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(转载)“重器”探秘

发布时间:2021-11-23
来源:健康报
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坐落在兰州重离子医院内的重离子加速器。本报记者张丹摄

经过多年建设,甘肃省武威肿瘤医院(武威重离子中心)装配了我国首台自主知识产权的重离子治疗系统。整套治疗系统由中国科学院近代物理研究所及其产业化公司研制,由甘肃省武威肿瘤医院负责临床运营。项目的成功完成,实现了世界最大型医疗器械的国产化,使我国成为继美国、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。

武威肿瘤医院(武威重离子中心)内, 我国首台自主知识产权“ 重离 子 治 疗 系统”已经进入临床应用。本报记者张丹摄

庞然大物

由于武威重离子中心的重离子治疗系统正在使用,无法参观,记者只得来到同样拥有重离子治疗系统的兰州重离子医院一探究竟。

兰州重离子医院内的一座三层小楼外观显得平平无奇,但当记者进入小楼后才发现别有洞天。原来,小楼里地上、地下各有三层,重离子加速器正“ 横躺”在地下。二极磁铁有序地排列在一起,这些钢铁组成的大块头根据自身的功能被排列成一字型或者圆形。走在其中,仿佛穿梭于梅花桩之间。

“我们从源头来看吧。”工作人员看出了记者的惊讶,领着记者来到了一个橙色的“大块头”跟前。重离子的源头正是从这里开始,它使用的原料是甲烷。甲烷含有碳离子,经初步处理剥离掉外圈的电子,形成重离子,随后会进入加速轨道。

那么,重离子又是如何被加速的?记者一边听着工作人员的讲解, 一边穿行于各种设备之间,一个个巨大的黄色、蓝色的铁方块被管道所连接,周围充斥着各种线圈和监测设备,冷风机不时呼呼地吹来冷风进行散热。

眼前的蓝色巨块是重达 20 余吨的二极磁铁,它在电流的作用下产生磁场,让直线穿行的离子“拐弯”,在8 块二极磁铁连续偏转下,离子拐成了一个圆形的轨迹,一次次循环被加速, 直至加速到光速的 70% 时才算达标。“离子一秒内要跑300 多万圈,每一圈都在加速,所受到的阻力可想而知,因此离子所在的轨道内必须完全真空,让离子加速起来没有阻力,才能够达到预想的速度。”

记者爬上楼梯向下俯视,更加直观地看到了重离子加速器的全貌,重离子加速器宛若一条“巨龙”盘踞在地上,盘踞的“龙身”直径达到 20 米,周长有50 多米。“龙尾”是电子回旋共振离子源,回旋加速器、同步加速器、束流传输线共同组成了绵延的“龙身”,而终端应用则是“龙头”。离子材料甲烷进入“龙尾”后,蜕化为碳离子,再经过“ 龙身”的不断加速,达到光速的70%后形成离子束流,从“龙头”喷薄而出,进入到各个治疗室,在患者身体上完成重离子放疗。

目前,治疗肿瘤的方式主要有手术、化疗和放疗。射线能够以波或者粒子的形式穿过空间或物质释放能量,人类在医学上运用射线消灭肿瘤已有百年历史,包括伽马射线和 X 射线的光子放疗、质子射线的质子放疗,还有碳离子的重离子放疗。碳离子直抵病灶后会集中释放能量,从而达到消灭癌细胞的目的。而且,碳离子对癌细胞DNA 实施双链断裂的概率更高,更能防止癌细胞的残留和复发。碳离子放射的副作用小,可有效缓解患者放疗的痛楚,因此重离子放疗是目前国际上公认的较先进的放疗方法。

事实上,我国关于重离子加速器的技术研究已有 60 余年。中科院近代所研究员、国科离子医疗科技有限公司董事长马力祯介绍,从“一五”期间该所建设 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。

1993 年,科研人员将目光投向重离子治癌,从动物试验到初试人体表层肿瘤,再到人体深层肿瘤。2020 年 3 月,我国首台自主知识产权“重离子治疗系统”在武威重离子中心投入临床应用。

创业维艰

让这条“巨龙”腾飞并非易事,许多人为此付出了心血。

武威重离子中心坐落于距离甘肃省武威市中心约 10 公里的地方。这里绿柳成荫,还有一些休闲娱乐设施, 供肿瘤患者休憩。

时间倒转回2012 年,当时呈现在甘肃省武威肿瘤医院院长叶延程眼前的是一片荒漠,周围荒无人烟。项目开建之初,基建成为摆在叶延程面前的第一道难关。

“当时把荒漠变绿洲用了一些土办法,现在回想起来有些可笑。”叶延程说,承载这样一套高科技设备装置, 需要充分的辐射防护、高精尖的医疗技术和操作规范流程,国内基本没有可以参考的地方,但可借鉴的资料少之又少。

