重離子治癌：國之重器點亮生命之光

醫學物理師利用水箱驗證重離子射線能量。袁海博/攝

醫用重離子加速器-同步加速器。袁海博/攝

模擬重離子輻照腫瘤形狀的立體劑量球。近代物理所供圖

醫用重離子加速器研發及產業化團隊。袁海博/攝

■本報見習記者 葉滿山

“楊主任，我現在能正常飲食，下地行走也沒問題，身體感覺很好，感謝你們。今天，我終于可以安心出院了。”在甘肅省武威重離子中心，69歲的黃大爺正在向副主任醫師楊乾滋描述自己的狀態。

黃大爺患有晚期肺癌，因肺部腫瘤太大，且緊貼胃腸，手術無法切除。2023年9月28日，經過微創手術置入隔離器（紗墊）分開腫瘤和胃腸，再給予一次大劑量重離子治療，他成功得到救治。

當高速離子在物體中行進停止時釋放能量的布拉格峰被發現以來，人類一直在探索利用質子和重離子治療癌癥的可能性。從1946年美國物理學家羅伯特·威爾遜首次提出用質子束治療腫瘤的設想，到1994年日本千葉建成世界上第一個重離子治癌中心，一系列進展引發全球高度關注。

在這一領域，中國毫不遜色，自主研制的重離子治癌裝置已落戶多個城市。這一國之重器不僅展示了我國在重離子治癌領域的領先實力，更代表著癌癥治療技術的巨大飛躍。重離子以其獨特的優勢，在癌癥放射治療領域獨樹一幟，被譽為當今最先進、最科學、最有效的療法之一。

1 從零開始，研發裝置

1988年，中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）建成了我國第一臺大型重離子研究裝置——蘭州重離子加速器（HIRFL），不僅為我國中能重離子物理基礎研究提供了重要的實驗條件，而且標志著我國回旋加速器技術進入國際先進行列。1991年，蘭州重離子加速器國家實驗室成立。1992年，該裝置獲得國家科技進步獎一等獎。

正是利用該裝置提供的多種不同種類和不同能量的重離子束流，科研人員完成了許多科學實驗，取得了以新核素合成和研究為代表的具有國際先進水平的重要成果，也為接下來的重離子治癌奠定了基礎。

1993年11月的一天，寒風呼嘯，但在近代物理所會議室內，氣氛卻異常火熱，因為一場關于重離子大科學裝置未來如何應用的研討會正在這里舉行。針對如何利用大科學裝置并激發出它最大價值的問題，每位與會人員都提出了不同的看法。

此時，時任重離子束應用二室主任衛增泉站上了講臺。他的報告題目是《生命科學研究》，其中詳細闡述了他關于開展重離子治癌研究的設想。

衛增泉的發言猶如星星之火，瞬間點燃了在場科研人員的熱情。他們懷揣著發掘重離子生物學效應巨大潛力的夢想，紛紛提出了開展相關基礎研究的構思。

作為衛增泉的學生，近代物理所生物醫學中心主任李強仍然記得這項研究最初帶來的意義。“我們之所以決心研制重離子治癌裝置，是因為重離子在加速器的賦能下，就如同精準的手術刀，能夠直擊病灶，釋放出巨大能量，將癌細胞一舉殲滅。”

重離子治癌裝置不僅能有效防止癌細胞殘留和復發，而且對正常組織的毒副作用較小，能減輕放療給患者帶來的痛苦。因此，重離子治癌被稱為國際前沿的放療技術。

然而，挑戰與機遇并存。由于相關國際標準缺失、國內研究基礎薄弱，近代物理所的科研人員面臨著從零開始、追趕國際研究步伐并實現國產化的艱巨任務。

“那時候，我們雖然知道重離子治癌的巨大潛力，但作為一家科研單位研發大型醫療器械還是頭一遭。”近代物理所原所長、醫用重離子加速器產業化項目負責人肖國青回憶道。即便困難重重，但為了實現國產技術零的突破，所有科研人員都憋著一股勁兒，誓要啃下這塊“硬骨頭”。

1995年6月，重離子治癌技術研究項目“核醫學和放射治療中先進技術的基礎研究”入選國家攀登計劃B，得到了國家和地方的支持與配合。相關部門為研究提供了各種人體腫瘤標本，使近代物理所能夠建設配備尖端儀器設備的實驗室，全面開展放射生物學、醫學物理實驗研究以及動物實驗。

在前期探索中，一個核心問題是如何根據腫瘤深度與大小精確匹配所需要的能量。這就像一場精準的導彈打擊，既要確保能量深入腫瘤，又要避免傷害健康組織。

衛增泉帶領科研團隊首先探究了不同的腫瘤深度所需要的不同離子束能量。同時，為了解決離子束照射形狀須等同于腫瘤形狀的問題，他們調整光欄、調制束流，創造出符合腫瘤形狀的立體劑量球。由此，人為控制重離子束能量和束流形狀的方法誕生了。

