健康報：“重器”探秘

坐落在蘭州重離子醫(yī)院內(nèi)的重離子加速器。本報記者張丹攝

經(jīng)過多年建設(shè)，甘肅省武威腫瘤醫(yī)院（武威重離子中心）裝配了我國首臺自主知識產(chǎn)權(quán)的重離子治療系統(tǒng)。整套治療系統(tǒng)由中國科學院近代物理研究所及其產(chǎn)業(yè)化公司研制，由甘肅省武威腫瘤醫(yī)院負責臨床運營。項目的成功完成，實現(xiàn)了世界最大型醫(yī)療器械的國產(chǎn)化，使我國成為繼美國、德國、日本后，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。

武威腫瘤醫(yī)院（武威重離子中心）內(nèi)， 我國首臺自主知識產(chǎn)權(quán)“ 重離 子 治 療 系統(tǒng)”已經(jīng)進入臨床應用。本報記者張丹攝

龐然大物

由于武威重離子中心的重離子治療系統(tǒng)正在使用，無法參觀，記者只得來到同樣擁有重離子治療系統(tǒng)的蘭州重離子醫(yī)院一探究竟。

蘭州重離子醫(yī)院內(nèi)的一座三層小樓外觀顯得平平無奇，但當記者進入小樓后才發(fā)現(xiàn)別有洞天。原來，小樓里地上、地下各有三層，重離子加速器正“ 橫躺”在地下。二極磁鐵有序地排列在一起，這些鋼鐵組成的大塊頭根據(jù)自身的功能被排列成一字型或者圓形。走在其中，仿佛穿梭于梅花樁之間。

“我們從源頭來看吧?！惫ぷ魅藛T看出了記者的驚訝，領(lǐng)著記者來到了一個橙色的“大塊頭”跟前。重離子的源頭正是從這里開始，它使用的原料是甲烷。甲烷含有碳離子，經(jīng)初步處理剝離掉外圈的電子，形成重離子，隨后會進入加速軌道。

那么，重離子又是如何被加速的？記者一邊聽著工作人員的講解， 一邊穿行于各種設(shè)備之間，一個個巨大的黃色、藍色的鐵方塊被管道所連接，周圍充斥著各種線圈和監(jiān)測設(shè)備，冷風機不時呼呼地吹來冷風進行散熱。

眼前的藍色巨塊是重達 20 余噸的二極磁鐵，它在電流的作用下產(chǎn)生磁場，讓直線穿行的離子“拐彎”，在8 塊二極磁鐵連續(xù)偏轉(zhuǎn)下，離子拐成了一個圓形的軌跡，一次次循環(huán)被加速， 直至加速到光速的 70% 時才算達標。“離子一秒內(nèi)要跑300 多萬圈，每一圈都在加速，所受到的阻力可想而知，因此離子所在的軌道內(nèi)必須完全真空，讓離子加速起來沒有阻力，才能夠達到預想的速度?！?/p>

記者爬上樓梯向下俯視，更加直觀地看到了重離子加速器的全貌，重離子加速器宛若一條“巨龍”盤踞在地上，盤踞的“龍身”直徑達到 20 米，周長有50 多米?！褒埼病笔请娮踊匦舱耠x子源，回旋加速器、同步加速器、束流傳輸線共同組成了綿延的“龍身”，而終端應用則是“龍頭”。離子材料甲烷進入“龍尾”后，蛻化為碳離子，再經(jīng)過“ 龍身”的不斷加速，達到光速的70%后形成離子束流，從“龍頭”噴薄而出，進入到各個治療室，在患者身體上完成重離子放療。

目前，治療腫瘤的方式主要有手術(shù)、化療和放療。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)學上運用射線消滅腫瘤已有百年歷史，包括伽馬射線和 X 射線的光子放療、質(zhì)子射線的質(zhì)子放療，還有碳離子的重離子放療。碳離子直抵病灶后會集中釋放能量，從而達到消滅癌細胞的目的。而且，碳離子對癌細胞DNA 實施雙鏈斷裂的概率更高，更能防止癌細胞的殘留和復發(fā)。碳離子放射的副作用小，可有效緩解患者放療的痛楚，因此重離子放療是目前國際上公認的較先進的放療方法。

事實上，我國關(guān)于重離子加速器的技術(shù)研究已有 60 余年。中科院近代所研究員、國科離子醫(yī)療科技有限公司董事長馬力禎介紹，從“一五”期間該所建設(shè) 1.5 米回旋加速器為核物理研究夯實基礎(chǔ)，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)。