“项目建设之初,我们就遇到了意想不到的事。”叶延程说,盖一座楼,首先需要打稳地基。复杂的地形就先让所有人大吃了一惊,满眼沙土下面竟埋藏了许多“秘密”。有些地方挖出来全是沙子,而相隔几十米之外,却挖出了一段河床,河床内既有卵石又有淤泥。这样复杂的地质结构会造成机房不均匀沉降,迟早会导致设备使用故障和其他事故。经过广泛求教、反复论证,他们向设计师提出了高密度井桩加 1.5 米以上厚度筏板的想法,这能够充分发挥地基承载力,不会造成机房地坪倾斜“。在沙漠底下还能看见河滩,感慨沧海桑田变化之余,也给我们出了一道难题。”

难题一道接着一道。虽然楼是能盖了,但常规降阻设计达不到设备使用要求。武威当地干旱地区的平均年降雨量仅200 毫米,而蒸发量近2000 毫米,次生沙漠地带土地中的电阻严重超标,接地的难题接踵而来,叶延程又犯了愁。某次,他发现工地附近个别村民房子上面安有避雷针,他脑海中灵光一闪,有了主意。

“附近的老百姓既然可以安装避雷针,说明有办法可以将电流引入大地。”打听之下,叶延程了解了其中原委,原来村民利用矿物质导电的原理, 用盐巴混入地下的土办法增加土地的电导率,达到引流的作用。叶延程受到启发,采取了加深接地井桩,回填常规降阻剂,加配高盐矿物质土的办法, 使得问题迎刃而解。

由于重离子加速器涉及放射性, 按照国家环保相关要求,对于系统内部使用过的放射性废水的排放需要检测。但地下没有排水管网,经过无害化处理的水也无处排放。叶延程带领团队自创了“ 三级衰变、一级沉淀过滤、凉水塔回用”技术,将经过无害化处理的水抽进冷却系统水池循环使用,实现了放射性污水零排放。

“办法都是逼出来的,只要是想干成的事,办法总比困难多,总不能因为一个坎儿就把项目搁浅吧。”8 年来,叶延程和协作团队像钉子一样,扎在项目上,克服了许多常人难以想象的困难。

“人才培养是大事,即便资金特别紧张,也要把人送出去深造。”在攻克技术难题的同时,叶延程最看重的是人才培养。项目建设初期,国内尚无重离子放疗的设备,该领域的研究基本处于空白。从2013 年开始,一批又一批人员被派往美国、德国、日本等重离子放疗技术成熟的国家。随着上海市质子重离子医院的开诊,人才又被送往上海市学习,再到后来干脆邀请国外专家到武威常年现场培训。

“没有额外拨款,培养的还是十年后才用得上的人,医院内部当然意见很大。”叶延程坦言,当时,很多员工甚至称医院建设重离子治癌项目是“用屁股做出来的决策”。有一天早上,在老医院家属楼通往业务院区的路上, 有些人准备了一米多厚的传单打算给每位来往的行人发放。叶延程叫人去拿了两张,留存了下来,至今都没有打开看过一眼。“不用想,内容肯定是不好的。重离子治癌从原理上是可行的,中科院搞了这么多年研究,国外都能做得成,为什么我们不行?我就是要排除一切杂念,坚定干下去。”

攻克难关

马力祯在加速器技术领域差不多“浸”了一辈子。尤其是这些年来,他把大量精力投入到重离子治癌设备的研发上,深切体会到其中的艰辛。“之前对医学没有太多了解,没想到自己还会跟医学结缘。”马力祯笑了笑说, 医用重离子加速器是“集大成者”,是包括物理、核物理、信息、电子、医学、图像处理等学科的结合,技术体系精密复杂,研发难度极大。

在武威重离子加速器项目开工之前,日本、德国、美国在医用重离子加速器方面已经进行了相关知识产权的布局,所以我国首先要做的就是突破知识产权的限制。中科院近代所加速器总体室研究员、国科离子医疗科技有限公司副总经理石健举例,日本的重离子加速器使用了18 块二极磁铁;德国有两种方案,一种使用了 6 块二极磁铁,另一种则是 12 块。石健说,

“最难的就是拿出设计方案,既要避开知识产权的限制,又要尽量做得小而精巧。团队花了很大功夫,决定使用8块二极磁铁的架构。数量不同,直接决定了整体系统的结构,就像盖房子一样,有的是砖混结构,有的是钢混结构。”

“科研人员追求的是设备的最高性能,只要够得着预定的指标即可。但医疗器械是一个产品,医用重离子加速器各部件要保证最安全可靠。医院在使用时,设备要长期稳定。”马力祯说,此外还有众多条条框框,比如强电模块和弱电模块的隔离标准、如何布地线、电线的颜色,就连螺丝拧几圈都有严格规定“。只有将国家关于电磁兼容、电器安全等医疗器械的标准贯彻到产品设计、研发、制造和检测全过程中,才有可能用于医疗,否则就是一堆废铜烂铁。”

