蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所供圖
醫(yī)用重離子加速器的核心系統(tǒng)同步加速器。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所供圖
蘭州科近泰基新技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)車間。中青報(bào)·中青網(wǎng)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(zhǎng)了“拇指”大小的腫塊，說(shuō)話“嗚嚕嗚�！�，吞咽困難，晚上還疼得睡不著覺(jué)，身體出現(xiàn)異樣后，家住寧夏回族自治區(qū)的張明(化名)走過(guò)一條漫長(zhǎng)的求醫(yī)路。
“確診舌根癌后，不少醫(yī)生建議我進(jìn)行切除手術(shù)，舌頭、咽喉等器官都要摘掉�！痹趶埫骺磥�(lái)，這相當(dāng)于給自己宣判了死刑，“沒(méi)有吞咽功能、沒(méi)有語(yǔ)言功能、沒(méi)有味覺(jué)，活著沒(méi)有意義了”。
“我想要保障后半輩子的生命質(zhì)量�！苯衲�3月，張明在朋友的推薦下，來(lái)到了甘肅省武威腫瘤醫(yī)院重離子中心(以下簡(jiǎn)稱“武威重離子中心”)接受治療。“我就是奔著科學(xué)來(lái)的�！彼f(shuō)。
張明口中的“科學(xué)”指的是裝配在武威重離子中心的我國(guó)首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器。所謂重離子，是指質(zhì)量數(shù)大于4(即原子序數(shù)大于2)的原子失去部分或全部電子后形成的帶電粒子。重離子加速器就是能產(chǎn)生重離子并利用重離子開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的裝置。
目前，手術(shù)治療、化學(xué)治療、生物治療和放射治療是公眾普遍知曉的癌癥治療方式。醫(yī)用重離子加速器是采用哪種方式治療癌癥的？它的治療原理和優(yōu)勢(shì)是什么？背后的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用又經(jīng)歷過(guò)哪些艱辛和不易？帶著這些疑問(wèn)，中青報(bào)·中青網(wǎng)記者近日走進(jìn)國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器的“娘家”——中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所(以下簡(jiǎn)稱“近代物理所”)。
設(shè)想
最先映入眼簾的是一行題詞：“加速器加速科學(xué)進(jìn)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(chǔ)研究的核心設(shè)備。每一代重離子加速器的設(shè)計(jì)和建造，實(shí)際上與癌癥治療并沒(méi)有直接關(guān)系。
近代物理所原副所長(zhǎng)靳根明回憶，1973年，所里正式提出自力更生設(shè)計(jì)建造大型重離子加速器的設(shè)想。在得到原國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)的正式批準(zhǔn)后，該所與全國(guó)100多家企事業(yè)單位合作，于1988年底，將我國(guó)第一臺(tái)大型重離子研究裝置“蘭州重離子加速器”聯(lián)調(diào)成功。
“它的面世，不僅為我國(guó)開(kāi)展重離子物理基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供了前所未有的良好條件，也標(biāo)志著我國(guó)回旋加速器技術(shù)當(dāng)時(shí)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。”靳根明說(shuō)。
5年后，在1993年甘肅天水舉行的一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議上，近代物理所原重離子束應(yīng)用二室主任衛(wèi)增泉闡述了關(guān)于開(kāi)展重離子治癌研究的科研想法。
這個(gè)提議，拉開(kāi)了國(guó)產(chǎn)重離子加速器技術(shù)進(jìn)行醫(yī)用轉(zhuǎn)換的帷幕。
彼時(shí)，國(guó)際上對(duì)于“重離子治癌”已有相關(guān)研究。利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的組合體，重離子加速器將飛馳的離子“炮彈”聚成又細(xì)又密的一束，加強(qiáng)火力；與此同時(shí)，它又像個(gè)“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(xué)家們將離子束應(yīng)用于不同領(lǐng)域。把它引向癌細(xì)胞，它就是對(duì)抗癌癥的“利器”。
