首台国产医用重离子加速器诞生记
□王 豪
字数：2911
2024-09-18
版名：文化
舌根处长了“拇指”大小的肿块，说话“呜噜呜噜”，吞咽困难，晚上还疼得睡不着觉，身体出现异样后，家住宁夏回族自治区的张明（化名）走过一条漫长的求医路。
“确诊舌根癌后，不少医生建议我进行切除手术，舌头、咽喉等器官都要摘掉。”在张明看来，这相当于给自己宣判了死刑，“没有吞咽功能、没有语言功能、没有味觉，活着没有意义了”。
“我想要保障后半辈子的生命质量。”今年3月，张明在朋友的推荐下，来到了甘肃省武威肿瘤医院重离子中心（以下简称“武威重离子中心”）接受治疗。“我就是奔着科学来的。”他说。
张明口中的“科学”指的是装配在武威重离子中心的我国首台自主知识产权的医用重离子加速器。所谓重离子，是指质量数大于4（即原子序数大于2）的原子失去部分或全部电子后形成的带电粒子。重离子加速器就是能产生重离子并利用重离子开展实验的装置。
设 想
走进中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”），映入眼帘的是一行题词：“加速器加速科学进步，重离子重在造福人民”。在这里，重离子加速器是核物理基础研究的核心设备。每一代重离子加速器的设计和建造，实际上与癌症治疗并没有直接关系。
近代物理所原副所长靳根明回忆，1973年，所里正式提出自力更生设计建造大型重离子加速器的设想。在得到原国家计划委员会的正式批准后，该所与全国100多家企事业单位合作，于1988年底，将我国第一台大型重离子研究装置“兰州重离子加速器”联调成功。
“它的面世，不仅为我国开展重离子物理基础研究和应用研究提供了前所未有的良好条件，也标志着我国回旋加速器技术当时进入国际先进行列。”靳根明说。
5年后，在1993年甘肃天水举行的一场学术会议上，近代物理所原重离子束应用二室主任卫增泉阐述了关于开展重离子治癌研究的科研想法。
这个提议，拉开了国产重离子加速器技术进行医用转换的帷幕。
实 验
近代物理所在重离子加速器领域的技术积累长达数十年，且已拥有“兰州重离子加速器”这一大科学装置，将其缩小，是否就能得到治癌的医疗“利器”？
很快，科学家们认识到，开展科研的大科学装置与医用重离子加速器（高端医疗器械）存在很大差异，并不仅仅是缩小那么简单。
“医用重离子加速器的设计除需要考虑可靠性、安全性之外，还要考虑它的造价、成本、可推广性。”近代物理所副所长杨建成说，“它要非常紧凑，同时能为更多病人提供治疗终端，节省整个治疗费用。”
设计过程中，杨建成和团队成员与时间赛跑，每天只休息不到5个小时。经过数月攻关，他们拿出了一套自主设计的方案。
以医用重离子加速器使用二极磁铁的数量为例，日本设备使用了18块二极磁铁；德国有6块、12块两种方案。杨建成团队则下了很大功夫，反复试验，最终决定使用8块二极磁铁的架构。该装置同步加速器部分的周长缩短至56米，有别于德国的75米、日本的62米，是目前世界上最小的重离子治疗专用装置。
设计有了雏形，科研人员又着力于解决离子束的能量问题——要求在不同深度、不同形状的肿瘤区域内，获得均匀稳定的束流照。这就要对束流强度、稳定性等进行控制。
为此，近代物理所多个科研团队通力配合，进行反复实验，在2008年，设计建造出我国第一台规模最大、能量最高、加速粒子种类最多的重离子同步加速器冷却储存环系统，解决了高能离子束“哪里来”的问题。团队又进行了多次束流性能测试和细胞辐照试验，对医用重离子加速器装置所有标称能量的深度剂量分布等进行了测试。
合 力