“精度怎么可能达到?“”这个指标能否降低一个级别?”“能否用其他零件替代?”在研发过程中,这样的争论时刻上演。马力祯告诉记者,设计方案完成后,磁铁、电源等各系统会根据预定的参数去完成对应系统的硬件研制。这些参数经常难以达到,引得不同学科的科研人员为之争论。以磁场精度为例,磁铁的参数要达到万分之二均匀度,而当时只能达到万分之三。离子在一秒内大约会跑 300 万圈,如果精度不合适,每走一圈都偏离一点,300 万圈之后早已不知所终,差之毫厘失之千里。“为了万分之一,我们都快打起来了。达不到就一次一次进行修正,直到达标为止。其他系统也一样,都要达到极限状态才能保证重离子加速器制造成功。”

边吵边修,边改边调,武威重离子加速器 2015 年进入到现场调试的阶段。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。“理论上,束流到达治疗终端说明重离子加速器可以使用了,但就像汽车,能否收放自如, 想加速就加速,想刹车就能刹车,定速巡航、座椅加热等功能是否满足要求, 还需要慢慢去调试。”石健说。

看似小问题,但往往需要花好几天甚至几个月去排查。马力祯介绍, 重离子“打”在肿瘤上,要求稳定性不能超过 0.5 毫米误差,这要求电源系统和整个控制系统必须更细更精密。再比如,须保证仪器运转的稳定与可靠,要想尽办法降低故障率。

“这套医用重离子加速器所有部件设备都是定制化的,国产率达到99%,无论从性能指标还是临床反馈,都毫不逊色于进口设备,但装置的成本只有国外的一半。”马力祯告诉记者,以开机率为例,这套重离子加速器第一年开机率到达97.4%,也就是说,如果一天 24 小时开机,约有 37 分钟是故障时间。“放眼国际,德国的设备运行10 年的开机率为92%~98%,而我们第一年就可以达到97.4%。”

未来憧憬

彭阿姨眼部患有多形性腺瘤,并与它抗争了26 年,手术、化疗、放疗等治疗手段全已试遍,可终究没能阻止肿瘤的生长,右眼部的肿瘤已经长到拳头大小。如今,彭阿姨右眼已经失明,其实她也不奢求什么,只想阻止肿瘤的野蛮生长。今年 7 月,彭阿姨感受到右眼隐隐的胀痛,晚上睡觉一旦翻身到右侧就会疼痛,到了不得不治疗的地步。“晚上睡不着,每分每秒都在煎熬。”

在彭阿姨四处求医的过程中,武威重离子中心走进了她的视线。彭阿姨告诉记者,她将病例和影像学资料传给武威重离子中心,经过评估后住进了医院。而后,全面检查、专家会诊、方案制订按部就班“。目前,我做了两次重离子放疗,也是在无意间体会到了效果。晚上睡觉,可以随便翻身了,胀痛也减轻了。对后续的治疗,我充满信心。”

“根据患者病种的不同,重离子治疗的时间和次数也不同。从目前完成治疗的患者临床随访结果来看,疗效显著,患者的病情得到有效控制。”甘肃省武威肿瘤医院副院长、武威重离子中心主任张雁山说,重离子治疗对大部分实体肿瘤有较好的疗效,适合不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分实体肿瘤的治疗。比如,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、四肢脊柱肿瘤等。该院从去年3 月开始收治患者,随着技术的不断成熟和研究的不断深入,相关适应证范围也随之扩大,目的就是让更多人受益。

叶延程没有想到荒漠能变成治病救人的绿洲。

张雁山没有想到重离子加速器能够建得成、用得上。

马力祯没有想到自己能与治癌扯上关系。

不光是他们没有想到,很多人都没有想到我国能够自主研发出医用重离子加速器,并成功应用于临床。毕竟,这在业内可比拟发射卫星的难度。未来,他们对医用重离子加速器有着各自憧憬。

“让医用重离子加速器小型化、智能化、产业化是我们正在研究的方向。”马力祯说,未来会考虑采用超导的方案,届时设备占地面积将会大幅度缩小,整体空间会缩小1/3;通过研发更智能化的设备,提高周转率和使用效率;还要与医学专家更加深入地合作,调整放疗剂量,减少放疗频次, 制订出更优的放疗方案。

“中国的重离子放疗技术会逐渐成熟,一定要科学严谨地做出中国重离子放疗标准。我能推动多少就推动多少,直到自己干不动。即使贡献不出太多能量,我能治病救人也就足够了。”张雁山说。

叶延程用医院院歌的一句歌词回答了记者的问题,“播种希望、救死扶伤,用真情抚慰心灵的沧桑……”这也是他一生的追求。

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