1993 年，科研人員將目光投向重離子治癌，從動物試驗到初試人體表層腫瘤，再到人體深層腫瘤。2020 年 3 月，我國首臺自主知識產(chǎn)權(quán)“重離子治療系統(tǒng)”在武威重離子中心投入臨床應用。

創(chuàng)業(yè)維艱

讓這條“巨龍”騰飛并非易事，許多人為此付出了心血。

武威重離子中心坐落于距離甘肅省武威市中心約 10 公里的地方。這里綠柳成蔭，還有一些休閑娛樂設(shè)施， 供腫瘤患者休憩。

時間倒轉(zhuǎn)回2012 年，當時呈現(xiàn)在甘肅省武威腫瘤醫(yī)院院長葉延程眼前的是一片荒漠，周圍荒無人煙。項目開建之初，基建成為擺在葉延程面前的第一道難關(guān)。

“當時把荒漠變綠洲用了一些土辦法，現(xiàn)在回想起來有些可笑?！比~延程說，承載這樣一套高科技設(shè)備裝置， 需要充分的輻射防護、高精尖的醫(yī)療技術(shù)和操作規(guī)范流程，國內(nèi)基本沒有可以參考的地方，但可借鑒的資料少之又少。

“項目建設(shè)之初，我們就遇到了意想不到的事?！比~延程說，蓋一座樓，首先需要打穩(wěn)地基。復雜的地形就先讓所有人大吃了一驚，滿眼沙土下面竟埋藏了許多“秘密”。有些地方挖出來全是沙子，而相隔幾十米之外，卻挖出了一段河床，河床內(nèi)既有卵石又有淤泥。這樣復雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會造成機房不均勻沉降，遲早會導致設(shè)備使用故障和其他事故。經(jīng)過廣泛求教、反復論證，他們向設(shè)計師提出了高密度井樁加 1.5 米以上厚度筏板的想法，這能夠充分發(fā)揮地基承載力，不會造成機房地坪傾斜“。在沙漠底下還能看見河灘，感慨滄海桑田變化之余，也給我們出了一道難題?！?/p>

難題一道接著一道。雖然樓是能蓋了，但常規(guī)降阻設(shè)計達不到設(shè)備使用要求。武威當?shù)馗珊档貐^(qū)的平均年降雨量僅200 毫米，而蒸發(fā)量近2000 毫米，次生沙漠地帶土地中的電阻嚴重超標，接地的難題接踵而來，葉延程又犯了愁。某次，他發(fā)現(xiàn)工地附近個別村民房子上面安有避雷針，他腦海中靈光一閃，有了主意。

“附近的老百姓既然可以安裝避雷針，說明有辦法可以將電流引入大地?！贝蚵犞?，葉延程了解了其中原委，原來村民利用礦物質(zhì)導電的原理， 用鹽巴混入地下的土辦法增加土地的電導率，達到引流的作用。葉延程受到啟發(fā)，采取了加深接地井樁，回填常規(guī)降阻劑，加配高鹽礦物質(zhì)土的辦法， 使得問題迎刃而解。

由于重離子加速器涉及放射性， 按照國家環(huán)保相關(guān)要求，對于系統(tǒng)內(nèi)部使用過的放射性廢水的排放需要檢測。但地下沒有排水管網(wǎng)，經(jīng)過無害化處理的水也無處排放。葉延程帶領(lǐng)團隊自創(chuàng)了“ 三級衰變、一級沉淀過濾、涼水塔回用”技術(shù)，將經(jīng)過無害化處理的水抽進冷卻系統(tǒng)水池循環(huán)使用，實現(xiàn)了放射性污水零排放。

“辦法都是逼出來的，只要是想干成的事，辦法總比困難多，總不能因為一個坎兒就把項目擱淺吧?！? 年來，葉延程和協(xié)作團隊像釘子一樣，扎在項目上，克服了許多常人難以想象的困難。

“人才培養(yǎng)是大事，即便資金特別緊張，也要把人送出去深造?！痹诠タ思夹g(shù)難題的同時，葉延程最看重的是人才培養(yǎng)。項目建設(shè)初期，國內(nèi)尚無重離子放療的設(shè)備，該領(lǐng)域的研究基本處于空白。從2013 年開始，一批又一批人員被派往美國、德國、日本等重離子放療技術(shù)成熟的國家。隨著上海市質(zhì)子重離子醫(yī)院的開診，人才又被送往上海市學習，再到后來干脆邀請國外專家到武威常年現(xiàn)場培訓。

