Оставьте заявку
Укажите контактную информацию, мы вам перезвоним и ответим на интересующие вопросы.
заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент, член Российской инженерной академии
Григорий Александрович Феофилов
НЬЮСМЕЙКЕР
Кейсы
Медицина
10.06.25
Физики СПбГУ разработали способ изготовления сверхтонкой, радиационно-прозрачной и теплоотводящей панели из углекомпозитных материалов. Она может быть использована в протонных томографах для проведения диагностики и терапии злокачественных новообразований.
Электроника
Онкология
Физики СПбГУ помогут
в диагностике
и лечении онкозаболеваний
в диагностике
и лечении онкозаболеваний
Ядерная физика для медицины
Несмотря на то, что первые экспериментальные попытки применение протонов для лечения онкологических заболеваний были предприняты еще в 50-х годах прошлого века, получить широкое распространение эта технология тогда не смогла из-за ограничений технологий визуализации опухолей. Серьезный прорыв в этом направлении был сделан благодаря методам ядерной физики и инструментарию физики высоких энергий. За последнее сказать спасибо стоит Большому адронному коллайдеру (БАК) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). В буквальном смысле умы лучших ученых десятилетиями были сосредоточены на разработке самого большого в мире ускорителя и на создании уникальных экспериментальных систем детектирования частиц. Свой вклад в это внесли и физики СПбГУ.
В частности, ученые и специалисты СПбГУ с 1992 года участвовали в подготовке внутренней трековой системы (ВТС) для установки ALICE на БАК. Для исследований кварк-глюонной плазмы, материи ранней Вселенной, образующейся в столкновениях релятивистских ядер в эксперименте ALICE, было необходимо разработать и создать эту самую центральную, радиационно-прозрачную для частиц систему специальных детекторов ВТС, окружающих место столкновения. А затем, после 10 лет успешной работы, потребовалось и ее усовершенствование. «Новая, работающая сегодня ВТС состоит из семи цилиндрических слоев, образованных из 24 120 чрезвычайно тонких пиксельных детекторов — кремниевых пластиночек размером 15 х 30 мм2 и толщиной ~ 50 микрон. Их общая площадь составляет ~ 10 м2. Эта гигапиксельная камера установки ALICE регистрирует с высокой точностью треки тысяч частиц, рожденных в столкновениях ядер, ускоренных почти до скорости света», — рассказывает Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, член Российской инженерной академии.
Физики СПбГУ участвовали также вместе с коллегами по международной коллаборации ALICE и в разработке новейших монолитных пиксельных детекторов для ВТС на основе КМОП-технологий (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник. — Прим. ред.). «Возможность производства КМОП-матриц больших размеров появилась относительно недавно по мере совершенствования технологий и объединения в каждом миниатюрном пикселе сразу нескольких функций: и детектора, и средств обработки, и вывода сигналов. Такие матрицы широко применяются сегодня в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах, — говорит Григорий Феофилов. — На основе КМОП-технологий для новой ВТС эксперимента ALICE в 2011–2022 годах были разработаны в ЦЕРН специальные пиксельные матрицы. Их применение обеспечивает сегодня способность ВТС зафиксировать с точностью на уровне в несколько микрон и траектории тысяч частиц, рожденных в каждом столкновении релятивистских ядер, и координаты точек их вылета».
Как рассказал ученый, сложность задачи, поставленной в 1992 году и решенной в Санкт-Петербурге, состояла во взаимоисключающих требованиях — обеспечить высокую термомеханическую стабильность создаваемой системы пиксельных детекторов при жестком ограничении количества вещества, допустимого в конструкции ВТС. «В технологиях, запатентованных СПбГУ, используются углекомпозиты — композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных, например эпоксидных, смол. Высокомодульные углекомпозиты отличаются малой массой, но при этом превосходят по прочности сталь», — отмечает Григорий Феофилов.
По словам физика, развитие работ по этой теме обеспечило к 2022 году еще один мировой рекорд эксперимента ALICE по радиационной прозрачности детектирующих систем на основе кремниевых пиксельных детекторов. Поставлен он был также благодаря физикам СПбГУ. Коллектив лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ разработал и создал структуры поддержки — сверхлегкие углекомпозитные фермы с интегрированной системой охлаждения. На них размещаются пиксельные детекторы ВТС ALICE, работающей сегодня на БАК. «Так, например, при линейных размерах 0,9 метра и весе всего 18 граммов разработанные в СПбГУ углекомпозитные фермы способны удерживать вес ~ 5 кг. Это демонстрирует эффективность решений», — подчеркивает Григорий Феофилов.