然而，在20世紀(jì)90年代，要推動(dòng)“重離子治癌”從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并不是一件容易的事。它需要扎實(shí)的研究基礎(chǔ)——核物理及其交叉學(xué)科的研究；還需要先進(jìn)的工具——能夠產(chǎn)生巨大能量離子束流的大型加速器裝置。
實(shí)驗(yàn)
近代物理所在重離子加速器領(lǐng)域的技術(shù)積累長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年，且已擁有“蘭州重離子加速器”這一大科學(xué)裝置，將其縮小，是否就能得到治癌的醫(yī)療“利器”？
很快，科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到，開(kāi)展科研的大科學(xué)裝置與醫(yī)用重離子加速器(高端醫(yī)療器械)存在很大差異，“并不僅僅是縮小那么簡(jiǎn)單”。
“醫(yī)用重離子加速器的設(shè)計(jì)除需要考慮可靠性、安全性之外，還要考慮它的造價(jià)、成本、可推廣性。”近代物理所副所長(zhǎng)楊建成說(shuō)，“它要非常緊湊，同時(shí)能為更多病人提供治療終端，節(jié)省整個(gè)治療費(fèi)用�！�
此前，美國(guó)已將“氖離子束”應(yīng)用于臨床探索；日本則籌建起世界上首臺(tái)醫(yī)用重離子設(shè)備HIMAC；德國(guó)也擁有重離子束治癌裝置HITAG。在掌握核心技術(shù)的同時(shí)，這些國(guó)家也進(jìn)行了相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的布局。
設(shè)計(jì)過(guò)程中，楊建成和團(tuán)隊(duì)成員與時(shí)間賽跑，每天只休息不到5個(gè)小時(shí)。經(jīng)過(guò)數(shù)月攻關(guān)，他們拿出了一套自主設(shè)計(jì)的方案。
以醫(yī)用重離子加速器使用二極磁鐵的數(shù)量為例，日本設(shè)備使用了18塊二極磁鐵；德國(guó)有6塊、12塊兩種方案。楊建成團(tuán)隊(duì)則下了很大功夫，反復(fù)試驗(yàn)，最終決定使用8塊二極磁鐵的架構(gòu)。該裝置同步加速器部分的周長(zhǎng)縮短至56米，有別于德國(guó)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(shè)計(jì)有了雛形，科研人員又著力于解決離子束的能量問(wèn)題——要求在不同深度、不同形狀的腫瘤區(qū)域內(nèi)，獲得均勻穩(wěn)定的束流照。這就要對(duì)束流強(qiáng)度、穩(wěn)定性等進(jìn)行控制。
“像一場(chǎng)精準(zhǔn)的導(dǎo)彈打擊，既要確保能量深入腫瘤，又要避免傷害健康組織�！睏罱ǔ烧f(shuō)。
為此，近代物理所多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)通力配合，進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在2008年，設(shè)計(jì)建造出我國(guó)第一臺(tái)規(guī)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(chǔ)存環(huán)系統(tǒng)，解決了高能離子束“哪里來(lái)”的問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了多次束流性能測(cè)試和細(xì)胞輻照試驗(yàn)，對(duì)醫(yī)用重離子加速器裝置所有標(biāo)稱能量的深度劑量分布等進(jìn)行了測(cè)試。
合力
從大科學(xué)裝置到高端醫(yī)療器械，不僅要將物理、核物理、信息、電子、醫(yī)學(xué)、圖像處理等學(xué)科融會(huì)貫通，在科研上不斷突破，還要“從0到1”，推動(dòng)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的建設(shè)。
此前，我國(guó)并沒(méi)有同等體量的醫(yī)療器械報(bào)批，因此，國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器從樣機(jī)調(diào)試、設(shè)備檢測(cè)到臨床試驗(yàn)和審批注冊(cè)，每項(xiàng)工作都要在摸索中艱難前進(jìn)。
