энергии в область взаимодействия. Также в каждом слое присутствуют диэлектрические пластины, чтобы согласовать время прихода терагерцового волнового фронта* с фронтом электронов.
Волновой фронт* — поверхность, до которой дошла волна.
Оба STEAM устройства работают в электрическом режиме, то есть так, чтобы производить наложение электрического поля и подавление магнитного поля в центре области взаимодействия.
В первом устройстве электроны рассчитаны по времени так, чтобы проходить через пересечение нуля* терагерцового поля, где временные градиенты электрического поля максимизированы, а среднее поле минимизировано.
Пересечение нуля* — точка, где нет никакого напряжения.
Такая конфигурация вызывает ускорение хвоста электронного пучка и замедление его головы, что приводит к баллистической продольной фокусировке (2а и 2с).
Во втором устройстве синхронизация электрона и терагерцового излучения устанавливается так, что электронный пучок испытывает только отрицательный цикл терагерцового электрического поля. Такая конфигурация приводит к чистому непрерывному ускорению (2b и 2d).
Лазер с NIR излучением напоминает криогенно охлажденную Yb:YLF систему, которая выдает оптические импульсы с длительностью 1.2 пс и энергией 50 мДж при длине волны 1020 нм и частоте повторения 10 Гц. А терагерцовые импульсы с центральной частотой 0.29 терагерц (период в 3.44 пс) генерируются методом наклонного фронта импульса.
Для питания STEAM-buncher (компрессор пучка) было использовано всего лишь 2 х 50 нДж терагерцовой энергии, а для STEAM-linac (линейный ускоритель) потребовалось 2 х 15 мДж.
Диаметр входного и выходного отверстий как обоих STEAM устройств составляет 120 мкм.
Компрессор пучка спроектирован с тремя слоями одинаковой высоты (0. 225 мм), которые оснащены пластинами из плавленого кварца (ϵr =4.41) длиной 0.42 и 0.84 мм для контроля временной синхронизации. Равные высоты слоев компрессора отражают факт того, что ускорение не происходит (2с).
А вот в линейном ускорителе высоты уже отличаются — 0.225, 0.225 и 0.250 мм (+ пластины из плавленного кварца 0.42 и 0.84 мм). Увеличение высоты слоя объясняет увеличение скорости электронов при ускорении.
Ученые отмечают, что число слоев напрямую отвечает за функционал каждого из двух устройств. Для достижения более высокой степени ускорения, к примеру, потребуется больше слоев и другая конфигурация высот для оптимизации взаимодействия.
Результаты практических опытов
Эмиттанс* — фазовое пространство, которое занимает ускоренный пучок заряженных частиц.
Напряженность электрического поля* — показатель электрического поля, равный отношению силы, приложенной на неподвижный точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.
Таким образом, в терагерцовом ускорителе градиенты поля, испытываемые электронами, могут быть на несколько порядков выше, чем в обычном устройстве. Временной масштаб, на котором кривизна поля заметна, при этом будет значительно меньше. Из этого следует, что длительность вводимого пучка электронов будет иметь более выраженное влияние.
Ученые на практике решили проверить данные теории. Для этого они вводили пучки электронов разной длительности, которая контролировалась сжатием за счет первого STEAM устройства (STEAM-buncher).
Изображение №3
В случае, когда компрессор не был подключен к источнику питания, пучки электронов (55 кэВ) с зарядом ∼1 фКл (фемтокулон) проходили примерно 300 мм от электронной пушки к устройству линейного ускорителя (STEAM-linac). Эти электроны могли расширяться под действием сил пространственного заряда вплоть до длительности более 1000 фс (фемтосекунд).
При такой длительности электронный пучок занимал около 60% полуволны ускоряющего поля с частотой 1,7 пс, что приводило к энергетическому спектру после ускорения с пиком на 115 кэВ и полушириной распределения энергии более 60 кэВ (3а).
Для сравнения этих результатов с ожидаемыми была смоделирована ситуация распространения электронов через линейный ускоритель, когда электроны были рассинхронизированы (т.е. не совпадают с) относительно оптимального времени введения. Расчеты такой ситуации показали, что прирост энергии электронов очень зависит от момента введения вплоть до субпикосекундного временного масштаба (3b). То есть при оптимальной настройке электрон будет испытывать полный полупериод ускорения терагерцового излучения в каждом слое (3с).
