首臺國產醫用重離子加速器誕生記
蘭州重離子加速器冷卻儲存環主環。中國科學院近代物理研究所供圖
醫用重離子加速器的核心繫統同步加速器。中國科學院近代物理研究所供圖
蘭州科近泰基新技術有限責任公司生產車間。中青報·中青網記者王豪/攝
https://vod.cyol.com/vod/data/video/202405/12/7a96c289-6acf-4d6f-995e-a9045678ba33/transcode_b959c7dc-a0b7-4a95-10de-2283538b.mp4/av-g.m3u8舌根處長了“拇指”大小的腫塊，說話“嗚嚕嗚嚕”，吞嚥困難，晚上還疼得睡不着覺，身體出現異樣後，家住寧夏回族自治區的張明(化名)走過一條漫長的求醫路。
“確診舌根癌後，不少醫生建議我進行切除手術，舌頭、咽喉等器官都要摘掉。”在張明看來，這相當於給自己宣判了死刑，“沒有吞嚥功能、沒有語言功能、沒有味覺，活着沒有意義了”。
“我想要保障後半輩子的生命質量。”今年3月，張明在朋友的推薦下，來到了甘肅省武威腫瘤醫院重離子中心(以下簡稱“武威重離子中心”)接受治療。“我就是奔着科學來的。”他說。
張明口中的“科學”指的是裝配在武威重離子中心的我國首臺自主知識產權的醫用重離子加速器。所謂重離子，是指質量數大於4(即原子序數大於2)的原子失去部分或全部電子後形成的帶電粒子。重離子加速器就是能產生重離子並利用重離子開展實驗的裝置。
目前，手術治療、化學治療、生物治療和放射治療是公衆普遍知曉的癌症治療方式。醫用重離子加速器是採用哪種方式治療癌症的？它的治療原理和優勢是什麼？背後的關鍵技術研發和產業化應用又經歷過哪些艱辛和不易？帶着這些疑問，中青報·中青網記者近日走進國產醫用重離子加速器的“孃家”——中國科學院近代物理研究所(以下簡稱“近代物理所”)。
設想
最先映入眼簾的是一行題詞：“加速器加速科學進步，重離子重在造福人民”。在近代物理所，重離子加速器是核物理基礎研究的核心設備。每一代重離子加速器的設計和建造，實際上與癌症治療並沒有直接關係。
近代物理所原副所長靳根明回憶，1973年，所里正式提出自力更生設計建造大型重離子加速器的設想。在得到原國家計劃委員會的正式批准後，該所與全國100多家企事業單位合作，於1988年底，將我國第一臺大型重離子研究裝置“蘭州重離子加速器”聯調成功。
“它的面世，不僅爲我國開展重離子物理基礎研究和應用研究提供了前所未有的良好條件，也標誌着我國迴旋加速器技術當時進入國際先進行列。”靳根明說。
5年後，在1993年甘肅天水舉行的一場學術會議上，近代物理所原重離子束應用二室主任衛增泉闡述了關於開展重離子治癌研究的科研想法。
這個提議，拉開了國產重離子加速器技術進行醫用轉換的帷幕。
彼時，國際上對於“重離子治癌”已有相關研究。利用磁場和電場的組合體，重離子加速器將飛馳的離子“炮彈”聚成又細又密的一束，加強火力；與此同時，它又像個“交警”，指揮“炮彈”拐彎，把能量不符合要求的離子“炮彈”飛離出去。
科學家們將離子束應用於不同領域。把它引向癌細胞，它就是對抗癌症的“利器”。
然而，在20世紀90年代，要推動“重離子治癌”從設想變爲現實，並不是一件容易的事。它需要紮實的研究基礎——核物理及其交叉學科的研究；還需要先進的工具——能夠產生巨大能量離子束流的大型加速器裝置。
實驗
近代物理所在重離子加速器領域的技術積累長達數十年，且已擁有“蘭州重離子加速器”這一大科學裝置，將其縮小，是否就能得到治癌的醫療“利器”？
很快，科學家們認識到，開展科研的大科學裝置與醫用重離子加速器(高端醫療器械)存在很大差異，“並不僅僅是縮小那麼簡單”。