从大科学装置到高端医疗器械，不仅要将物理、核物理、信息、电子、医学、图像处理等学科融会贯通，在科研上不断突破，还要“从0到1”，推动国家相关标准和规范的建设。
此前，我国并没有同等体量的医疗器械报批，因此，国产医用重离子加速器从样机调试、设备检测到临床试验和审批注册，每项工作都要在摸索中艰难前进。
“所有检测项目加起来，超过5000个。”杨建成说。
大型医疗设备的落地，除了要获得药监部门的医疗器械注册证外，还需要医院获得配置许可。“这就要考量合作单位的证照资质、资金土地、人才储备、安全环保等。”杨建成介绍。
在与多家医院失之交臂后，作为团队发源地的甘肃递来了橄榄枝。2012年，近代物理所科研团队开始在甘肃省武威市建设首台医用重离子加速器示范装置。重离子治癌技术研发从基础研究向民生应用，迈出实质性的一步。
“当时，只有一座大楼孤零零地矗立在荒漠之中。”作为主加速器同步环总负责人，杨建成到达武威项目地的第一天，就思考起“团队稳定性”的问题。
“这里地处郊区，交通不便，工作任务又十分繁重，大伙儿经常到凌晨两三点，才能忙完当天的工作，赶不及回市区，就睡在泡沫板上。”让他意外的是，在为时两年半的安装调试期内，却鲜有工作人员喊苦喊累。
科研人员虽精神可嘉，但在项目现场，各类问题还是层出不穷。
杨建成举例，团队首次提出偏心剥离注入方案，使注入增益提高350倍，为国际同类装置最高，按预期，实验终端流强为2×10^9；当时团队却测出2×10^8的误差数据。
束流强度关乎治疗效率，突如其来的插曲，让科研团队200多人陷入长达6个月的煎熬。大家加班加点，检校装置的每个零件，从头验证每个步骤。这让杨建成深深意识到，科研不仅需要思路、想法和灵感，也需要韧性、恒心和决心。
落 地
2015年12月，首台国产医用重离子加速器在武威成功出束。现场，加速器物理学家、中国工程院院士、中国科学院高能物理所研究员陈森玉给出评价：“两年时间里把它安装、建成、调试成功，是世界上不多见的。说明主装置加速器是成功的。”
一个个关键环节被打通，医用重离子加速器项目步入发展快车道——2018年7月，国产医用重离子加速器取得辐射安全许可证；2018年11月，开始临床试验；2019年5月，完成临床试验……2020年3月26日，武威重离子中心正式开始临床治疗，标志着我国成为继美国、德国、日本后，第四个拥有自主研发重离子治疗系统和临床应用能力的国家。
近日，首台国产医用重离子加速器装置模型问世。它由电子回旋共振离子源、回旋加速器、同步加速器以及4个不同角度的治疗终端组成：电子回旋共振离子源负责让离子材料甲烷蜕化为碳离子；同步加速器是整个装置最核心的部件，它可以把离子束加速到接近光速的70%继而形成离子束流。在患者接受治疗时，装置各部件之间紧密配合，精准“爆破”肿瘤细胞。
“该装置95%以上的零部件设备实现国产，与进口设备相比，建设成本只有其1/3至1/2，重量和体积更小，稳定性更高，维护费用更低。”武威肿瘤医院副院长张雁山说。
与此同时，不少癌症患者因为这一医疗装置增加了治愈的希望。张雁山介绍，当前，肿瘤患者进行重离子治疗，每个疗程大约需要10—16天，每次需要10—20分钟。截至目前，该装置已完成了国内外超过1200例癌症患者的治疗，临床适应症涵盖中枢神经系统肿瘤、头颈部肿瘤、胸腹部肿瘤、盆腔肿瘤、骨和软组织肿瘤等。
不过，重离子治癌项目整体投资高昂，维保成本高。目前，国内外仅有14个重离子中心公开运行，部分患者在接受治疗时会担心费用负担问题。对此，多方正在找寻解决方案。当前，已有商业保险和城市惠民保将质子重离子治疗纳入保障范围；在近些年的地方和全国两会上，多位代表委员建议分步将重离子治疗纳入医保。
