Управлять пучком: новый проект ТПУ для онкологических отделений

ТОМСК, 28 ноя – РИА Томск. Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) получили грант Российского научного фонда для молодых ученых на разработку устройств, придающих пучку электронов нужную форму и защищающих здоровые ткани пациентов онкологических отделений во время лучевой терапии. Подробности – в материале РИА Томск.

Когда столкнулись медицина и физика

Разработками в области противораковых технологий в Томском политехе занимаются химики, материаловеды, программисты и, конечно же, физики. Как сообщается на сайте газеты ТПУ "За кадры", один из таких коллективов недавно получил грант Российского научного фонда для молодых ученых.

Политехники разрабатывают программно-аппаратный комплекс для 3D-печати коллиматоров. Это устройства, которые придают пучку электронов нужную форму, а также защищают здоровые ткани организма человека во время лучевой терапии. Аналоги обычно делают из металлов в специальных лабораториях, что гораздо дороже и требует особых условий.

Работа по этому направлению ведется в нескольких лабораториях, в том числе в цокольном этаже 10 корпуса ТПУ. Здесь трудятся сотрудники разных школ и отделений университета. К ним присоединились коллеги из медицинских научно-исследовательских институтов и крупных международных проектов в области физики высоких энергий. И всем им интересна область медицинской физики.

Пластик против металла

Полученный недавно грант Российского научного фонда – первый столь крупный для коллектива. Он рассчитан на три года, а сумма поддержки на год составляет 5 миллионов рублей.

"Все мы здесь изначально физики и долгое время изучали различные пучки. Постепенно подошли к теме лучевой терапии, – рассказывает доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Сергей Стучебров. – В общих чертах все представляют себе эту процедуру – опухоль облучают ионизирующим излучением".

Он добавляет, что, как известно, радиация – огромный стресс для здоровых тканей и всего организма в целом. И сейчас все сеансы терапии скрупулезно просчитываются, применяются различные технологии и инструменты, чтобы это самое воздействие на здоровые ткани минимизировать. Один из таких инструментов – коллиматор.

Как правило, коллиматоры делают из металла.

"Это такой толстый металлический блок с отверстием, повторяющим форму опухоли. Через отверстие и проходит пучок. Получается, что опухоль облучается, а слой металла закрывает от излучения здоровые ткани. Где-то такие коллиматоры вырезают, где-то выплавляют. Для выплавки такого устройства для каждого конкретного пациента при больнице нужна своя плавильня", – сообщается на сайте газеты ТПУ.

В России, например, такая плавильня есть в Московской городской онкологической больнице №62.

"Это сложно, дорого, в сплавах используются токсичные элементы. Плюс особенности производства приводят к потере точности коллиматора. По нашим оценкам, расхождения между реальным размером, формой опухоли и полученным коллиматором доходят до 5%. Для современной лучевой терапии это слишком серьезная погрешность", – комментирует доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Юрий Черепенников.

Политехники предлагают делать коллиматоры из полимеров – распространенных пластиков АБС (акрилонитрилбутадиенстирол), ПЛА (полилактид) и ХИПС (ударопрочный полистерол). Полученные командой проекта образцы коллиматоров демонстрируют точность изготовления в 0,2 миллиметра по отношению к форме и размеру реальной опухоли.

"Такой точности даже при планировании самой лучевой терапии не достигается, – говорит Черепенников. – Если на отливку одного коллиматора из металла требуются сутки, то с пластиком и аддитивными технологиями – буквально несколько часов. Также процесс печати не требует постоянного участия человека. Включил кнопку на принтере – и все".

Еще одно преимущество аддитивных технологий – стоимость конечного изделия. Себестоимость отлитого коллиматора – несколько тысяч рублей, а напечатанного – около 500 рублей.

