离子加速器

甘肃武威重离子中心治疗室，医生正用仪器给一名肿瘤患者进行碳离子放疗… … 这套治疗系统就是我国首台具备自主知识产权的重离子治疗肿瘤专用装置（即医用重离子加速器/碳离子治疗系统）。它由中科院近代物理研究所及其产业化公司研制和运行维护，由武威肿瘤医院负责临床运营。　　这一装置的成功应用，标志着我国成为全球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，实现我国在大型医疗设备研制方面的历史性突破，我国高端医疗器械装备国产化迈出了新的步伐。甘肃武威碳离子治疗装置。中国科学院近代物理研究所供图　　医用重离子加速器建立在我国科研人员对重离子物理研究的突破性认识上　　甘肃武威重离子中心的这套装置，核心是医用重离子加速器。它脱胎于中科院近代物理所建造的重大科学装置兰州重离子加速器，建立在我国科研人员对重离子物理研究的突破性认识上。　　截至目前，人类已知的、归入元素周期表的元素共有118种，大多数都有同位素。例如氢的同位素有氕氘氚，碳的同位素有碳12、碳13和碳14等。科研人员了解和利用这些元素、同位素，为工业、农业和医学等领域服务。　　射线能够以波或者粒子的形式穿过空间或物质释放能量，人类在医学上运用放射性元素和同位素消灭肿瘤的历史已有许多年。包括伽马射线和X射线的光子放疗、质子束的质子放疗，还有碳离子束的重离子放疗。　　其中，重离子放疗具备明显优势。中国工程院院士、中科院近代物理所副所长夏佳文介绍，光子射线穿透人体健康组织时能量损耗较大，到达肿瘤时剂量变弱了。碳离子更像一枚精准制导的武器，能直抵病灶，集中释放能量，消杀癌细胞。其次，碳离子束对肿瘤DNA实施双链断裂的概率更高，相比其他放疗的单链断裂，更能防止癌细胞的残留和复发。令人振奋的是，碳离子放疗对健康人体组织产生破坏极小，不仅可以精准攻击并消灭肿瘤，而且治疗中无痛、副作用小，避免“杀敌一千，自损八百”的现象。正因如此，碳离子放疗是目前国际上公认的先进放疗手段。　　我国在重离子领域的技术积累长达60余年。从“一五”期间中科院近代物理所建设1.5米回旋加速器为核物理研究夯实基础，到1988年建成我国第一台大型重离子研究装置兰州重离子加速器，再到“九五”期间研制出兰州重离子加速器冷却储存环，依托历代大科学工程和大科学装置，我国重离子研究呈现良好的发展局面。　　依托雄厚的基础研究支撑和原创成果积累，1993年起，科研人员将目光投向重离子治疗癌症。2020年3月，我国首台具备自主知识产权的碳离子治疗系统在武威投入临床应用。　　曾担任中科院近代物理所所长的中科院兰州分院院长肖国青自豪地说：“我们自主研发的这套‘回旋注入+同步主加速器’组合重离子医用装置，在主加速器的磁聚焦结构和注入方式上，实现了国产重离子治疗设备零的突破，走出一条从基础研究、技术研发、产品示范到产业化应用的全产业链自主创新之路。”　　将重离子基础研究成果转化成现实应用，凝结了科研和工程技术人员近30年的心血汗水　　将重离子基础研究成果转化成现实应用，把科研装置变成医疗器械，听起来只有一步之遥，做起来却隔着万水千山，凝结了我国科研和工程技术人员近30年的心血和汗水。　　跨越性成就的背后，是整个医用重离子加速器团队攻克了三大难题。　　从“大”变“小”。每座大科学装置都融合了最顶尖的技术和最复杂的工艺，重离子加速器也不例外——外观体积巨大，内部精细无比。想把一个庞然大物放进医院，不是单纯意义上建造一个“缩小版”，而是需要在理论设计上有所突破，通过技术创新使得加速器周长更短、结构更紧凑。　　从“粗”到“细”。要把一张理论图纸变成加工图纸，挑战很大。由于科研和医疗的试验要求各有侧重，想做出一台真正的医疗器械，就要重新调整工艺细节，这对设备的加工制造提出了很高要求。例如，重离子束“打”在肿瘤上，要求束斑中心位置稳定性误差极小，相关工艺必须更细更精密。再比如，用重离子帮助患者治病，必须保证仪器运转的稳定与可靠。　　从“专”到“全”。我国把医疗器械的安全性放在首位，相应对医疗器械的资格审批、规范制定、追溯流程都十分严格。此前，医用重离子加速器在国内尚未有统一产品标准和检测方案。