甘肅武威碳離子治療裝置。中國科學院近代物理研究所供圖
甘肅武威重離子中心治療室，醫(yī)生正用儀器給一名腫瘤患者進行碳離子放療……這套治療系統(tǒng)就是我國首臺具備自主知識產(chǎn)權(quán)的重離子治療腫瘤專用裝置（即醫(yī)用重離子加速器/碳離子治療系統(tǒng)）。它由中科院近代物理研究所及其產(chǎn)業(yè)化公司研制和運行維護，由武威腫瘤醫(yī)院負責臨床運營。
這一裝置的成功應用，標志著我國成為全球第四個擁有自主研發(fā)重離子治療系統(tǒng)和臨床應用能力的國家，實現(xiàn)我國在大型醫(yī)療設備研制方面的歷史性突破，我國高端醫(yī)療器械裝備國產(chǎn)化邁出了新的步伐。
醫(yī)用重離子加速器建立在我國科研人員對重離子物理研究的突破性認識上
甘肅武威重離子中心的這套裝置，核心是醫(yī)用重離子加速器。它脫胎于中科院近代物理所建造的重大科學裝置蘭州重離子加速器，建立在我國科研人員對重離子物理研究的突破性認識上。
截至目前，人類已知的、歸入元素周期表的元素共有118種，大多數(shù)都有同位素。例如氫的同位素有氕氘氚，碳的同位素有碳12、碳13和碳14等。科研人員了解和利用這些元素、同位素，為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學等領域服務。
射線能夠以波或者粒子的形式穿過空間或物質(zhì)釋放能量，人類在醫(yī)學上運用放射性元素和同位素消滅腫瘤的歷史已有許多年。包括伽馬射線和X射線的光子放療、質(zhì)子束的質(zhì)子放療，還有碳離子束的重離子放療。
其中，重離子放療具備明顯優(yōu)勢。中國工程院院士、中科院近代物理所副所長夏佳文介紹，光子射線穿透人體健康組織時能量損耗較大，到達腫瘤時劑量變?nèi)趿恕Ｌ茧x子更像一枚精準制導的武器，能直抵病灶，集中釋放能量，消殺癌細胞。其次，碳離子束對腫瘤DNA實施雙鏈斷裂的概率更高，相比其他放療的單鏈斷裂，更能防止癌細胞的殘留和復發(fā)。令人振奮的是，碳離子放療對健康人體組織產(chǎn)生破壞極小，不僅可以精準攻擊并消滅腫瘤，而且治療中無痛、副作用小，避免“殺敵一千，自損八百”的現(xiàn)象。正因如此，碳離子放療是目前國際上公認的先進放療手段。
我國在重離子領域的技術(shù)積累長達60余年。從“一五”期間中科院近代物理所建設1.5米回旋加速器為核物理研究夯實基礎，到1988年建成我國第一臺大型重離子研究裝置蘭州重離子加速器，再到“九五”期間研制出蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)，依托歷代大科學工程和大科學裝置，我國重離子研究呈現(xiàn)良好的發(fā)展局面。
依托雄厚的基礎研究支撐和原創(chuàng)成果積累，1993年起，科研人員將目光投向重離子治療癌癥。2020年3月，我國首臺具備自主知識產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)在武威投入臨床應用。
曾擔任中科院近代物理所所長的中科院蘭州分院院長肖國青自豪地說：“我們自主研發(fā)的這套‘回旋注入+同步主加速器’組合重離子醫(yī)用裝置，在主加速器的磁聚焦結(jié)構(gòu)和注入方式上，實現(xiàn)了國產(chǎn)重離子治療設備零的突破，走出一條從基礎研究、技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品示范到產(chǎn)業(yè)化應用的全產(chǎn)業(yè)鏈自主創(chuàng)新之路。”
將重離子基礎研究成果轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實應用，凝結(jié)了科研和工程技術(shù)人員近30年的心血汗水
將重離子基礎研究成果轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實應用，把科研裝置變成醫(yī)療器械，聽起來只有一步之遙，做起來卻隔著萬水千山，凝結(jié)了我國科研和工程技術(shù)人員近30年的心血和汗水。
跨越性成就的背后，是整個醫(yī)用重離子加速器團隊攻克了三大難題。
從“大”變“小”。每座大科學裝置都融合了最頂尖的技術(shù)和最復雜的工藝，重離子加速器也不例外——外觀體積巨大，內(nèi)部精細無比。想把一個龐然大物放進醫(yī)院，不是單純意義上建造一個“縮小版”，而是需要在理論設計上有所突破，通過技術(shù)創(chuàng)新使得加速器周長更短、結(jié)構(gòu)更緊湊。
