大國重器出武威

重離子加速器裝置是目前我國最大的醫(yī)療設(shè)備之一，被譽(yù)為腫瘤放療領(lǐng)域的大國重器。

從甘肅省蘭州市出發(fā)，一路向西北，穿越莊浪河，翻過烏鞘嶺。經(jīng)過約4小時的車程，記者來到了地處河西走廊東端的武威市。

戈壁灘上，放眼望去，一座宏偉的建筑出現(xiàn)在騰格里沙漠邊緣。這里就是武威重離子中心，我國首臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置（以下簡稱“裝置”）的生產(chǎn)地。

“這個裝置是目前全國最大的醫(yī)療設(shè)備之一，被譽(yù)為腫瘤放療領(lǐng)域的大國重器。建成以來，已成功為1400余名腫瘤患者提供治療?！备拭C省武威腫瘤醫(yī)院副院長、武威重離子中心主任張雁山告訴記者。

射線界的“天使”

重離子和腫瘤治療之間有什么關(guān)系？這是記者向張雁山提出的第一個問題。

“重離子放療是目前國際上公認(rèn)的先進(jìn)放療手段，特別適合于不宜手術(shù)、對常規(guī)射線不敏感等難治腫瘤的治療?！睆堁闵秸f，“簡言之，重離子放療就是用高速束流‘轟擊’腫瘤病灶。”

他解釋，重離子束具有獨(dú)特的物理學(xué)特性，其在抵達(dá)病灶前釋放的能量較少，而在到達(dá)病灶時，會瞬間形成名為“布拉格峰”的能量釋放峰，殺傷癌細(xì)胞。

“整個治療過程就像是對癌細(xì)胞實(shí)施精準(zhǔn)的定點(diǎn)‘爆破’，不僅能強(qiáng)力照射病灶區(qū)域，而且不會‘誤傷’沿途的正常細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)最大化的療效。”張雁山形象地說。正因?yàn)閾碛羞@種精準(zhǔn)放射的特性，重離子束被稱為射線界的“天使”。

說話間，記者隨張雁山來到了裝置中央控制室。寬敞的大廳內(nèi)，監(jiān)控大屏實(shí)時顯示著裝置各部件的工作狀態(tài)。

張雁山指著大屏，向記者講解起裝置的主要部件——離子源、回旋加速器、同步加速器以及4個治療終端的運(yùn)行過程。

“從控制臺發(fā)出指令后，離子源將碳原子核外的電子剝離形成碳離子（俗稱‘重離子’），并讓它們以幾乎一致的速度和方向運(yùn)動，形成重離子束?！睆堁闵浇榻B，“接下來，重離子束被引出，再經(jīng)過多輪加速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偈?，由治療終端射入人體。”

為了更直觀地解釋重離子束加速過程，張雁山帶記者來到裝置模型前。

“這就是離子源，負(fù)責(zé)生成重離子束?！睆堁闵街赶蛞粋€形似啞鈴的部件說，“它下面這個淡綠色圓柱體，是回旋加速器，旁邊那個大回環(huán)，則是同步加速器。這兩個加速器按次序運(yùn)行，最終將重離子束加速至滿足治療要求的高速束流?！?/p>

“初速度”的提供者

“能否輸出高速而穩(wěn)定的重離子束流，是整個裝置成敗的關(guān)鍵。”張雁山告訴記者，如果束流速度與穩(wěn)定性不足，治療劑量的準(zhǔn)確性就難以保障，療效也會受到影響。

為此，首先需要做好預(yù)加速。重離子束從離子源出來后，進(jìn)入加速的第一站——回旋加速器?；匦铀倨鞅环Q為“初速度”的提供者，它利用磁場和電場的其同作用，讓重離子束在旋轉(zhuǎn)中反復(fù)加速。

走到回旋加速器跟前，記者看到它宛若一個圓筒形糧倉，直徑約3米、高約2米。

一股而言，預(yù)加速都采用直線加速器，為什么這個加速器是回旋的？

聽到記者的提問，楊建成言語中透出自豪：“這是重離子治療裝置的‘中國方案’！”