“沒有額外撥款，培養(yǎng)的還是十年后才用得上的人，醫(yī)院內(nèi)部當然意見很大?！比~延程坦言，當時，很多員工甚至稱醫(yī)院建設(shè)重離子治癌項目是“用屁股做出來的決策”。有一天早上，在老醫(yī)院家屬樓通往業(yè)務(wù)院區(qū)的路上， 有些人準備了一米多厚的傳單打算給每位來往的行人發(fā)放。葉延程叫人去拿了兩張，留存了下來，至今都沒有打開看過一眼?！安挥孟耄瑑?nèi)容肯定是不好的。重離子治癌從原理上是可行的，中科院搞了這么多年研究，國外都能做得成，為什么我們不行？我就是要排除一切雜念，堅定干下去。”

攻克難關(guān)

馬力禎在加速器技術(shù)領(lǐng)域差不多“浸”了一輩子。尤其是這些年來，他把大量精力投入到重離子治癌設(shè)備的研發(fā)上，深切體會到其中的艱辛?！爸皩︶t(yī)學沒有太多了解，沒想到自己還會跟醫(yī)學結(jié)緣?！瘪R力禎笑了笑說， 醫(yī)用重離子加速器是“集大成者”，是包括物理、核物理、信息、電子、醫(yī)學、圖像處理等學科的結(jié)合，技術(shù)體系精密復雜，研發(fā)難度極大。

在武威重離子加速器項目開工之前，日本、德國、美國在醫(yī)用重離子加速器方面已經(jīng)進行了相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的布局，所以我國首先要做的就是突破知識產(chǎn)權(quán)的限制。中科院近代所加速器總體室研究員、國科離子醫(yī)療科技有限公司副總經(jīng)理石健舉例，日本的重離子加速器使用了18 塊二極磁鐵；德國有兩種方案，一種使用了 6 塊二極磁鐵，另一種則是 12 塊。石健說，

“最難的就是拿出設(shè)計方案，既要避開知識產(chǎn)權(quán)的限制，又要盡量做得小而精巧。團隊花了很大功夫，決定使用8塊二極磁鐵的架構(gòu)。數(shù)量不同，直接決定了整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，就像蓋房子一樣，有的是磚混結(jié)構(gòu)，有的是鋼混結(jié)構(gòu)?！?/p>

“科研人員追求的是設(shè)備的最高性能，只要夠得著預定的指標即可。但醫(yī)療器械是一個產(chǎn)品，醫(yī)用重離子加速器各部件要保證最安全可靠。醫(yī)院在使用時，設(shè)備要長期穩(wěn)定?！瘪R力禎說，此外還有眾多條條框框，比如強電模塊和弱電模塊的隔離標準、如何布地線、電線的顏色，就連螺絲擰幾圈都有嚴格規(guī)定“。只有將國家關(guān)于電磁兼容、電器安全等醫(yī)療器械的標準貫徹到產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、制造和檢測全過程中，才有可能用于醫(yī)療，否則就是一堆廢銅爛鐵?！?/p>

“精度怎么可能達到？“”這個指標能否降低一個級別？”“能否用其他零件替代？”在研發(fā)過程中，這樣的爭論時刻上演。馬力禎告訴記者，設(shè)計方案完成后，磁鐵、電源等各系統(tǒng)會根據(jù)預定的參數(shù)去完成對應系統(tǒng)的硬件研制。這些參數(shù)經(jīng)常難以達到，引得不同學科的科研人員為之爭論。以磁場精度為例，磁鐵的參數(shù)要達到萬分之二均勻度，而當時只能達到萬分之三。離子在一秒內(nèi)大約會跑 300 萬圈，如果精度不合適，每走一圈都偏離一點，300 萬圈之后早已不知所終，差之毫厘失之千里。“為了萬分之一，我們都快打起來了。達不到就一次一次進行修正，直到達標為止。其他系統(tǒng)也一樣，都要達到極限狀態(tài)才能保證重離子加速器制造成功?！?/p>

