Линейные ускорители в радиотерапии: устройство и принципы работы

При лечении онкологических заболеваний точность — это вопрос жизни. Современная лучевая терапия опирается на технологию, способную доставить мощную дозу излучения строго в опухоль, минимизируя воздействие на здоровые ткани. Эту задачу решает линейный ускоритель (ЛУ). Знание его устройства и принципов работы помогает понять, как достигается баланс между эффективностью и безопасностью.

Что такое линейный ускоритель и зачем он нужен

Линейный ускоритель — это аппарат для проведения дистанционной лучевой терапии. Его ключевая задача — генерировать пучки высокоэнергетических рентгеновских лучей или электронов, которые разрушают ДНК раковых клеток. В отличие от радиоактивных источников (например, кобальта-60), ЛУ создаёт излучение только во время сеанса, что исключает постоянный радиационный фон и упрощает эксплуатацию.

Почему "линейный"? Электроны разгоняются по прямой траектории в вакуумной трубке под действием электромагнитных волн. Это отличает его от циклических ускорителей (типа циклотрона), где частицы движутся по спирали. Прямолинейное ускорение позволяет компактно разместить установку в клинике и точно управлять энергией пучка.

Ключевые компоненты: из чего состоит аппарат

Работа линейного ускорителя — результат слаженного действия нескольких систем. Вот его основные элементы:

• Электронная пушка — испускает электроны при нагреве катода (похоже на принцип кинескопа).
• Волновод — медная трубка, где электромагнитные волны СВЧ-диапазона (обычно 3 ГГц) ускоряют электроны до скоростей, близких к световым.
• Мишень — вольфрамовый блок. При ударе ускоренных электронов генерируется рентгеновское излучение. Для электронной терапии мишень убирается из пути пучка.
• Система коллимации — многослойные свинцовые или вольфрамовые пластины (первичные и вторичные коллиматоры), формирующие пучок в соответствии с формой опухоли.
• Мультилифтовый коллиматор (МЛК) — набор десятков подвижных "лепестков" на выходе пучка. Меняя положение, они создают сложные трёхмерные формы, обходя здоровые органы.
• Система визуализации — встроенные КТ- или рентгеновские детекторы. Сканируют пациента перед сеансом, сверяя положение опухоли с планом лечения.
• Лечебный стол — автоматизированная платформа с точностью позиционирования до 1 мм. Может поворачиваться вместе с излучателем.
• Гентри — вращающаяся рама (весом до 10 тонн), на которой закреплены излучатель и коллиматоры. Позволяет подводить пучок под любым углом.

Как создаётся и управляется излучение: принцип работы

Процесс начинается с генерации электронов. Электронная пушка выпускает частицы, которые попадают в волновод. Там они "оседлывают" бегущую электромагнитную волну, подобно серферу на гребне, и разгоняются до энергий 6–20 МэВ. Далее возможны два сценария:

• Фотонная терапия (для глубоких опухолей): электроны бомбардируют мишень, вызывая тормозное рентгеновское излучение.
• Электронная терапия (для поверхностных образований): мишень убирается, и пучок электронов направляется напрямую к пациенту.

Перед выходом из аппарата пучок проходит через систему коллимации. Первичный коллиматор задаёт базовую форму, вторичный — дополнительно сужает поток. МЛК динамически адаптирует контур луча под проекцию опухоли на каждой стадии облучения. Вращение гентри вокруг пациента (технология VMAT) позволяет распределить дозу по объёму, снижая нагрузку на критические органы.

Фотоны или электроны: как выбирают тип излучения

Решение зависит от локализации и глубины опухоли. Рентгеновские лучи (фотоны) проникают на 10–30 см, рассеивая энергию по пути. Это оптимально для глубоко расположенных мишеней (рак простаты, лёгких). Электроны теряют энергию быстро, достигая максимума дозы на глубине 1–5 см, и почти не затрагивают подлежащие ткани. Их применяют при раке кожи, лимфоузлов или молочной железы.

Современные линейные ускорители переключают режимы за секунды. Это позволяет комбинировать оба типа излучения в одном курсе, если опухоль неоднородна.

Технологии, повышающие точность: IMRT, VMAT и другие

Точность — результат не только инженерных решений, но и компьютерных алгоритмов. Ключевые методы:

• IMRT (интенсивно-модулированная радиотерапия): МЛК разделяет пучок на сотни "карандашиков" с разной интенсивностью, создавая трёхмерное распределение дозы.
• VMAT (радиотерапия с объёмной модуляцией дуги): излучатель вращается вокруг пациента, непрерывно меняя форму пучка и скорость движения гентри. Сокращает время сеанса до 2–5 минут.
• IGRT (радиотерапия под визуальным контролем): встроенные КТ-сканеры делают снимки перед каждым сеансом, корректируя положение стола при смещении опухоли.

Зачем это нужно? Опухоли смещаются из-за дыхания, наполнения кишечника или мочевого пузыря. Без IGRT часть излучения могла бы попадать мимо мишени. Технологии вроде респираторной гейтации (синхронизация пучка с дыханием) дополнительно защищают лёгкие и сердце.

Безопасность и контроль: как защищают пациента

Каждый сеанс на линейном ускорителе — результат сотни проверок. Дозиметрические системы в режиме реального времени сравнивают запланированную и фактическую дозу. Если отклонение превышает 2–3%, аппарат автоматически отключается. Толстые бетонные стены помещения и свинцовые двери экранируют рассеянное излучение.

Перед первым сеансом проводится симуляция: на КТ или МРТ точно определяют границы опухоли и рисуют карту доз. Это гарантирует, что здоровые ткани получат минимум облучения. Статистика показывает: современные ЛУ снижают риск повреждения критических органов на 40–60% по сравнению с техникой 1990-х годов.

Почему линейные ускорители стали стандартом в радиотерапии

ЛУ сочетают универсальность, точность и доступность. Они могут заменить несколько узкоспециализированных аппаратов: в отличие от гамма-ножа (только для мозга) или протонных установок (требуют циклотрона), один ЛУ обрабатывает опухоли любых локализаций. При этом стоимость лечения в 3–5 раз ниже протонной терапии.

Главное преимущество — адаптивность. Излучение генерируется "по запросу", а параметры (энергия, форма пучка, угол подвода) меняются программно. Это позволяет применять ЛУ даже при сложных опухолях рядом с жизненно важными органами.

Список литературы

1. Клинические рекомендации Минздрава РФ "Лучевая терапия злокачественных новообразований". — М., 2020.
2. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика. — М.: Физматлит, 2004. — 448 с.
3. Khan F.M. The Physics of Radiation Therapy. 6th ed. — Lippincott Williams & Wilkins, 2019. — 600 p.
4. Podgorsak E.B. Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. — IAEA, 2005. — 665 p.
5. Цыб А.Ф., Разин М.П. Технические средства лучевой терапии. — М.: Медицина, 1996. — 320 с.
6. Bentzen S.M. et al. ESTRO consensus on target volume delineation for elective radiation therapy of early-stage breast cancer. Radiotherapy and Oncology, 2015; 114(1): 3–10.