为了确保万无一失，国家对中科院近代物理所等单位研制的第一台医用重离子加速器审核，可谓是“严上加严”。　　为了克服道道难关，中科院近代物理所的科研人员、产业化公司的技术人员、当地的医生们团结协作，边学边改，边检边调，开始了艰苦的工程化过程。中科院近代物理所产业化企业、国科离子医疗科技有限公司董事长马力祯回忆：“2018年，为了给相关审批部门提供严谨的检测报告，光准备的资料就堆满了房间，甚至用小车才拉得动。如果达不到医用标准，这台重离子加速器就是一堆废铁。”　　从无到有，一步步走向产业化，团队不是闭门造车，而是注重市场牵引，要做满足医患需求的医疗器械。　　马力祯介绍，他们曾经认为患者接受治疗，只需按照传统方式躺在病床上就可以。后来调研发现，用机械臂把患者抬起来，与加速器默契配合，能更方便地让射线照射患者身体。团队立刻整改细节，在第二代设备中加装了操作更灵活的机械臂。　　功夫不负有心人。2019年下半年，整套碳离子治疗系统获得注册许可，我国终于有了自己的医用重离子加速器。　　肖国青说，这台自主研发的医用重离子加速器，无论性能指标还是临床反馈，都不逊色于进口设备。尤其是国产重离子治疗装置成本只有发达国家的1/3至1/2，在价格上具备明显优势。同时，国产重离子治疗装置同步加速器的周长只有56.2米，是目前世界上所有医用重离子加速器中周长最短的同步加速器系统，有利于医院减少投入。依托国内完善的加工制造业体系，整套医疗器械的维修成本也大大降低，并且维修时效很快。　　推动国产重离子治疗装置在全国落地，让这一大型医用设备为更多患者服务　　武威重离子中心碳离子治疗系统包括中央控制室、物理计划室、中控大厅、配电室及电源间，配备4个治疗室。　　“根据患者病种的不同，重离子治疗的时间和次数也不同。从目前完成治疗患者的临床随访结果来看，疗效显著，患者的病情得到有效控制。”武威肿瘤医院院长叶延程介绍，截至目前，中心共治疗患者375例（包括临床试验患者），治疗病种涵盖中枢神经系统肿瘤、头颈部和颅底肿瘤、胸腹部肿瘤、盆腔肿瘤等。　　人类与癌症的斗争已经持续了数千年，即使是最微小的进步背后都有科学技术的加持。“作为科研人员，我们期望能在科学原理上取得更多突破，掌握更多重离子的机理奥秘，加快技术研发，争取为更有效的治癌手段提供科技支撑。”夏佳文表示。　　下一步，国科离子医疗科技有限公司将推动国产重离子治疗装置在全国落地。马力祯说，除了已投入运营的武威重离子中心和将要开展临床试验的兰州重离子治疗装置，正在建设的还有其他城市的4台装置，另有多地也签订了合作协议。“建造布局将充分考虑人口和地理因素，将装置放在国家区域医疗中心，提升重离子治疗服务的可及性。”　　肖国青说，未来将继续研制更加小型的治疗装置，降低占地面积、治疗费用，借助人工智能、5G技术等手段升级改造设备，提升智能化水平。还将大力培养重离子治疗的人才队伍，精心培训更多一线放疗医生和放射物理师，让医用重离子加速器为更多患者服务。

p /p p style=" text-align: center" & nbsp & nbsp & nbsp img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201608/insimg/7ac10c22-0aec-4a39-b6ee-7552784002c5.jpg" title=" 1.jpg" / /p p & nbsp & nbsp & nbsp “束流是强大的工具，如果科研工作者是匠人，兰州重离子加速器提供的束流就是我们的‘金刚钻’。”中科院近代物理研究所研究员张玉虎说。 br/ /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 利用这个“金刚钻”，科学家们研发出重离子治癌装置、精确称重原子核、合成新核素、培育更优品种的农作物。近日，《中国科学报》记者走进大科学装置——兰州重离子加速器，体验它的运行状态，剖析它为科学研究重器作出的贡献。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 庞然大物藏在半地下 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 兰州重离子加速器体积庞大，放在半地下的隧道中。