邊吵邊修，邊改邊調(diào)，武威重離子加速器 2015 年進入到現(xiàn)場調(diào)試的階段。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)?！袄碚撋希鞯竭_治療終端說明重離子加速器可以使用了，但就像汽車，能否收放自如， 想加速就加速，想剎車就能剎車，定速巡航、座椅加熱等功能是否滿足要求， 還需要慢慢去調(diào)試?！笔≌f。

看似小問題，但往往需要花好幾天甚至幾個月去排查。馬力禎介紹， 重離子“打”在腫瘤上，要求穩(wěn)定性不能超過 0.5 毫米誤差，這要求電源系統(tǒng)和整個控制系統(tǒng)必須更細更精密。再比如，須保證儀器運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定與可靠，要想盡辦法降低故障率。

“這套醫(yī)用重離子加速器所有部件設(shè)備都是定制化的，國產(chǎn)率達到99%，無論從性能指標還是臨床反饋，都毫不遜色于進口設(shè)備，但裝置的成本只有國外的一半?！瘪R力禎告訴記者，以開機率為例，這套重離子加速器第一年開機率到達97.4%，也就是說，如果一天 24 小時開機，約有 37 分鐘是故障時間?！胺叛蹏H，德國的設(shè)備運行10 年的開機率為92%～98%，而我們第一年就可以達到97.4%?！?/p>

未來憧憬

彭阿姨眼部患有多形性腺瘤，并與它抗爭了26 年，手術(shù)、化療、放療等治療手段全已試遍，可終究沒能阻止腫瘤的生長，右眼部的腫瘤已經(jīng)長到拳頭大小。如今，彭阿姨右眼已經(jīng)失明，其實她也不奢求什么，只想阻止腫瘤的野蠻生長。今年 7 月，彭阿姨感受到右眼隱隱的脹痛，晚上睡覺一旦翻身到右側(cè)就會疼痛，到了不得不治療的地步?！巴砩纤恢?，每分每秒都在煎熬?！?/p>

在彭阿姨四處求醫(yī)的過程中，武威重離子中心走進了她的視線。彭阿姨告訴記者，她將病例和影像學資料傳給武威重離子中心，經(jīng)過評估后住進了醫(yī)院。而后，全面檢查、專家會診、方案制訂按部就班“。目前，我做了兩次重離子放療，也是在無意間體會到了效果。晚上睡覺，可以隨便翻身了，脹痛也減輕了。對后續(xù)的治療，我充滿信心?！?/p>

“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。從目前完成治療的患者臨床隨訪結(jié)果來看，療效顯著，患者的病情得到有效控制?！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說，重離子治療對大部分實體腫瘤有較好的療效，適合不宜手術(shù)、對常規(guī)射線不敏感、常規(guī)射線治療后復發(fā)的部分實體腫瘤的治療。比如，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、四肢脊柱腫瘤等。該院從去年3 月開始收治患者，隨著技術(shù)的不斷成熟和研究的不斷深入，相關(guān)適應證范圍也隨之擴大，目的就是讓更多人受益。

葉延程沒有想到荒漠能變成治病救人的綠洲。

張雁山?jīng)]有想到重離子加速器能夠建得成、用得上。

馬力禎沒有想到自己能與治癌扯上關(guān)系。

不光是他們沒有想到，很多人都沒有想到我國能夠自主研發(fā)出醫(yī)用重離子加速器，并成功應用于臨床。畢竟，這在業(yè)內(nèi)可比擬發(fā)射衛(wèi)星的難度。未來，他們對醫(yī)用重離子加速器有著各自憧憬。

“讓醫(yī)用重離子加速器小型化、智能化、產(chǎn)業(yè)化是我們正在研究的方向?！瘪R力禎說，未來會考慮采用超導的方案，屆時設(shè)備占地面積將會大幅度縮小，整體空間會縮小1/3；通過研發(fā)更智能化的設(shè)備，提高周轉(zhuǎn)率和使用效率；還要與醫(yī)學專家更加深入地合作，調(diào)整放療劑量，減少放療頻次， 制訂出更優(yōu)的放療方案。

“中國的重離子放療技術(shù)會逐漸成熟，一定要科學嚴謹?shù)刈龀鲋袊仉x子放療標準。我能推動多少就推動多少，直到自己干不動。即使貢獻不出太多能量，我能治病救人也就足夠了?！睆堁闵秸f。

葉延程用醫(yī)院院歌的一句歌詞回答了記者的問題，“播種希望、救死扶傷，用真情撫慰心靈的滄桑……”這也是他一生的追求。