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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