走进加速器冷却储存环主环大厅，仿佛走进了一个彩色的磁铁世界，黄色的四极磁铁用于控制束流粗细，蓝色的二级磁铁用于改变束流的运动方向，红色的校正磁铁用于校正束流的局部轨道。肉眼看不见、摸不着的重离子束就在这些彩色磁铁中的橙色超高真空管道中“奔跑”。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp “冷却储存环周长161米，离子束1秒钟在环中可以跑100万圈。”近代物理所加速器总体室研究员冒立军介绍说。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 简单地说，重离子加速器像是由许多磁铁块堆积连接起来的庞然大物，包含了磁铁、高频、真空、电源、控制等多学科的设备，离子在真空环境中被磁场控制运动方向、电场加速，并通过引出系统，将加速了的离子束输送到实验物理学家需要的地方。这个庞大的“铁家伙”重1500吨，但安装与设计精度却是0.1毫米。如果这些“铁家伙”安装不精细，高速运行的重离子束就不稳定。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 近代物理研究所于上世纪60年代开始建设1.7米扇聚焦回旋加速器(SFC)，2008年建成冷却储存环(CSR)。经过50多年的发展与积累，如今，兰州重离子加速器已成为我国能量最高、规模最大的重离子研究装置。目前，加速器每年运行7000小时，其中5000小时为用户提供束流。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 顺着冷却环继续向前走，管道在一堵铅块垒成的墙面消失，冒立军介绍说，这背后是深层治癌终端，束流从这里输送过去。除此之外，重离子加速器还有三个输送终端，分别是材料和强子物理、用于测量原子核质量等原子物理的实验物理中心、用于核子物理的外靶实验中心。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 科学家远控给束流看病 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 冷却储存环里“奔跑”的重离子束从哪里产生？加速器运行负责人杨维青带记者来到主磁铁所在的主加速器大厅。这里平时大门紧闭，在无束流且确认安全的前提下需要刷卡才能使门向左平行移动打开。同时，门口墙上悬挂的大显示屏为即时辐射区剂量监测，数据显示为绿色，说明此时该区域的辐射几乎为零。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 进入大厅，迎面是一道金属活动墙，这是一道防护水门，墙里充满了水。经过一个90度的直角转弯，由4扇巨大的蓝色磁铁构成的庞然大物出现在记者眼前。这就是分离扇回旋加速器，简称主加速器，它们每扇重500吨，从底部到顶部有近30个台阶。杨维青介绍，束流由离子源产生，经过扇聚焦回旋加速器（简称注入器）进行加速，可以进行科学实验，也可以输送到主加速器或者冷却储存环进行再加速，将束流输送到各个实验终端进行科学实验。机器运行时，工作人员不能进入辐射区域，采用远控的方式控制加速器运行，这些工作都在中央控制室完成。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 从主加速器大厅出来，记者进入中央控制室，这里是一个大平台，30多台电脑好似加速器的眼睛，集中反映加速器的运行状态、运行参数、设备监测、设备控制、束流种类及强度、安全联锁等诸多内容。而重离子加速器的工作人员好似“驾驶员”和“医生”，时刻注视着加速器的运行状况。比如前几年进行重离子治癌临床试验时，他们要操控加速器，为其提供六种能量的束流，流强要足够大、保持束流光斑和病灶的大小一致、均匀度达90%以上。杨维青对记者说，每次开始治疗病人，他和同事们精神高度紧张，眼睛一刻不离电脑屏幕，保证束流稳定可靠。 /p p 中央控制室的墙边，悬挂着一张边角发黄，背面横七竖八粘满胶带的加速器总体结构图。