首台国产医用重离子加速器诞生记
王豪
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。
目前，手术治疗、化学治疗、生物治疗和放射治疗是公众普遍知晓的癌症治疗方式。医用重离子加速器是采用哪种方式治疗癌症的？它的治疗原理和优势是什么？背后的关键技术研发和产业化应用又经历过哪些艰辛和不易？带着这些疑问，中青报·中青网记者近日走进国产医用重离子加速器的“娘家”——中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”）。
设想
最先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”。在近代物理所，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。
彼时，国际上对于“重离子治癌”已有相关研究。利用磁场和电场的组合体，重离子加速器将飞驰的离子“炮弹”聚成又细又密的一束，加强火力；与此同时，它又像个“交警”，指挥“炮弹”拐弯，把能量不符合要求的离子“炮弹”飞离出去。
科学家们将离子束应用于不同领域。把它引向癌细胞，它就是对抗癌症的“利器”。
然而，在20世纪90年代，要推动“重离子治癌”从设想变为现实，并不是一件容易的事。它需要扎实的研究基础——核物理及其交叉学科的研究；还需要先进的工具——能够产生巨大能量离子束流的大型加速器装置。
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。”
此前，美国已将“氖离子束”应用于临床探索；日本则筹建起世界上首台医用重离子设备HIMAC；德国也拥有重离子束治癌装置HITAG。在掌握核心技术的同时，这些国家也进行了相关知识产权的布局。
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。
“像一场精准的导弹打击，既要确保能量深入肿瘤，又要避免伤害健康组织。”杨建成说。
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。
高标准的工艺质量，同样是科技成果转化中不可或缺的一环。兰州科近泰基新技术有限责任公司主要负责近代物理所医用重离子加速器的生产环节。该公司副总经理杨文杰告诉记者，生产要遵循诸多医疗器械的生产标准，“大到电气安全、电磁兼容、束流性能、软件网络，小到强电模块和弱电模块的隔离标准、如何布地线、电线的颜色，甚至螺丝拧几圈都有严格规定。标准达不到，我们就一次次修正，直到达标为止。”
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，起初，团队在北京、上海、广州寻找有意向建设医用重离子加速器的单位，但由于种种原因，最终都没能达成合作。
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，使注入增益高达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。
“最终实验证明了我们前期设想的正确性。”杨建成说，这也成了他人生中难忘而宝贵的6个月。他深深意识到，科研不仅需要思路、想法和灵感，也需要韧性、恒心和决心。
“对于复杂的重大科学工程，你永远不知道下一个‘恶魔’是啥？”他说。
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，在走访武威重离子中心时，记者看到了首台国产医用重离子加速器装置模型。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。
在武威肿瘤医院副院长张雁山的指引下，记者在中央控制室控制台前通过监控大屏，看到了整台装置各部件运行的画面。
“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。”张雁山告诉记者。
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。
“当然，重离子治癌也不是万能的。”张雁山介绍了几种不适合重离子治疗的情况，如白血病等血液系统癌症、已经发生全身转移的癌症患者、空腔脏器肿瘤评估后穿孔几率大者、临床医生判断不适合重离子治疗者、小于14周岁儿童患者。
此外，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。有关统计数据显示，日本在质子线粒子治疗进入医保之前的治疗价格，维持在20万元左右。美国则需要花费60万元以上。欧洲的价格处于美国和日本之间。国内以复旦大学附属肿瘤医院质子重离子中心的平均治疗价格为例，维持在27.8万元。
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。
近代物理所党委书记、副所长胡正国介绍，新一代装置创新设计，单次治疗时间有望缩短到1分钟以下，年治疗能力可从每台装置每年治疗1000-1500名患者，提高至2000-5000名患者。
随着技术进步和普及，重离子治癌整体价格有望降低。胡正国说：“打破国外的专利限制、价格垄断，实现国产化，这不是我们的目标。我们的目标是研发国际一流和普通民众都能享受的真正普惠型离子治疗装置，让更多患者享受到高科技发展、新质生产力带来的健康福祉。”