“醫用重離子加速器的設計除需要考慮可靠性、安全性之外，還要考慮它的造價、成本、可推廣性。”近代物理所副所長楊建成說，“它要非常緊湊，同時能爲更多病人提供治療終端，節省整個治療費用。”
此前，美國已將“氖離子束”應用於臨牀探索；日本則籌建起世界上首臺醫用重離子設備HIMAC；德國也擁有重離子束治癌裝置HITAG。在掌握核心技術的同時，這些國家也進行了相關知識產權的佈局。
設計過程中，楊建成和團隊成員與時間賽跑，每天只休息不到5個小時。經過數月攻關，他們拿出了一套自主設計的方案。
以醫用重離子加速器使用二極磁鐵的數量爲例，日本設備使用了18塊二極磁鐵；德國有6塊、12塊兩種方案。楊建成團隊則下了很大功夫，反覆試驗，最終決定使用8塊二極磁鐵的架構。該裝置同步加速器部分的周長縮短至56米，有別於德國的75米、日本的62米，是目前世界上最小的重離子治療專用裝置。
設計有了雛形，科研人員又着力於解決離子束的能量問題——要求在不同深度、不同形狀的腫瘤區域內，獲得均勻穩定的束流照。這就要對束流強度、穩定性等進行控制。
“像一場精準的導彈打擊，既要確保能量深入腫瘤，又要避免傷害健康組織。”楊建成說。
爲此，近代物理所多個科研團隊通力配合，進行反覆實驗，在2008年，設計建造出我國第一臺規模最大、能量最高、加速粒子種類最多的重離子同步加速器冷卻儲存環系統，解決了高能離子束“哪裡來”的問題。團隊又進行了多次束流性能測試和細胞輻照試驗，對醫用重離子加速器裝置所有標稱能量的深度劑量分佈等進行了測試。
合力
從大科學裝置到高端醫療器械，不僅要將物理、核物理、信息、電子、醫學、圖像處理等學科融會貫通，在科研上不斷突破，還要“從0到1”，推動國家相關標準和規範的建設。
此前，我國並沒有同等體量的醫療器械報批，因此，國產醫用重離子加速器從樣機調試、設備檢測到臨牀試驗和審批註冊，每項工作都要在摸索中艱難前進。
“所有檢測項目加起來，超過5000個。”楊建成說。
高標準的工藝質量，同樣是科技成果轉化中不可或缺的一環。蘭州科近泰基新技術有限責任公司主要負責近代物理所醫用重離子加速器的生產環節。該公司副總經理楊文傑告訴記者，生產要遵循諸多醫療器械的生產標準，“大到電氣安全、電磁兼容、束流性能、軟件網絡，小到強電模塊和弱電模塊的隔離標準、如何布地線、電線的顏色，甚至螺絲擰幾圈都有嚴格規定。標準達不到，我們就一次次修正，直到達標爲止。”
大型醫療設備的落地，除了要獲得藥監部門的醫療器械註冊證外，還需要醫院獲得配置許可。
“這就要考量合作單位的證照資質、資金土地、人才儲備、安全環保等。”楊建成介紹，起初，團隊在北京、上海、廣州尋找有意向建設醫用重離子加速器的單位，但由於種種原因，最終都沒能達成合作。
在與多家醫院失之交臂後，作爲團隊發源地的甘肅遞來了橄欖枝。2012年，近代物理所科研團隊開始在甘肅省武威市建設首臺醫用重離子加速器示範裝置。重離子治癌技術研發從基礎研究向民生應用，邁出實質性的一步。
“當時，只有一座大樓孤零零地矗立在荒漠之中。”作爲主加速器同步環總負責人，楊建成到達武威項目地的第一天，就思考起“團隊穩定性”的問題。
“這裡地處郊區，交通不便。工作任務又十分繁重。大夥兒經常到凌晨兩三點，才能忙完當天的工作；趕不及回市區，就睡在泡沫板上。”讓他意外的是，在爲時兩年半的安裝調試期內，卻鮮有工作人員喊苦喊累。
科研人員雖精神可嘉，但在項目現場，各類問題還是層出不窮。
楊建成舉例，團隊首次提出偏心剝離注入方案，使注入增益高達350倍，爲國際同類裝置最高，按預期，實驗終端流強爲2×10^9；當時團隊卻測出2×10^8的誤差數據。
束流強度關乎治療效率，突如其來的插曲，讓科研團隊200多人陷入長達6個月的煎熬。大家加班加點，檢校裝置的每個零件，從頭驗證每個步驟。