“所有檢測(cè)項(xiàng)目加起來(lái)，超過(guò)5000個(gè)�！睏罱ǔ烧f(shuō)。
高標(biāo)準(zhǔn)的工藝質(zhì)量，同樣是科技成果轉(zhuǎn)化中不可或缺的一環(huán)。蘭州科近泰基新技術(shù)有限責(zé)任公司主要負(fù)責(zé)近代物理所醫(yī)用重離子加速器的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。該公司副總經(jīng)理?xiàng)钗慕芨嬖V記者，生產(chǎn)要遵循諸多醫(yī)療器械的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，“大到電氣安全、電磁兼容、束流性能、軟件網(wǎng)絡(luò)，小到強(qiáng)電模塊和弱電模塊的隔離標(biāo)準(zhǔn)、如何布地線、電線的顏色，甚至螺絲擰幾圈都有嚴(yán)格規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)達(dá)不到，我們就一次次修正，直到達(dá)標(biāo)為止。”
大型醫(yī)療設(shè)備的落地，除了要獲得藥監(jiān)部門(mén)的醫(yī)療器械注冊(cè)證外，還需要醫(yī)院獲得配置許可。
“這就要考量合作單位的證照資質(zhì)、資金土地、人才儲(chǔ)備、安全環(huán)保等�！睏罱ǔ山榻B，起初，團(tuán)隊(duì)在北京、上海、廣州尋找有意向建設(shè)醫(yī)用重離子加速器的單位，但由于種種原因，最終都沒(méi)能達(dá)成合作。
在與多家醫(yī)院失之交臂后，作為團(tuán)隊(duì)發(fā)源地的甘肅遞來(lái)了橄欖枝。2012年，近代物理所科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始在甘肅省武威市建設(shè)首臺(tái)醫(yī)用重離子加速器示范裝置。重離子治癌技術(shù)研發(fā)從基礎(chǔ)研究向民生應(yīng)用，邁出實(shí)質(zhì)性的一步。
“當(dāng)時(shí)，只有一座大樓孤零零地矗立在荒漠之中。”作為主加速器同步環(huán)總負(fù)責(zé)人，楊建成到達(dá)武威項(xiàng)目地的第一天，就思考起“團(tuán)隊(duì)穩(wěn)定性”的問(wèn)題。
“這里地處郊區(qū)，交通不便。工作任務(wù)又十分繁重。大伙兒經(jīng)常到凌晨?jī)扇c(diǎn)，才能忙完當(dāng)天的工作；趕不及回市區(qū)，就睡在泡沫板上�！弊屗馔獾氖牵跒闀r(shí)兩年半的安裝調(diào)試期內(nèi)，卻鮮有工作人員喊苦喊累。
科研人員雖精神可嘉，但在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，各類問(wèn)題還是層出不窮。
楊建成舉例，團(tuán)隊(duì)首次提出偏心剝離注入方案，使注入增益高達(dá)350倍，為國(guó)際同類裝置最高，按預(yù)期，實(shí)驗(yàn)終端流強(qiáng)為2×10^9；當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)卻測(cè)出2×10^8的誤差數(shù)據(jù)。
束流強(qiáng)度關(guān)乎治療效率，突如其來(lái)的插曲，讓科研團(tuán)隊(duì)200多人陷入長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的煎熬。大家加班加點(diǎn)，檢校裝置的每個(gè)零件，從頭驗(yàn)證每個(gè)步驟。
“最終實(shí)驗(yàn)證明了我們前期設(shè)想的正確性�！睏罱ǔ烧f(shuō)，這也成了他人生中難忘而寶貴的6個(gè)月。他深深意識(shí)到，科研不僅需要思路、想法和靈感，也需要韌性、恒心和決心。
“對(duì)于復(fù)雜的重大科學(xué)工程，你永遠(yuǎn)不知道下一個(gè)‘惡魔’是啥？”他說(shuō)。
落地
2015年12月，首臺(tái)國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器在武威成功出束�，F(xiàn)場(chǎng)，加速器物理學(xué)家、中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員陳森玉給出評(píng)價(jià)：“兩年時(shí)間里把它安裝、建成、調(diào)試成功，是世界上不多見(jiàn)的。說(shuō)明主裝置加速器是成功的。 ”