Дешевле, проще, экологичнее

"В конечном итоге мы должны создать программно-аппаратный комплекс. Одна установка  объединит в себе функции: передачи информации из планирующей системы о характеристиках нужного коллиматора, преобразования этих данных в формат, пригодный для 3D-принтера, и изготовления коллиматора методом послойного наплавления", – рассказывает Стучебров.

Он подчеркивает, что это всего одна установка и никаких токсичных веществ: "Дешевле, проще, экологичнее".

Но политехники понимают, что их разработке, как установке медицинского применения, придется пройти сложную и длительную стадию испытаний и сертификаций.

"Нам повезло. У нас тесное сотрудничество с медиками. И в Томске вообще благоприятные условия для таких исследований. В городе есть Томский национальный исследовательский медицинский центр РАН, объединяющий разные НИИ медицинского профиля", – отмечает преподаватель отделения ядерно-топливного цикла Ирина Милойчикова.

Она объясняет: "Обычная больница, онкодиспансер не могут проводить каких-то исследований, самостоятельно внедрять установки, методы лечения. А вот у НИИ возможности в этом плане чуть шире".

Личное мнение

Доцент отделения ядерно-топливного цикла ТПУ Юрий Черепенников:

"Работа в области медицинской физики сама по себе связана с важной и благородной целью – сохранением здоровья людей. Пусть люди, работающие в этой области, и не имеют дела непосредственно с больными, их труд также важен и приобретает все большее значение с усложнением медицинских приборов и установок. Мы пытаемся внести свой вклад в достижение этой цели".

Доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Сергей Стучебров:

"Идея работать в этом направлении пришла сама собой, случайно. Мы просто работали с пучками и поняли, что часть наших результатов может быть полезна в медицинской физике. Да, это непростая область, особенно для внедрения результатов в практику, но, если удастся довести нашу работу до практического использования в клиниках, это принесет реальную помощь медикам и, конечно, пациентам".

Инженер Исследовательской школы Ангелина Красных:

"Первое желание заниматься наукой (еще будучи студенткой) у меня появилось именно потому, что направление было связано с медициной. Сразу стало понятно, зачем это делается. Есть цель – помогать людям. Она до сих пор меня вдохновляет".

Преподаватель отделения ядерно-топливного цикла Ирина Милойчикова:

"Несмотря на то, что мы являемся представителями технической специальности, работая в области медицинской физики, мы стремимся к выполнению основного завета медицины: "Не навреди". Именно с этим связаны наши основные научные разработки. Особенно важно, что наши идеи находят отклик у врачей, и они готовы к сотрудничеству".

Большой опыт

В копилке ТПУ немало разработок, связанных с лечением онкологических заболеваний. Ранее сообщалось, что политехники работают над созданием остео- и иммуностимулирующих материалов для персонализированной медицины. Новый материал должен облегчить процесс вживления металлического имплантата в костную ткань человека, в том числе пораженную онкологическими метастазами.

Дело в том, что у многих пациентов после операции эндопротезирования возникают осложнения – боль, расшатывание элементов конструкции эндопротеза. В рамках проекта ученые работают над созданием материала, который будет способствовать регенерации костной ткани, а также стимулировать иммунную систему за счет включения в его структуру лекарственных препаратов.

Недавно проект получил грант в рамках внутреннего конкурса постдоков – в ближайшие четыре года он будет реализовываться в стенах лаборатории плазменных гибридных систем ТПУ.

Новый материал, который рассчитывают получить ученые, поможет исключить аллергические реакции, инфицирование ран и отторжение имплантата у пациентов, которые повредили кости вследствие различных аварий, падения с высоты, ранения, а также из-за метастазов кости в результате онкологии.

***

ТПУ – крупнейший технический вуз за Уралом. За пять лет поднялся в рейтинге QS (Quacquarelli Symonds) из группы 600+ до 373-й строчки в 2018 году. В рейтинге Times Higher Education (THE) для развивающихся стран в этом году вуз занял 21-е место. С 2013 года участвует в программе "5-100" по повышению конкурентоспособности в мире.