Помимо высоких прочностных характеристик ряд углеродсодержащих материалов обладает и высокой теплопроводностью. «Помимо ALICE эта особенность была также использована в СПбГУ для проектирования и создания тепловых панелей для кремниевых детекторов в экспериментах мегасайенс-проекта коллайдера NICA в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне, — рассказывает Григорий Феофилов. — Разработанные углекомпозитные панели системы охлаждения способны отводить от пиксельных сенсоров тепловые потоки на уровне ~ 100–300 мВт/cм2. Много ли это или мало? Если даже взять величину энерговыделения сенсорами на уровне 100 мВт/cм2, то на площади 10 м2 будет выделяться мощность примерно как у постоянно работающих 10 утюгов».
Физики СПбГУ участвовали также вместе с коллегами по международной коллаборации ALICE и в разработке новейших монолитных пиксельных детекторов для ВТС на основе КМОП-технологий (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник. — Прим. ред.). «Возможность производства КМОП-матриц больших размеров появилась относительно недавно по мере совершенствования технологий и объединения в каждом миниатюрном пикселе сразу нескольких функций: и детектора, и средств обработки, и вывода сигналов. Такие матрицы широко применяются сегодня в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, мобильных телефонах, — говорит Григорий Феофилов. — На основе КМОП-технологий для новой ВТС эксперимента ALICE в 2011–2022 годах были разработаны в ЦЕРН специальные пиксельные матрицы. Их применение обеспечивает сегодня способность ВТС зафиксировать с точностью на уровне в несколько микрон и траектории тысяч частиц, рожденных в каждом столкновении релятивистских ядер, и координаты точек их вылета».
Как рассказал ученый, сложность задачи, поставленной в 1992 году и решенной в Санкт-Петербурге, состояла во взаимоисключающих требованиях — обеспечить высокую термомеханическую стабильность создаваемой системы пиксельных детекторов при жестком ограничении количества вещества, допустимого в конструкции ВТС. «В технологиях, запатентованных СПбГУ, используются углекомпозиты — композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных, например эпоксидных, смол. Высокомодульные углекомпозиты отличаются малой массой, но при этом превосходят по прочности сталь», — отмечает Григорий Феофилов.
По словам физика, развитие работ по этой теме обеспечило к 2022 году еще один мировой рекорд эксперимента ALICE по радиационной прозрачности детектирующих систем на основе кремниевых пиксельных детекторов. Поставлен он был также благодаря физикам СПбГУ. Коллектив лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ разработал и создал структуры поддержки — сверхлегкие углекомпозитные фермы с интегрированной системой охлаждения. На них размещаются пиксельные детекторы ВТС ALICE, работающей сегодня на БАК. «Так, например, при линейных размерах 0,9 метра и весе всего 18 граммов разработанные в СПбГУ углекомпозитные фермы способны удерживать вес ~ 5 кг. Это демонстрирует эффективность решений», — подчеркивает Григорий Феофилов.
Помимо высоких прочностных характеристик ряд углеродсодержащих материалов обладает и высокой теплопроводностью. «Помимо ALICE эта особенность была также использована в СПбГУ для проектирования и создания тепловых панелей для кремниевых детекторов в экспериментах мегасайенс-проекта коллайдера NICA в Объединенном институте ядерных исследований в городе Дубне, — рассказывает Григорий Феофилов. — Разработанные углекомпозитные панели системы охлаждения способны отводить от пиксельных сенсоров тепловые потоки на уровне ~ 100–300 мВт/cм2. Много ли это или мало? Если даже взять величину энерговыделения сенсорами на уровне 100 мВт/cм2, то на площади 10 м2 будет выделяться мощность примерно как у постоянно работающих 10 утюгов».
Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент, член Российской инженерной академии. Фото: Архив СПбГУ
Тонкая, легкая и прочная
Углекомпозитные технологии позволяют существенно расширить области применения новейших разработок кремниевой микроэлектроники и для медицины. Это направление тоже давно находится в сфере научных интересов коллектива лаборатории физики сверхвысоких энергий СПбГУ. Физиками была разработана сверхлегкая панель поддержки и охлаждения массивов тончайших кремниевых пиксельных сенсоров.
Она представляет собой углекомпозитную пластину толщиной и размерами с лист офисной бумаги. Создается она путем чередования слоев графитовой бумаги и угольного флиса, пропитанных связующим веществом.