經費受限讓科研人員只能建造一個用于動物實驗的局部屏蔽小室，滿足基本實驗需求。

“在諸多重離子中，哪種實驗效果最好，是碳離子、氮離子還是氬離子？”衛增泉團隊選擇動物腫瘤細胞作為實驗對象，并在蘭州大學生物系的支持和配合下，經過多次實驗、多次總結、逐步改進，最終發現在所有重離子中碳離子效果最好。

此刻的成功讓衛增泉十分激動。這意味著，他在1993年提出的設想終于變為現實，同時也讓團隊信心倍增。

隨后一系列令人振奮的實驗結果證實，重離子治療對人體腫瘤細胞同樣有效。這些基礎研究為重離子治癌臨床研究積累了寶貴的基礎數據，為后續治療技術的研發奠定了堅實基礎。

2 突破瓶頸，攻克難題

2006年3月1日，我國第一個淺層腫瘤重離子治療裝置通過專家組的鑒定驗收。這意味著具備了淺層腫瘤重離子治療臨床試驗的條件。

同年11月，研究團隊首次利用重離子治療技術對4例癌癥患者進行了前期臨床試驗。臨床試驗的順利開展，使我國成為世界上第四個成功開展重離子臨床治療的國家。

隨后一年里，研究團隊與醫院緊密合作，利用碳離子束對第二批9例患者和第三批14例患者進行了腫瘤治療。這27例患者涉及12種不同癌癥類型，均取得顯著療效。大多數患者的腫瘤完全消失，其余患者的腫瘤有了不同程度的縮小。

更令人欣喜的是，在整個治療過程中，所有患者未出現任何局部或全身的不良反應。這一成果充分展示了碳離子放射治療在多種癌癥治療中的巨大潛力和安全性。2006年至2009年，近代物理所共進行了103例體表腫瘤前期臨床試驗研究。

2007年1月24日，為推動重離子治癌的研究與應用，中國科學院蘭州分院、近代物理所，相關政府部門、醫療單位，以及國內放療專家、加速器技術和核物理專家齊聚一堂，共同組建了重離子治癌協調小組。

同時，近代物理所掛牌成立了“甘肅省重離子束治療腫瘤臨床研究基地”，重離子治癌技術研究與應用翻開新的篇章。

2008年7月，蘭州重離子加速器冷卻儲存環通過國家驗收。得益于中國科學院部署的重大項目，近代物理所完成了深層治療實驗終端建設，并實現了關鍵技術的重大突破。

2009年，科研人員決定利用新建的蘭州重離子加速器冷卻儲存環提供的高能碳離子，開展深部腫瘤前期臨床試驗研究。

“2009年至2013年，一共有110例深部腫瘤患者入組，勇敢地參與了前期臨床試驗研究。與此同時，我們也緊鑼密鼓地進行產業化工作，致力于研發一臺真正意義上的醫用重離子加速器大型醫療器械。”肖國青說。

3 初遇挫折，落地甘肅

2009年3月，近代物理所所長辦公室，肖國青心里有些著急。他緊盯著墻上的一幅地圖，指著地圖上畫圈的地方說：“好幾年了，現在重離子治癌中心仍未能落地，一切計劃都還處于紙上談兵的階段。”

技術上的信心如何變成現實中的治療中心呢？肖國青想得很清楚：“近代物理所只是一家研究單位，不可能自己投資建設一個治癌中心，這種事還是要交給企業來做。”

于是，各地聞風而動。廈門、廣州、福州等城市不斷與近代物理所接觸，爭建國內首家重離子治癌中心。

“我們的研發基地、加工基地、人才基地都在蘭州，從感情上講，我們更希望這家中心能落戶甘肅。”肖國青明白，眼下最重要的事還是將重離子治癌裝置市場轉化落到實處。不過，一臺專用裝置造價不菲，有些城市因此打起了退堂鼓。

更何況，科研裝置與臨床應用的大型醫療器械之間存在鴻溝，不僅需要技術突破及資金與人才雙重保障，更需要醫療系統的充分信任。

“大型醫療設備不僅需要得到國家衛生健康主管部門的配置許可，還需要考量醫院資質等多方面因素。同時，這些設備必須獲得國家藥品監督管理部門的醫療器械注冊證，才能正式投入臨床治療。為了獲得這些認可，我們只能不斷探索，走出屬于自己的一條路。”李強說。

重離子治療設備審批要求極為嚴格，再加上此前并無同等體量的國產醫療器械報批先例，使得從樣機調試、設備檢測到臨床試驗、審批注冊，每一步都如履薄冰，稍有不慎就可能功虧一簣。

基于多方面原因，沒有找到一線城市的大醫院做“第一個吃螃蟹的人”。團隊成員眼看耗費十幾年心血的研究成果無法落地，那種失落和迷茫幾乎讓人窒息。每個人都在心里默默地問自己：做這件事到底有沒有意義？

