2020年3月，我國首臺具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)醫用重離子加速器裝置——碳離子治療系統在甘肅武威重離子中心投入臨床應用。截至目前，碳離子治療系統已治療各類(lèi)腫瘤患者近1200例。

碳離子治療系統的核心——醫用重離子加速器，脫胎于中國科學(xué)院近代物理研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“近代物理所”）建造的大科學(xué)裝置——蘭州重離子研究裝置。從基礎研究走向臨床應用，由科研重器變身醫療器械，碳離子治療系統凝聚了科研人員30多年的心血，打破了大型高端放療市場(chǎng)被國外產(chǎn)品壟斷的局面。

把基礎研究成果應用于臨床治療

射線(xiàn)能夠以波或者粒子的形式穿過(guò)空間或物質(zhì)釋放能量。人類(lèi)運用放射性元素和同位素治療腫瘤的歷史已有100多年，包括伽馬射線(xiàn)和X射線(xiàn)的光子放療、質(zhì)子束的質(zhì)子放療和碳離子束的重離子放療。

重離子，是指原子序數大于2的原子失去部分或全部電子后形成的帶電粒子。重離子束擁有獨特的物理和生物學(xué)特性，被認為是理想的放療用射線(xiàn)。

“重離子射線(xiàn)具有獨特的深度劑量分布，在穿越生物組織的過(guò)程中，重離子束沉積的劑量較小，主要在其射程的末端形成一個(gè)劑量高峰，科學(xué)界稱(chēng)之為‘布拉格峰’。”近代物理所副所長(cháng)楊建成說(shuō)，“根據這個(gè)特點(diǎn)，我們可以通過(guò)調節重離子的能量，讓‘布拉格峰’剛好落在腫瘤的位置，在保護正常組織和關(guān)鍵器官的同時(shí)精準殺滅腫瘤細胞。”

近代物理所在重離子領(lǐng)域有著(zhù)60多年的技術(shù)積淀。依托雄厚的基礎研究支撐和原創(chuàng )成果積累，1993年起，近代物理所的科研人員將目光投向重離子治療癌癥，把基礎研究成果應用于臨床治療。

1995年6月，重離子治癌技術(shù)研究項目“核醫學(xué)和放射治療中先進(jìn)技術(shù)的基礎研究”獲得國家攀登計劃B資助。近代物理所開(kāi)始全面開(kāi)展放射生物學(xué)、醫學(xué)物理實(shí)驗研究以及動(dòng)物實(shí)驗。

如何根據腫瘤深度與大小精確匹配能量和束流？科研人員經(jīng)過(guò)攻關(guān)，創(chuàng )造出了人為控制重離子束能量和束流形狀的方法——立體劑量球。

哪種重離子治療效果最好？科研人員選擇動(dòng)物腫瘤細胞作為實(shí)驗對象，并在蘭州大學(xué)生物系的支持和配合下，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，最終選擇了碳離子……

在攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)、解決安全性問(wèn)題后，2006年3月1日，我國第一個(gè)淺層腫瘤重離子治療裝置通過(guò)專(zhuān)家組的鑒定驗收。

接下來(lái)，近代物理所的科研團隊與醫院緊密合作，開(kāi)展前期臨床試驗研究。

“當年11月，我們首次利用重離子治療技術(shù)對4例淺表腫瘤患者進(jìn)行了前期臨床試驗研究。”近代物理所生物醫學(xué)中心主任李強說(shuō)，之后又對27名不同類(lèi)型淺表腫瘤患者進(jìn)行了治療。

從2006年至2009年，科研團隊共進(jìn)行了103例淺表腫瘤臨床前期試驗研究。

2008年7月，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)通過(guò)國家驗收，解決了高能離子束“哪里來(lái)”的問(wèn)題。2009年，科研人員決定利用其提供的高能碳離子開(kāi)展深部腫瘤前期臨床試驗研究。此后4年里，共有110位深部腫瘤患者參與了前期臨床試驗。

經(jīng)過(guò)大量的細胞實(shí)驗、動(dòng)物實(shí)驗和前期臨床試驗，近代物理所科研團隊摸清了碳離子束流殺傷腫瘤細胞的基本原理，掌握了建設醫用重離子加速器的關(guān)鍵核心技術(shù)，為重離子治癌奠定了堅實(shí)的基礎。

造一臺真正的醫用重離子加速器

4月的武威重離子中心，湖光樓影，草青樹(shù)綠。12年前，這里還是一片戈壁。

在2011年舉辦的第十七屆中國蘭州投資貿易洽談會(huì )上，武威看中了近代物理所的醫用重離子加速器治療腫瘤的技術(shù)和設備。2012年5月2日，武威重離子中心開(kāi)工建設。

然而，作為我國首臺國產(chǎn)重離子治療裝置，研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化團隊遇到了一系列的難題。

要將體積龐大的醫用重離子加速器用于臨床治療，需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新，使其周長(cháng)更短、結構更緊湊。

為什么加速器周長(cháng)要做得更短？楊建成解釋道，醫用重離子加速器的設計，不僅要考慮安全性和可靠性，還要考慮成本和可推廣性。周長(cháng)越小建造成本越少，治療費用才會(huì )隨之降低，讓更多的癌癥患者用得起。