По аналогии со сверхлегкими углепластиковыми фермами для эксперимента ALICE пластина должна держать на себе кремниевые детекторы, которые фиксируют траекторию движения частиц. «Задача состоит не только в том, чтобы удерживать на себе детекторы, но и не мешать пролету и регистрации протонов, — рассказывает Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, член Российской инженерной академии. — Мы смогли ее решить. Разработанная нами пластина радиационно-прозрачна, то есть не препятствует прохождению сквозь нее потока частиц. У вас могут быть самые совершенные на сегодняшний день детекторы, но без радиационно-прозрачной системы поддержки они не имеют смысла. Ибо все данные, которые зафиксируют детекторы, будут искажены или размыты лишним веществом подложки, на которой они крепятся», — подчеркивает Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, член Российской инженерной академии.
Панель, разработанная физиками СПбГУ, еще и теплопроводная, что позволит не перегреваться координатно-чувствительным детекторам, закрепленным на ней.
Еще одно преимущество этой тонкой (~ 250 микрон) углекомпозитной пластины размером 20 х 30 см2 заключается в ее прочности. «Пластина обладает механической стабильностью, а также имеет высокое качество поверхности — на ней почти нет шероховатостей, что важно для монтажа и отвода тепла от пиксельных сенсоров», — добавляет Григорий Феофилов. Добиться всего этого — нетривиальная задача, ведь ученые ограничены в материалах, допустимых к использованию.
Она представляет собой углекомпозитную пластину толщиной и размерами с лист офисной бумаги. Создается она путем чередования слоев графитовой бумаги и угольного флиса, пропитанных связующим веществом.
По аналогии со сверхлегкими углепластиковыми фермами для эксперимента ALICE пластина должна держать на себе кремниевые детекторы, которые фиксируют траекторию движения частиц. «Задача состоит не только в том, чтобы удерживать на себе детекторы, но и не мешать пролету и регистрации протонов, — рассказывает Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, член Российской инженерной академии. — Мы смогли ее решить. Разработанная нами пластина радиационно-прозрачна, то есть не препятствует прохождению сквозь нее потока частиц. У вас могут быть самые совершенные на сегодняшний день детекторы, но без радиационно-прозрачной системы поддержки они не имеют смысла. Ибо все данные, которые зафиксируют детекторы, будут искажены или размыты лишним веществом подложки, на которой они крепятся», — подчеркивает Григорий Александрович Феофилов, заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, член Российской инженерной академии.
Панель, разработанная физиками СПбГУ, еще и теплопроводная, что позволит не перегреваться координатно-чувствительным детекторам, закрепленным на ней.
Еще одно преимущество этой тонкой (~ 250 микрон) углекомпозитной пластины размером 20 х 30 см2 заключается в ее прочности. «Пластина обладает механической стабильностью, а также имеет высокое качество поверхности — на ней почти нет шероховатостей, что важно для монтажа и отвода тепла от пиксельных сенсоров», — добавляет Григорий Феофилов. Добиться всего этого — нетривиальная задача, ведь ученые ограничены в материалах, допустимых к использованию.
Где и для чего применять?
Помимо применения панели в исследовательских целях на коллайдерах физики СПбГУ считают перспективным ее использование вместе с новейшими пиксельными сенсорами в протонных томографах для проведения высокоточной диагностики локализованных опухолей, а также в медицинских ускорителях для контроля терапии злокачественных новообразований.
«Протонная компьютерная томография (pCT) — это новый метод визуализации, используемый в диагностике путем прямого восстановления относительной тормозной способности заряженной частицы (протона) при прохождении через исследуемые биологические ткани. Метод является более точным, чем рентгеновское КТ-сканирование, так как опирается на потери энергии протонами при взаимодействии с веществом, а не на поглощение рентгеновских лучей, — объясняет Григорий Феофилов. — Предполагается также не только регистрировать остаточную энергию каждого протона, прошедшего через исследуемую область, но и измерять направления траектории протонов до и после исследуемого объекта. Это достигается путем использования нескольких плоскостей, расположенных на пути протонов и состоящих из массивов новейших координатно-чувствительных кремневых пиксельных КМОП-сенсоров на тонких теплопроводящих панелях. Таким образом, при помощи pCT можно улучшить неопределенность в расчетах границ опухоли и оптимизировать облучение в протонной терапии».
По словам Григория Феофилова, важнейшим требованием к данным панелям является радиационная прозрачность для протонов. «Это означает жесткие ограничения и на геометрию (толщину панели), и на применение в ее составе элементов таблицы Менделеева с атомным номером не тяжелее углерода», — отмечает физик.