“最終實驗證明了我們前期設想的正確性。”楊建成說，這也成了他人生中難忘而寶貴的6個月。他深深意識到，科研不僅需要思路、想法和靈感，也需要韌性、恆心和決心。
“對於複雜的重大科學工程，你永遠不知道下一個‘惡魔’是啥？”他說。
落地
2015年12月，首臺國產醫用重離子加速器在武威成功出束。現場，加速器物理學家、中國工程院院士、中國科學院高能物理所研究員陳森玉給出評價：“兩年時間裡把它安裝、建成、調試成功，是世界上不多見的。說明主裝置加速器是成功的。”
一個個關鍵環節被打通，醫用重離子加速器項目步入發展快車道——2018年7月，國產醫用重離子加速器取得輻射安全許可證；2018年11月，開始臨牀試驗；2019年5月，完成臨牀試驗……2020年3月26日，武威重離子中心正式開始臨牀治療，標誌着我國成爲繼美國、德國、日本後，第四個擁有自主研發重離子治療系統和臨牀應用能力的國家。
近日，在走訪武威重離子中心時，記者看到了首臺國產醫用重離子加速器裝置模型。它由電子迴旋共振離子源、迴旋加速器、同步加速器以及4個不同角度的治療終端組成：電子迴旋共振離子源負責讓離子材料甲烷蛻化爲碳離子；同步加速器是整個裝置最核心的部件，它可以把離子束加速到接近光速的70%繼而形成離子束流。在患者接受治療時，裝置各部件之間緊密配合，精準“爆破”腫瘤細胞。
在武威腫瘤醫院副院長張雁山的指引下，記者在中央控制室控制檯前通過監控大屏，看到了整臺裝置各部件運行的畫面。
“該裝置95%以上的零部件設備實現國產，與進口設備相比，建設成本只有其1/3至1/2，重量和體積更小，穩定性更高，維護費用更低。”張雁山告訴記者。
與此同時，不少癌症患者因爲這一醫療裝置增加了治癒的希望。張雁山介紹，當前，腫瘤患者進行重離子治療，每個療程大約需要10-16天，每次需要10-20分鐘。截至目前，該裝置已完成了國內外超過1200例癌症患者的治療，臨牀適應症涵蓋中樞神經系統腫瘤、頭頸部腫瘤、胸腹部腫瘤、盆腔腫瘤、骨和軟組織腫瘤等。
“當然，重離子治癌也不是萬能的。”張雁山介紹了幾種不適合重離子治療的情況，如白血病等血液系統癌症、已經發生全身轉移的癌症患者、空腔臟器腫瘤評估後穿孔機率大者、臨牀醫生判斷不適合重離子治療者、小於14週歲兒童患者。
此外，重離子治癌項目整體投資高昂，維保成本高。目前，國內外僅有14個重離子中心公開運行，部分患[www.kotozte.net)者在接受治療時會擔心費用負擔問題。有關統計數據顯示，日本在質子線粒子治療進入醫保之前的治療價格，維持在20萬元左右。美國則需要花費60萬元以上。歐洲的價格處於美國和日本之間。國內以復旦大學附屬腫瘤醫院質子重離子中心的平均治療價格爲例，維持在27.8萬元。
對此，多方正在找尋解決方案。當前，已有商業保險和城市惠民保將質子重離子治療納入保障範圍；在近些年的地方和全國兩會上，多位代表委員[www.momobug.net)建議分步將重離子治療納入醫保。
科研人員立足專業領域，從未停止前行的腳步，新一代重離[www.yyxzs.net)子治療裝置示範項目正在如火如荼開展中。
近代物理所黨委書記、副所長鬍正國介紹，新一代裝置創新設計，單次治療時間有望縮[www.515tu.com)短到1分鐘以下，年治療能力可從每臺裝置每年治療1000-1500名患者，提高至2000-5000名患者。
隨着技術進步和普及，重離子治癌整體價格有望降低。胡正國說：“打破國外的專利限制、價格壟斷，實現國產化，這不是我們的目標。我們的目標是研發國際一流和普通民衆都能享受的真正普惠型離子治療裝置，讓更多患者享受到高科[www.zizhuyuan.net)技發展、新質生產力帶來的健康福祉。”
中青報·[www.kxdjt.net)中青網記者王豪