為此，楊建成和團隊成員每天只休息不到5個(gè)小時(shí)。經(jīng)過(guò)數月攻關(guān)，他們終于拿出了一套自主設計的方案。

“我們的方案采用回旋注入與同步主加速相結合，這種獨特設計不僅突破了國外同類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)壁壘，而且做出了周長(cháng)僅為56米的同步加速器。”楊建成說(shuō)，同一級別醫用加速器的周長(cháng)，歐洲是75米、日本為62米。

科研和醫療各有側重，要造出一臺真正的高可靠性醫用重離子加速器，除了通過(guò)創(chuàng )新技術(shù)實(shí)現高性能指標，還需要高標準的工藝質(zhì)量。

以磁場(chǎng)精度為例，離子在加速器中一秒跑幾百萬(wàn)圈，如果精度不符合要求，離子束跑幾百萬(wàn)圈之后將“脫靶”。

楊建成告訴記者，他們反復對部件進(jìn)行優(yōu)化調整，用了將近200天才達到標準精度，實(shí)現了“指哪打哪”。

同時(shí)，科研團隊和重離子中心的醫生團結協(xié)作，自創(chuàng )了“三級衰變涼水塔回用”技術(shù)，成功實(shí)現了放射性污水零排放，解決了次生沙漠地帶接地電阻嚴重超標等問(wèn)題。

歷時(shí)3年，武威醫用重離子加速器終于調試成功。

“該裝置95%以上的零部件設備實(shí)現國產(chǎn)，與進(jìn)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。”楊建成清楚地記得，那天是2015年11月17日，平時(shí)不喜歡拍照的他用鏡頭定格了這一時(shí)刻。

我國對醫療器械的資格審批、規范制定、追溯流程都十分嚴格。作為大型醫療設備，醫用重離子加速器須獲得國家藥品監督管理部門(mén)的醫療器械注冊證，才能正式投入臨床治療。此前，醫用重離子加速器在國內尚未有統一的產(chǎn)品標準和檢測方案。

“從樣機調試、設備檢測到臨床試驗和審批注冊，所有檢測項目加起來(lái)超過(guò)5000個(gè)，每一個(gè)都是摸著(zhù)石頭過(guò)河。”楊建成說(shuō)，“為確保萬(wàn)無(wú)一失，我們邀請相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)家，召開(kāi)了數十次討論會(huì )研究制定了碳離子治療的指導原則。”

2019年9月29日，我國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)醫用重離子加速器裝置——碳離子治療系統終于獲批第三類(lèi)醫療器械產(chǎn)品注冊，并于2020年3月26日投入臨床應用，由甘肅省武威腫瘤醫院負責臨床運營(yíng)。自此，我國成為全球第四個(gè)擁有自主研發(fā)重離子治療系統和臨床應用能力的國家。

多方協(xié)作助推碳離子治療系統產(chǎn)業(yè)化

武威重離子中心碳離子治療系統包括中央控制室、物理計劃室、中控大廳、配電室及電源間，配備4個(gè)治療室。

“根據患者病種的不同，重離子治療的時(shí)間和次數也不同。”甘肅省武威腫瘤醫院副院長(cháng)張雁山介紹，與進(jìn)口設備相比，國產(chǎn)重離子治療設備技術(shù)先進(jìn)、維護費用低、性?xún)r(jià)比高，還能提供持續的技術(shù)升級服務(wù)。

為了讓碳離子治療系統能為更多患者服務(wù)，2023年，近代物理所、蘭州大學(xué)、金川集團精密銅材有限公司等單位成立甘肅省離子放射治療技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)合體，合力攻關(guān)制約碳離子治療系統產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題。

“4N5”高純無(wú)氧銅板材，是國產(chǎn)醫用重離子加速器的關(guān)鍵材料，長(cháng)期依靠進(jìn)口。如何使其實(shí)現國產(chǎn)化，成為碳離子治療系統產(chǎn)業(yè)化首先要解決的難題。

“經(jīng)過(guò)努力攻關(guān)，我們完成了樣件試制，化學(xué)成分、力學(xué)性能、導電率均滿(mǎn)足要求。”金川集團精密銅材有限公司副總經(jīng)理王艷風(fēng)介紹，首批7噸高純無(wú)氧銅板材已于2023年10月實(shí)現應用。

“國產(chǎn)替代進(jìn)口，‘4N5’高純無(wú)氧銅板材的供貨周期從1年縮至4個(gè)多月，實(shí)現了醫用重離子加速器的建造材料百分之百?lài)a(chǎn)化，使用將更安全、運維費用將更低。”蘭州科近泰基新技術(shù)有限責任公司副總經(jīng)理楊文杰說(shuō)。

坐落于蘭州新區的蘭州科近泰基新技術(shù)有限責任公司，擁有醫用重離子加速器設計、生產(chǎn)、調試、運維資質(zhì)和能力。步入生產(chǎn)車(chē)間，幾名技術(shù)工人正在對一臺巨大的醫用重離子加速器做最后的模擬安裝。

“這是國內第六臺醫用重離子加速器，試裝完成后，將發(fā)往吉林長(cháng)春。”楊文杰介紹。

“未來(lái)的目標，是將醫用重離子加速器縮小到一個(gè)幾百平方米的房間內。”楊建成說(shuō)，當前的醫用重離子加速器仍重達千噸，占地面積超過(guò)4000平方米。正在加緊研發(fā)的2.0版醫用重離子加速器，占地面積只有1.0版的1/3，耗電量將減少到1.0版的1/4，讓醫院投入更少、患者負擔更輕。（人民日報記者 王錦濤）