杨维青说，科学实验需要什么离子，我们就加速什么离子。但每种离子都有自己的特性，加速过程常遇到意想不到的问题。由于加速器是由成百上千的设备组成，束流在真空中看不见也摸不着，每当遇到问题，工程师们就会集中于此，讨论问题出在哪里，因此，这张图被翻过无数次。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 研究成果具有国际竞争力 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp “束流是强大的工具，如果科研工作者是匠人，兰州重离子加速器提供的束流就是我们的‘金刚钻’。据此，我们有了可以拿到国际舞台的研究成果，很自豪。”近代物理所精细核谱学研究组组长张玉虎研究员说。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 2015年2月，兰州重离子加速器为超重终端提供氩离子束流，连续240小时保持稳定，最终合成了两种新核素——铀-215和铀-216。回忆那“打仗”一般忙碌的10天，近代物理所原子核结构研究组组长周小红研究员说，束流好似炮弹，一秒钟可以打出100万个不稳定的原子核，科研人员用束流轰击靶，使其与靶中的原子核碰撞，发生核反应，产生新的原子核。但是，能打出想要的极短寿命原子核的概率很低。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp “运气好的话，一天能打出一个新原子核。”周小红说。接下来，科研人员需要从1000亿个原子核中找出一个有用的，相当于在银河系中找到一个星体，在腾格里沙漠里找到一根针。为此，科研人员建立了单个原子核灵敏的实验鉴别技术，首创了“质子—伽马”符合鉴别核素方法。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 制造出新的原子核并精确测量它们的质量是各国科学家的不懈追求和梦想。然而，不稳定原子核的质量很难称量，因为他们的重量很轻，寿命也相当短。以钴-51为例，2万亿个钴-51比一粒小米还轻，寿命只有100毫秒。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp “这相当于在一架满载乘客的飞机上，称重一个乘客呼吸产生的重量。”张玉虎说。从2009年开始，研究小组利用兰州重离子加速器冷却储存环制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪。通过实验获取海量数据，再经过一年的数据处理和分析，得到了稀有核素的质量。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 张玉虎说，近代物理所历时60年，三代科研人员，使用了三代加速器提供的实验条件，发现了27种新核素，首次测量出20个原子核的质量。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 可应用于多个领域 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 重离子加速器提供的束流可以进行核物理基础研究，也可以为材料、生物科学等其他学科所用，还可以直接应用，比如治疗癌症，对农作物、经济作物的诱变育种。 /p p 中科院近代物理所产业处处长蔡晓红介绍，重离子束穿越物质时，其动能主要损失在射程的末端，会呈现急剧增强的Bragg峰，使得这一局部细胞的DNA产生双断裂的几率非常高，可有效杀死乏氧肿瘤细胞。治疗时通过调节重离子能量和扫描角度，使Bragg峰的位置准确落在病灶上，精度达毫米量级，以保证对肿瘤杀伤作用最大，而对健康组织损伤小。与常规放疗射线相比，重离子束具有对健康组织损伤最小、对癌细胞杀伤效果最佳、可在线监控照射位置及剂量等优势，被誉为当代最理想的放疗用射线。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 目前，利用重离子束辐照诱变生物具有突变率高、变异谱宽、稳定周期相对较短的特点。