科研人员立足专业领域，从未停止前行的脚步，新一代重离子治疗装置示范项目正在如火如荼开展中。
（据《中国青年报》，有删节）
“确诊舌根癌后，不少医生建议我进行切除手术，舌头、咽喉等器官都要摘掉。”在张明看来，这相当于给自己宣判了死刑，“没有吞咽功能、没有语言功能、没有味觉，活着没有意义了”。
“我想要保障后半辈子的生命质量。”今年3月，张明在朋友的推荐下，来到了甘肃省武威肿瘤医院重离子中心（以下简称“武威重离子中心”）接受治疗。“我就是奔着科学来的。”他说。
张明口中的“科学”指的是装配在武威重离子中心的我国首台自主知识产权的医用重离子加速器。所谓重离子，是指质量数大于4（即原子序数大于2）的原子失去部分或全部电子后形成的带电粒子。重离子加速器就是能产生重离子并利用重离子开展实验的装置。
设 想
走进中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”），映入眼帘的是一行题词：“加速器加速科学进步，重离子重在造福人民”。在这里，重离子加速器是核物理基础研究的核心设备。每一代重离子加速器的设计和建造，实际上与癌症治疗并没有直接关系。
近代物理所原副所长靳根明回忆，1973年，所里正式提出自力更生设计建造大型重离子加速器的设想。在得到原国家计划委员会的正式批准后，该所与全国100多家企事业单位合作，于1988年底，将我国第一台大型重离子研究装置“兰州重离子加速器”联调成功。
“它的面世，不仅为我国开展重离子物理基础研究和应用研究提供了前所未有的良好条件，也标志着我国回旋加速器技术当时进入国际先进行列。”靳根明说。
5年后，在1993年甘肃天水举行的一场学术会议上，近代物理所原重离子束应用二室主任卫增泉阐述了关于开展重离子治癌研究的科研想法。
这个提议，拉开了国产重离子加速器技术进行医用转换的帷幕。
实 验
近代物理所在重离子加速器领域的技术积累长达数十年，且已拥有“兰州重离子加速器”这一大科学装置，将其缩小，是否就能得到治癌的医疗“利器”？
很快，科学家们认识到，开展科研的大科学装置与医用重离子加速器（高端医疗器械）存在很大差异，并不仅仅是缩小那么简单。
“医用重离子加速器的设计除需要考虑可靠性、安全性之外，还要考虑它的造价、成本、可推广性。”近代物理所副所长杨建成说，“它要非常紧凑，同时能为更多病人提供治疗终端，节省整个治疗费用。”
设计过程中，杨建成和团队成员与时间赛跑，每天只休息不到5个小时。经过数月攻关，他们拿出了一套自主设计的方案。
以医用重离子加速器使用二极磁铁的数量为例，日本设备使用了18块二极磁铁；德国有6块、12块两种方案。杨建成团队则下了很大功夫，反复试验，最终决定使用8块二极磁铁的架构。该装置同步加速器部分的周长缩短至56米，有别于德国的75米、日本的62米，是目前世界上最小的重离子治疗专用装置。
设计有了雏形，科研人员又着力于解决离子束的能量问题——要求在不同深度、不同形状的肿瘤区域内，获得均匀稳定的束流照。这就要对束流强度、稳定性等进行控制。
为此，近代物理所多个科研团队通力配合，进行反复实验，在2008年，设计建造出我国第一台规模最大、能量最高、加速粒子种类最多的重离子同步加速器冷却储存环系统，解决了高能离子束“哪里来”的问题。团队又进行了多次束流性能测试和细胞辐照试验，对医用重离子加速器装置所有标称能量的深度剂量分布等进行了测试。
合 力
从大科学装置到高端医疗器械，不仅要将物理、核物理、信息、电子、医学、图像处理等学科融会贯通，在科研上不断突破，还要“从0到1”，推动国家相关标准和规范的建设。