一個(gè)個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)被打通，醫(yī)用重離子加速器項(xiàng)目步入發(fā)展快車道——2018年7月，國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器取得輻射安全許可證；2018年11月，開(kāi)始臨床試驗(yàn)；2019年5月，完成臨床試驗(yàn)……2020年3月26日，武威重離子中心正式開(kāi)始臨床治療，標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)、德國(guó)、日本后，第四個(gè)擁有自主研發(fā)重離子治療系統(tǒng)和臨床應(yīng)用能力的國(guó)家。
近日，在走訪武威重離子中心時(shí)，記者看到了首臺(tái)國(guó)產(chǎn)醫(yī)用重離子加速器裝置模型。它由電子回旋共振離子源、回旋加速器、同步加速器以及4個(gè)不同角度的治療終端組成：電子回旋共振離子源負(fù)責(zé)讓離子材料甲烷蛻化為碳離子；同步加速器是整個(gè)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(shí)，裝置各部件之間緊密配合，精準(zhǔn)“爆破”腫瘤細(xì)胞。
在武威腫瘤醫(yī)院副院長(zhǎng)張雁山的指引下，記者在中央控制室控制臺(tái)前通過(guò)監(jiān)控大屏，看到了整臺(tái)裝置各部件運(yùn)行的畫(huà)面。
“該裝置95%以上的零部件設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，與進(jìn)口設(shè)備相比，建設(shè)成本只有其1/3至1/2，重量和體積更小，穩(wěn)定性更高，維護(hù)費(fèi)用更低�！睆堁闵礁嬖V記者。
與此同時(shí)，不少癌癥患者因?yàn)檫@一醫(yī)療裝置增加了治愈的希望。張雁山介紹，當(dāng)前，腫瘤患者進(jìn)行重離子治療，每個(gè)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(guó)內(nèi)外超過(guò)1200例癌癥患者的治療，臨床適應(yīng)癥涵蓋中樞神經(jīng)系統(tǒng)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(dāng)然，重離子治癌也不是萬(wàn)能的�！睆堁闵浇榻B了幾種不適合重離子治療的情況，如白血病等血液系統(tǒng)癌癥、已經(jīng)發(fā)生全身轉(zhuǎn)移的癌癥患者、空腔臟器腫瘤評(píng)估后穿孔幾率大者、臨床醫(yī)生判斷不適合重離子治療者、小于14周歲兒童患者。
此外，重離子治癌項(xiàng)目整體投資高昂，維保成本高。目前，國(guó)內(nèi)外僅有14個(gè)重離子中心公開(kāi)運(yùn)行，部分患者在接受治療時(shí)會(huì)擔(dān)心費(fèi)用負(fù)擔(dān)問(wèn)題。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，日本在質(zhì)子線粒子治療進(jìn)入醫(yī)保之前的治療價(jià)格，維持在20萬(wàn)元左右。美國(guó)則需要花費(fèi)60萬(wàn)元以上。歐洲的價(jià)格處于美國(guó)和日本之間。國(guó)內(nèi)以復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院質(zhì)子重離子中心的平均治療價(jià)格為例，維持在27.8萬(wàn)元。
對(duì)此，多方正在找尋解決方案。當(dāng)前，已有商業(yè)保險(xiǎn)和城市惠民保將質(zhì)子重離子治療納入保障范圍；在近些年的地方和全國(guó)兩會(huì)上，多位代表委員建議分步將重離子治療納入醫(yī)保。
科研人員立足專業(yè)領(lǐng)域，從未停止前行的腳步，新一代重離子治療裝置示范項(xiàng)目正在如火如荼開(kāi)展中。
近代物理所黨委書(shū)記、副所長(zhǎng)胡正國(guó)介紹，新一代裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)，單次治療時(shí)間有望縮短到1分鐘以下，年治療能力可從每臺(tái)裝置每年治療1000-1500名患者，提高至2000-5000名患者。
隨著技術(shù)進(jìn)步和普及，重離子治癌整體價(jià)格有望降低。胡正國(guó)說(shuō)：“打破國(guó)外的專利限制、價(jià)格壟斷，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，這不是我們的目標(biāo)。我們的目標(biāo)是研發(fā)國(guó)際一流和普通民眾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技發(fā)展、新質(zhì)生產(chǎn)力帶來(lái)的健康福祉�！�
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王豪