在农作物及微生物育种的研究中得到了广泛应用，开辟了新的交叉学科领域。 /p p 近代物理所承建的三代国家重大科学工程项目完成了数批航天元器件单粒子效应考核检测，重离子装置成为航天器件地面安全评估的重要基地，为我国的卫星和星载设备的安全运行提供了保障；研制了一批特殊的功能材料和纳米材料；成功治疗了213例浅层和深层肿瘤患者，疗效非常显著，使我国成为世界上第四个实现重离子临床治疗的国家；用重离子辐照诱变技术培育的春小麦、甜高粱、当归、党参、黄芪、棉花等的优良新品种和阿维菌素、黑曲霉等微生物菌种已经获得不同程度的推广；研发了多个系列多个型号的电子仪器和传感器设备；自主研发的工业电子辐照加速器、电线电缆辐照处理技术、精密筛分膜技术、食品真空冻干技术、环保用高压静电除尘技术和原油多项分析技术等已经产业化，成为相关企业的支撑技术。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 后记 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp 在中科院兰州分院的大院子里，近代物理所显得特别高冷。为了保证安全，兰州重离子加速器被单独隔开。每每经过，无论白天夜晚、工作日还是节假日，里面机器嗡鸣的声音呼之欲出。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 与中科院近代物理研究所接触近5年，多次采访，能感受到他们的工作压力极大。科学实验难免失败，但在重离子加速器上的每一次失败都要消耗大量的财力。曾有研究员私下告诉我，“国家投入这么多钱，老百姓都看着呢，我们心理压力大啊！”在这里，没有朝九晚五，24小时轮班工作，机器不停人不断。我曾眼睁睁看着一位研究员的头发在几年间从乌黑变得花白，而他的孩子才上幼儿园。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 杨维青来自甘肃农村。在乡亲们眼中，在省城兰州、在中科院近代物理研究所上班是一份高大上的工作。可是，每当街坊邻居问起，“你是干什么工作的？”他总是笑而不答。因为，跟朴实的乡亲们说不清楚，重离子加速器是干什么的，重离子束又是干什么的。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp 现在不一样了，重离子治癌，在甘肃乃至全国家喻户晓，乡亲们终于知道，科学可以为老百姓解决关系身家性命的大事。 /p

医用重离子加速器示范装置正在开展行业主管部门的测试工作　　日前，兰州重离子加速器国家实验室武威示范基地和甘肃省胃肠病重点实验室在甘肃重离子医院揭牌。　　2015年12月，兰州重离子加速器国家实验室重要科研成果、国内首台具有完全自主知识产权的大型医疗器械——医用重离子加速器示范装置在武威重离子治疗肿瘤中心成功建成出束。现正在开展行业主管部门的测试工作，为医用重离子加速器产业化奠定了良好基础。兰州重离子加速器国家实验室武威示范基地的建设，将加快国家实验室和研究所相关科研成果的转化与推广，促进先进精准治疗技术的发展，推进武威科技创新、产业升级进程。而随着武威重离子治疗肿瘤中心即将投用，国家科技惠民计划及武威市恶性肿瘤防控工程的实施，武威市人民医院的建成投用，市区医疗机构整合重组以及全民健康档案的建立，使武威市建立起一套比较完整的肿瘤防控体系，建成了“政府组织、医疗机构实施、群众参与”的三位一体肿瘤防控模式，建立了标准的生物样本数据库，形成了胃癌防控的“武威模式”。　　甘肃省胃肠病重点实验室是兰州大学第一医院依托国家临床重点专科消化科，由省科技厅批准成立的兰州大学第一医院第一个省级重点实验室，重点研究领域是胃癌和食管癌。兰州大学第一医院将依托“甘肃省胃肠病重点实验室”和其他研究平台，致力于研究探索发现恶性肿瘤的成因、发病机制及预防和治疗，产生高质量的研究成果，进一步提升防控水平。　　兰州重离子加速器国家实验室武威示范基地和甘肃省胃肠病重点实验室落户武威，补齐了医学研究的短板，必将促进和提升对肿瘤及相关疾病的研究水平，提升武威肿瘤防控能力和整体医疗水平。