Если же электроны прибывают в разное время, то испытывают меньшее ускорение в первом слое, от чего им требуется больше времени на его прохождение. Затем рассинхронизация усиливается в следующих слоях, от чего возникает нежелательное замедление (3d).
Дабы максимально снизить отрицательный эффект временной протяженности пучка электронов, первое STEAM устройство работало в режиме сжатия. Длительность пучка электронов на линейном ускорителе была оптимизирована до минимума
350 фс (полуширина) путем настройки терагерцовой энергии, подаваемой на компрессор, и переключения линейного ускорителя в режим штриховки (4b).
Изображение №4
Минимальная длительность пучка была установлена в соответствии с длительностью УФ-импульса фотокатода, длительность которой составляла
600 фс. Также важную роль сыграло расстояние между компрессором и полосой, что ограничивало силу сгущения по скорости. В совокупности эти меры позволяют обеспечить фемтосекундную точность фазы введения на стадии ускорения.
На изображении 4а видно, что разброс энергии сжатого электронного пучка после оптимизированного ускорения в линейном ускорителе уменьшается в
4 раза по сравнению с несжатым. За счет ускорения энергетический спектр сжатого пучка смещается в сторону более высоких энергий, в отличие от несжатого пучка. Пик энергетического спектра после ускорения составляет около 115 кэВ, а высокоэнергетический хвост достигает около 125 кэВ.
Эти показатели, по скромному заявлению ученых, являются новым рекордом ускорения (до ускорения было 70 кэВ) в терагерцовом диапазоне.
Но, чтобы уменьшить разброс энергии (4а), необходимо достичь еще более короткого пучка.
Изображение №5
В случае несжатого введенного пучка параболическая зависимость размера пучка от тока выявляет поперечный эмиттанс в горизонтальном и вертикальном направлениях: εx,n = 1.703 мм*мрад и εy,n = 1.491 мм*мрад (5а).
Сжатие же, в свою очередь, улучшило поперечный эмиттанс в 6 раз до εx,n = 0,285 мм*мрад (горизонтальный) и εy,n = 0,246 мм*мрад (вертикальный).
Стоит отметить, что степень уменьшения эмиттанса примерно вдвое больше, чем степень сокращения длительности пучка, что является мерой нелинейности динамики взаимодействия со временем, когда электроны испытывают сильную фокусировку и дефокусировку магнитного поля во время ускорения (5b и 5с).
На изображении 5b видно, что электроны, введенные в оптимальное время, испытывают весь полупериод ускорения электрического поля. А вот электроны, которые прибывают до или после оптимального момента времени, испытывают меньшее ускорение и даже частичное замедление. Такие электроны в результате получают меньше энергии, грубо говоря.
Похожая ситуация наблюдается и при воздействии магнитного поля. Электроны, введенные в оптимальное время, испытывают симметричное количество положительных и отрицательных магнитных полей. Если же введение электронов происходило раньше оптимального времени, то было больше положительных полей и меньше отрицательных. В случае введения электронов позднее оптимального времени — меньше положительных и больше отрицательных (5с). А такие отклонения приводят к тому, что электрон может отклониться влево, вправо, вверх или вниз в зависимости от положения относительно оси, что приводит к увеличению поперечного импульса, соответствующего фокусировке или дефокусировке луча.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Суммируя, производительность ускорителя будет повышаться в случае уменьшения длительности пучка электронов. В данном труде достижимая длительность пучка была ограничена геометрией установки. Но, в теории, длительность пучка может достигать и меньше 100 фс.
Также ученые отмечают, что качество пучка можно в дальнейшем улучшить путем уменьшения высоты слоев и увеличения их числа. Однако этот метод не лишен проблем, в частности повышение сложности производства устройства.
Данный труд является начальным этапом более обширного и детального изучения миниатюрной версии линейного ускорителя. Несмотря на то, что испытанная версия уже показывает отличные результаты, которые можно справедливо назвать рекордными, работы еще много.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята! 🙂