«Протонная компьютерная томография (pCT) — это новый метод визуализации, используемый в диагностике путем прямого восстановления относительной тормозной способности заряженной частицы (протона) при прохождении через исследуемые биологические ткани. Метод является более точным, чем рентгеновское КТ-сканирование, так как опирается на потери энергии протонами при взаимодействии с веществом, а не на поглощение рентгеновских лучей, — объясняет Григорий Феофилов. — Предполагается также не только регистрировать остаточную энергию каждого протона, прошедшего через исследуемую область, но и измерять направления траектории протонов до и после исследуемого объекта. Это достигается путем использования нескольких плоскостей, расположенных на пути протонов и состоящих из массивов новейших координатно-чувствительных кремневых пиксельных КМОП-сенсоров на тонких теплопроводящих панелях. Таким образом, при помощи pCT можно улучшить неопределенность в расчетах границ опухоли и оптимизировать облучение в протонной терапии».
По словам Григория Феофилова, важнейшим требованием к данным панелям является радиационная прозрачность для протонов. «Это означает жесткие ограничения и на геометрию (толщину панели), и на применение в ее составе элементов таблицы Менделеева с атомным номером не тяжелее углерода», — отмечает физик.
Лечить с высокой точностью
Сегодня в мире уже накоплен значительный опыт применения протонной терапии как высокотехнологичного и эффективного безоперационного способа воздействия на локализованные опухоли. Ее востребованность будет только расти. Так, по данным Минзрава РФ, в 2023 году в России было выявлено более 620 тысяч человек с онкозаболеванием (новые случаи. — Прим. ред.). По прогнозам ВОЗ, в будущем число заболевших, к сожалению, будет увеличиваться. Поэтому арсенал средств борьбы с раком необходимо пополнять, а сам инструментарий, особенно диагностический, совершенствовать. Протонная терапия уже вышла в авангард лечения злокачественных новообразований. А ее сочетание с протонной компьютерной томографией обеспечит дополнительные возможности, особенно для сложных случаев, при которых хирургия или другие методы бессильны.
Как сегодня проходит протонная терапия? С помощью медицинского ускорителя протоны разгоняют и направляют в скопление злокачественных клеток. При этом — удивительно, но в начале пути ускоренные протоны почти не воздействуют на биологические ткани. Самое важное с терапевтической точки зрения происходит в конце пробега, когда протон тормозится и образуется так называемый пик Брэгга. «Это область с максимальной ионизацией молекул облучаемых тканей. Вследствие образования в результате ионизации значительного количества свободных радикалов, отличающихся большой химической активностью, в этой зоне происходят повреждения или разрывы спиралей ДНК клеток. Причем область пика Брэгга отличается весьма резким — менее 1 мм — краем спада ионизационных потерь после полной остановки протона. Это позволяет минимизировать воздействие на здоровые ткани и полностью избежать облучения здоровых тканей рядом с опухолью», — поясняет Григорий Феофилов.
Задача радиологов и медицинских физиков — задать в ускорителе такую энергию протонам и так направлять пучки протонов при сканировании опухоли, чтобы пик Брэгга пришелся точно на клетки опухоли и не затрагивал здоровые ткани. «Для лечения протонами и вообще для терапии частицами нужна очень точная диагностика размера и локализации опухолей», — отмечает Григорий Феофилов. Сегодня такие данные получают с помощью компьютерной томографии (КТ). При ее проведении используются рентгеновские лучи (фотоны). Их интенсивность меняется при прохождении сквозь ткани с разной плотностью. Это и позволяет получить изображение исследуемого органа, в том числе и злокачественных новообразований. Фотон — частица безмассовая, а протон, наоборот, — тяжелая, и они по-разному взаимодействуют с веществом. Поэтому, по словам физика, в случае проведения протонной терапии при адаптации данных, полученных с помощью фотонной КТ, может возникнуть несколько смещенная картина (погрешность может достигать 3–4 мм). Если опухоль окажется в действительности больше, то воздействие на нее может быть недостаточным. В противном случае — пострадают здоровые клетки. Это особенно критично для опухолей головного мозга и нервной системы.
Как сегодня проходит протонная терапия? С помощью медицинского ускорителя протоны разгоняют и направляют в скопление злокачественных клеток. При этом — удивительно, но в начале пути ускоренные протоны почти не воздействуют на биологические ткани. Самое важное с терапевтической точки зрения происходит в конце пробега, когда протон тормозится и образуется так называемый пик Брэгга. «Это область с максимальной ионизацией молекул облучаемых тканей. Вследствие образования в результате ионизации значительного количества свободных радикалов, отличающихся большой химической активностью, в этой зоне происходят повреждения или разрывы спиралей ДНК клеток. Причем область пика Брэгга отличается весьма резким — менее 1 мм — краем спада ионизационных потерь после полной остановки протона. Это позволяет минимизировать воздействие на здоровые ткани и полностью избежать облучения здоровых тканей рядом с опухолью», — поясняет Григорий Феофилов.