為了讓首臺國產醫用重離子加速器成功落地，研究團隊決定轉換思路。

2012年5月2日，投資16億元的重離子腫瘤治療中心終于在甘肅省武威市榮華生化工業園區開工建設。這標志著惡性腫瘤治療中心正式落戶甘肅武威，重離子治癌技術研發也從基礎研究向民生應用邁出了實質性的一步。

4 艱難起步，初具雛形

武威位于甘肅省中部，地處河西走廊東端。它是絲綢之路經濟帶甘肅段的重要節點城市，也是國家歷史文化名城。

然而，2012年武威重離子中心剛開始建設時，還只是一座孤零零矗立在荒漠中的大樓。除了黃沙，四周就是無盡的曠野。

在武威城東、騰格里沙漠南緣這片不毛之地，建設者們面臨著環境惡劣、經費緊張、團隊力量薄弱等諸多挑戰。然而，堅韌的他們卻像釘子一樣，深深扎進這片荒涼的土地，用毅力和智慧克服了一個又一個困難。

他們自創了“三級衰變涼水塔回用”技術，成功實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問題，還妥善解決了風沙大、潔凈度超標的難題。

對于近代物理所副所長楊建成來說，那段日子刻骨銘心。“最初的工作環境異常艱苦，我們只能擠在泡沫板上勉強休息。”

安裝調試重離子治癌裝置的團隊里有幾十位科研人員。調試初期，進展不盡如人意，而裝置精度要求很高，每個細節都考驗著他們的耐心和智慧。

以磁場精度為例，磁鐵參數要達到萬分之二的均勻度，而當時研究團隊只能達到萬分之三。離子在加速器中一秒大約跑300萬圈，如果精度不符合要求，離子束每一圈都會跑偏，在300萬圈之后，離子束就不能擊中靶心。

科研人員反復對部件進行調整，經過長達半年的努力，終于達標。團隊成員所有的疲憊和煎熬在那一刻都煙消云散。平時并不喜歡拍照的楊建成，當即用照片記錄下了這個歷史性的突破瞬間。

我國第一臺擁有自主知識產權的醫用重離子加速器裝置正式誕生，科技力量在這片荒涼的土地上生根發芽。

5 布局全國，走向市場

2018年11月6日，醫療團隊負責人輕輕按下按鈕，首臺國產醫用重離子加速器裝置正式開始治療第一例患者。

“我們避開了國外設備的技術專利，設計了一套獨特的回旋加速器與同步加速器組合結構。這種結構將整個加速器的周長縮短至56米，而同一級別的歐洲醫用加速器周長達75米，日本加速器的周長也有62米。”楊建成告訴記者，細節決定成敗，在大型醫療器械建造中更是如此。

2015年12月底，武威重離子醫療裝置建成出束。這臺裝置超過95%的零部件都是國產的，不僅性能、品質與進口設備不相上下，而且價格僅為進口設備的1/3，還省去了每年高昂的維護費用。

2019年9月29日，我國首臺具有完全自主知識產權的國產醫用重離子加速器裝置“碳離子治療系統”正式獲批并投入運營。截至2024年2月24日，武威重離子治療裝置已治療患者1133例，效果顯著。數據顯示，46例臨床試驗受試者的3年局部控制率達到84%。

與進口設備相比，國產重離子治療設備不僅技術先進、維護費用低、性價比高，還能提供持續的技術升級服務。當下，自主創新的重要性日益凸顯。“團隊不僅要做出醫用重離子加速器，還要做得更好，走在世界前列。”李強說。

如今，醫用重離子加速器正在多地如火如荼地建設。福建莆田的項目裝置整機調試已達到設計指標，正準備進行設備注冊檢測；湖北武漢的項目裝置主設備已安裝完畢，即將開始調試；浙江杭州的項目裝置主設備也已經入場安裝。

重離子治療對許多實體腫瘤都有顯著療效，尤其是那些不宜手術、對常規射線不敏感或治療后復發的腫瘤。隨著技術的不斷進步和研究的深入，其適應癥范圍將進一步擴大。

現有的設備數量已遠遠不能滿足我國龐大的癌癥患者群體的需求。因此，醫用重離子加速器的未來發展方向是小型化、低成本。

楊建成透露，他們正在研發的第二代醫用重離子加速器占地面積、耗電量都將大幅減少，價格也會更加便宜。他們的目標是，第二代產品的占地面積僅為第一代的1/3，耗電量減少到1/4，并融入20多項國產關鍵專利技術。

“下一步，我們可能采用超導方案，將醫用重離子加速器縮小到一個幾百平方米的房間內。”肖國青期待，未來有更多醫院配備重離子加速器，實現設備造價和患者治療費用“雙低”。

李強則有更遠的夢想：“希望我國能成為繼日本、德國之后第三個重離子治療技術研發中心，并在這個領域制定更多國際標準。”

展望未來，他們希望持續攻關重離子治療核心技術，在國際癌癥放射治療領域扎牢根基、行穩致遠。

《中國科學報》 (2024-04-15 第4版 專題)