從“粗”到“細”。要把一張理論圖紙變成加工圖紙，挑戰(zhàn)很大。由于科研和醫(yī)療的試驗要求各有側(cè)重，想做出一臺真正的醫(yī)療器械，就要重新調(diào)整工藝細節(jié)，這對設備的加工制造提出了很高要求。例如，重離子束“打”在腫瘤上，要求束斑中心位置穩(wěn)定性誤差極小，相關(guān)工藝必須更細更精密。再比如，用重離子幫助患者治病，必須保證儀器運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定與可靠。
從“專”到“全”。我國把醫(yī)療器械的安全性放在首位，相應對醫(yī)療器械的資格審批、規(guī)范制定、追溯流程都十分嚴格。此前，醫(yī)用重離子加速器在國內(nèi)尚未有統(tǒng)一產(chǎn)品標準和檢測方案。為了確保萬無一失，國家對中科院近代物理所等單位研制的第一臺醫(yī)用重離子加速器審核，可謂是“嚴上加嚴”。
為了克服道道難關(guān)，中科院近代物理所的科研人員、產(chǎn)業(yè)化公司的技術(shù)人員、當?shù)氐尼t(yī)生們團結(jié)協(xié)作，邊學邊改，邊檢邊調(diào)，開始了艱苦的工程化過程。中科院近代物理所產(chǎn)業(yè)化企業(yè)、國科離子醫(yī)療科技有限公司董事長馬力禎回憶：“2018年，為了給相關(guān)審批部門提供嚴謹?shù)臋z測報告，光準備的資料就堆滿了房間，甚至用小車才拉得動。如果達不到醫(yī)用標準，這臺重離子加速器就是一堆廢鐵。”
從無到有，一步步走向產(chǎn)業(yè)化，團隊不是閉門造車，而是注重市場牽引，要做滿足醫(yī)患需求的醫(yī)療器械。
馬力禎介紹，他們曾經(jīng)認為患者接受治療，只需按照傳統(tǒng)方式躺在病床上就可以。后來調(diào)研發(fā)現(xiàn)，用機械臂把患者抬起來，與加速器默契配合，能更方便地讓射線照射患者身體。團隊立刻整改細節(jié)，在第二代設備中加裝了操作更靈活的機械臂。
功夫不負有心人。2019年下半年，整套碳離子治療系統(tǒng)獲得注冊許可，我國終于有了自己的醫(yī)用重離子加速器。
肖國青說，這臺自主研發(fā)的醫(yī)用重離子加速器，無論性能指標還是臨床反饋，都不遜色于進口設備。尤其是國產(chǎn)重離子治療裝置成本只有發(fā)達國家的1/3至1/2，在價格上具備明顯優(yōu)勢。同時，國產(chǎn)重離子治療裝置同步加速器的周長只有56.2米，是目前世界上所有醫(yī)用重離子加速器中周長最短的同步加速器系統(tǒng)，有利于醫(yī)院減少投入。依托國內(nèi)完善的加工制造業(yè)體系，整套醫(yī)療器械的維修成本也大大降低，并且維修時效很快。
推動國產(chǎn)重離子治療裝置在全國落地，讓這一大型醫(yī)用設備為更多患者服務
武威重離子中心碳離子治療系統(tǒng)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個治療室。
“根據(jù)患者病種的不同，重離子治療的時間和次數(shù)也不同。從目前完成治療患者的臨床隨訪結(jié)果來看，療效顯著，患者的病情得到有效控制。”武威腫瘤醫(yī)院院長葉延程介紹，截至目前，中心共治療患者375例（包括臨床試驗患者），治療病種涵蓋中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤、頭頸部和顱底腫瘤、胸腹部腫瘤、盆腔腫瘤等。
人類與癌癥的斗爭已經(jīng)持續(xù)了數(shù)千年，即使是最微小的進步背后都有科學技術(shù)的加持。“作為科研人員，我們期望能在科學原理上取得更多突破，掌握更多重離子的機理奧秘，加快技術(shù)研發(fā)，爭取為更有效的治癌手段提供科技支撐。”夏佳文表示。
下一步，國科離子醫(yī)療科技有限公司將推動國產(chǎn)重離子治療裝置在全國落地。馬力禎說，除了已投入運營的武威重離子中心和將要開展臨床試驗的蘭州重離子治療裝置，正在建設的還有其他城市的4臺裝置，另有多地也簽訂了合作協(xié)議。“建造布局將充分考慮人口和地理因素，將裝置放在國家區(qū)域醫(yī)療中心，提升重離子治療服務的可及性。”
肖國青說，未來將繼續(xù)研制更加小型的治療裝置，降低占地面積、治療費用，借助人工智能、5G技術(shù)等手段升級改造設備，提升智能化水平。還將大力培養(yǎng)重離子治療的人才隊伍，精心培訓更多一線放療醫(yī)生和放射物理師，讓醫(yī)用重離子加速器為更多患者服務。（劉詩瑤 申少鐵）
（責任編輯：蔡文斌）
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