Задача радиологов и медицинских физиков — задать в ускорителе такую энергию протонам и так направлять пучки протонов при сканировании опухоли, чтобы пик Брэгга пришелся точно на клетки опухоли и не затрагивал здоровые ткани. «Для лечения протонами и вообще для терапии частицами нужна очень точная диагностика размера и локализации опухолей», — отмечает Григорий Феофилов. Сегодня такие данные получают с помощью компьютерной томографии (КТ). При ее проведении используются рентгеновские лучи (фотоны). Их интенсивность меняется при прохождении сквозь ткани с разной плотностью. Это и позволяет получить изображение исследуемого органа, в том числе и злокачественных новообразований. Фотон — частица безмассовая, а протон, наоборот, — тяжелая, и они по-разному взаимодействуют с веществом. Поэтому, по словам физика, в случае проведения протонной терапии при адаптации данных, полученных с помощью фотонной КТ, может возникнуть несколько смещенная картина (погрешность может достигать 3–4 мм). Если опухоль окажется в действительности больше, то воздействие на нее может быть недостаточным. В противном случае — пострадают здоровые клетки. Это особенно критично для опухолей головного мозга и нервной системы.
- Григорий Александрович Феофиловзаведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий СПбГУ, доцент, член Российской инженерной академии«С помощью протонной компьютерной томографии можно добиться получения медицинских изображений злокачественных опухолей принципиально нового качества и точности. Вот тут и нужна для pCT наша тонкая, радиационно-прозрачная панель в сочетании с пиксельными КМОП-сенсорами».
Широкое применение
В настоящее время ученые СПбГУ ведут исследования, направленные на оптимизацию точности реконструкции треков протонов с использованием пиксельных детекторов для протонной компьютерной томографии, а также испытывают методику восстановления медицинских изображений для pCT на доступных пучках протонов. В этом направлении физики СПбГУ работают на опережение.
«Наша разработка также может иметь широкое применение в области микроэлектроники, где сегодня технологии позволяют наращивать мощность процессоров, что требует применения эффективных схем отвода тепла. Тонкие углекомпозитные теплопроводящие панели имеют малое количество вещества и могут быть использованы в различных высокотехнологичных комплексах, в том числе применены в космических технологиях, где требуется не только минимизировать вес аппаратуры, но и снизить за счет применения материалов с малым зарядовым номером эффекты нежелательных дозовых нагрузок на космонавтов, возможные вследствие взаимодействия космической проникающей радиации с любым веществом корабля», — подчеркивает Григорий Феофилов.
Способ изготовления тонких радиационно-прозрачных углекомпозитных панелей большой площади для монтажа и кондуктивного охлаждения пиксельных сенсоров и систем микроэлектроники детекторов апробирован физиками СПбГУ в лабораторных условиях.
«Наша разработка также может иметь широкое применение в области микроэлектроники, где сегодня технологии позволяют наращивать мощность процессоров, что требует применения эффективных схем отвода тепла. Тонкие углекомпозитные теплопроводящие панели имеют малое количество вещества и могут быть использованы в различных высокотехнологичных комплексах, в том числе применены в космических технологиях, где требуется не только минимизировать вес аппаратуры, но и снизить за счет применения материалов с малым зарядовым номером эффекты нежелательных дозовых нагрузок на космонавтов, возможные вследствие взаимодействия космической проникающей радиации с любым веществом корабля», — подчеркивает Григорий Феофилов.
Способ изготовления тонких радиационно-прозрачных углекомпозитных панелей большой площади для монтажа и кондуктивного охлаждения пиксельных сенсоров и систем микроэлектроники детекторов апробирован физиками СПбГУ в лабораторных условиях.
Вера Свиридова
Редактор статьи
Слушать подкаст
Ученые СПбГУ отвечают на важные вопросы
Научно-популярные новости СПбГУ, исследования, видеолекции, интервью с учеными Университета
Ландау позвонит
Оставить заявку
Укажите контактную информацию, мы вам перезвоним и ответим на интересующие вопросы
Наши эксперты готовы ответить на ваши вопросы
Получить консультацию
Подписывайтесь на наши соцсети
Подпишитесь на соцсети СПбГУ, чтобы быть в курсе актуальных новостей
Простым языком об исследованиях и разработках ученых СПбГУ
Журнал «Санкт-Петербургский университет»
Подписаться на рассылку
Подпишитесь на нашу рассылку по электронной почте, чтобы получать полезные советы и ценную информацию каждый месяц.