此前，我国并没有同等体量的医疗器械报批，因此，国产医用重离子加速器从样机调试、设备检测到临床试验和审批注册，每项工作都要在摸索中艰难前进。
“所有检测项目加起来，超过5000个。”杨建成说。
大型医疗设备的落地，除了要获得药监部门的医疗器械注册证外，还需要医院获得配置许可。“这就要考量合作单位的证照资质、资金土地、人才储备、安全环保等。”杨建成介绍。
在与多家医院失之交臂后，作为团队发源地的甘肃递来了橄榄枝。2012年，近代物理所科研团队开始在甘肃省武威市建设首台医用重离子加速器示范装置。重离子治癌技术研发从基础研究向民生应用，迈出实质性的一步。
“当时，只有一座大楼孤零零地矗立在荒漠之中。”作为主加速器同步环总负责人，杨建成到达武威项目地的第一天，就思考起“团队稳定性”的问题。
“这里地处郊区，交通不便，工作任务又十分繁重，大伙儿经常到凌晨两三点，才能忙完当天的工作，赶不及回市区，就睡在泡沫板上。”让他意外的是，在为时两年半的安装调试期内，却鲜有工作人员喊苦喊累。
科研人员虽精神可嘉，但在项目现场，各类问题还是层出不穷。
杨建成举例，团队首次提出偏心剥离注入方案，使注入增益提高350倍，为国际同类装置最高，按预期，实验终端流强为2×10^9；当时团队却测出2×10^8的误差数据。
束流强度关乎治疗效率，突如其来的插曲，让科研团队200多人陷入长达6个月的煎熬。大家加班加点，检校装置的每个零件，从头验证每个步骤。这让杨建成深深意识到，科研不仅需要思路、想法和灵感，也需要韧性、恒心和决心。
落 地
2015年12月，首台国产医用重离子加速器在武威成功出束。现场，加速器物理学家、中国工程院院士、中国科学院高能物理所研究员陈森玉给出评价：“两年时间里把它安装、建成、调试成功，是世界上不多见的。说明主装置加速器是成功的。”
一个个关键环节被打通，医用重离子加速器项目步入发展快车道——2018年7月，国产医用重离子加速器取得辐射安全许可证；2018年11月，开始临床试验；2019年5月，完成临床试验……2020年3月26日，武威重离子中心正式开始临床治疗，标志着我国成为继美国、德国、日本后，第四个拥有自主研发重离子治疗系统和临床应用能力的国家。
近日，首台国产医用重离子加速器装置模型问世。它由电子回旋共振离子源、回旋加速器、同步加速器以及4个不同角度的治疗终端组成：电子回旋共振离子源负责让离子材料甲烷蜕化为碳离子；同步加速器是整个装置最核心的部件，它可以把离子束加速到接近光速的70%继而形成离子束流。在患者接受治疗时，装置各部件之间紧密配合，精准“爆破”肿瘤细胞。
“该装置95%以上的零部件设备实现国产，与进口设备相比，建设成本只有其1/3至1/2，重量和体积更小，稳定性更高，维护费用更低。”武威肿瘤医院副院长张雁山说。
与此同时，不少癌症患者因为这一医疗装置增加了治愈的希望。张雁山介绍，当前，肿瘤患者进行重离子治疗，每个疗程大约需要10—16天，每次需要10—20分钟。截至目前，该装置已完成了国内外超过1200例癌症患者的治疗，临床适应症涵盖中枢神经系统肿瘤、头颈部肿瘤、胸腹部肿瘤、盆腔肿瘤、骨和软组织肿瘤等。
不过，重离子治癌项目整体投资高昂，维保成本高。目前，国内外仅有14个重离子中心公开运行，部分患者在接受治疗时会担心费用负担问题。对此，多方正在找寻解决方案。当前，已有商业保险和城市惠民保将质子重离子治疗纳入保障范围；在近些年的地方和全国两会上，多位代表委员建议分步将重离子治疗纳入医保。
科研人员立足专业领域，从未停止前行的脚步，新一代重离子治疗装置示范项目正在如火如荼开展中。
（据《中国青年报》，有删节）