此前，國際上的醫(yī)用重離子加速器多采用直線加速器來給重離子束提供“初速度”。國外研發(fā)人員還為此申請了直線加速腔體結(jié)構(gòu)專利?！盀榱艘?guī)避專利壁壘，我們只能另辟‘賽道’，最終設(shè)計(jì)出回旋加速的方式?！睏罱ǔ山忉尅?/p>

相比直線加速器，回旋加速器的優(yōu)勢更為明顯。國際上具有相似功能的直線加速器長度一般為十幾米，而回旋加速器直徑只有3米左右，體積和所占空間都更小。

“最初是為了打破國外的技術(shù)壟斷，結(jié)果卻是‘柳暗花明叉—村’?！睏罱ǔ尚Φ?，“我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)了回旋加速器與同步加速器相組合的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，有效縮短了整個加速器的長度。相應(yīng)地，整個裝置的建造成本也更低，間接節(jié)約了患者的治療成本?！?/p>

加速度的“主力軍”

獲得“初速度”離開回旋加速器后，重離子束將進(jìn)入裝置的核心部件——同步加速器。

“它是加速度的‘主力軍’。”楊建成介紹，“在這里，重離子束會被加速至400兆電子伏特／核子，速度高達(dá)光速的70％?！?/p>

俯瞰同步加速器，記者發(fā)現(xiàn)它如同一串絢麗多彩的手串，上面點(diǎn)綴著藍(lán)色、黃色和銀色的“珠子”。

“那個藍(lán)色的彎曲長方體是二極磁鐵，可以讓重離子束轉(zhuǎn)彎；黃色的方塊是四極磁鐵，能夠聚攏重離子束，防止其在加速時散開；銀色的管子是高頻腔，負(fù)責(zé)加速重離子束。”中國科學(xué)院近代物理研究所加速器技術(shù)中心副主任冒立軍手指同步加速器的各個構(gòu)件——向記者介紹。

雖然從模型上看，同步加速器不算大，但實(shí)際上它是一個不折不扣的“大家伙”。這些“珠子”連在一起，圍成環(huán)形，周長足有56米，占地面積接近2畝。

正當(dāng)記者感嘆其體量巨大時，楊建成卻說：“小型化是這臺同步加速器的突出特點(diǎn)。與德國同一級別的加速器相比，其周長縮短了19米。裝置體積更小、功耗更低、占地面積更少，更有利于在醫(yī)院推廣應(yīng)用?！?/p>

二極磁鐵的使用數(shù)量，直接影響著加速器的周長與能耗。冒立軍說：“國外的同類裝備多采用16塊或12塊二極磁鐵，我國這臺同步加速器則采用了完全不一樣的結(jié)構(gòu)，只用了8塊二極磁鐵。”

為了保證裝置輸出的重離子束流的穩(wěn)定性，楊建成等人在這些磁鐵上下足了功夫。

“磁鐵參數(shù)要達(dá)到萬分之二的均勻度，差一分一毫都不行?！睏罱ǔ山忉?，“一秒的時間，離子就會在同步加速器內(nèi)跑幾百萬圈。如果精度達(dá)不到要求，離子每走一圈都會偏離一點(diǎn)，最終會因撞到真空管壁而丟失。”

經(jīng)過多輪調(diào)試與驗(yàn)證，2019年9月，這臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置——碳離子治療系統(tǒng)獲得了注冊許可。這也意味著，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(yīng)用能力的國家。

“在不久前召開的全國科技大會、國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會、兩院院士大會上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，‘進(jìn)一步加大科技創(chuàng)新力度’‘讓科技更好造福人類’。這讓我們備受鼓舞。”楊建成向記者表示，“我們正在加快建設(shè)第二代醫(yī)用重離子加速器裝置，以便讓先進(jìn)技術(shù)裝備更好地惠及民生，造福更多患者！”