科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬
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(shí)車程,科技日?qǐng)?bào)記者來到了地處河西走廊東端的武威市。
夏日的陽光灑在戈壁灘上,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(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置(以下簡稱“裝置”)就安放于此。
“這個(gè)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,已完成1400余名腫瘤患者的治療?!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”
重離子和腫瘤治療有什么關(guān)系?這是記者向張雁山提出的第一個(gè)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(duì)常規(guī)射線不敏感等難治腫瘤的治療?!睆堁闵秸f,“簡而言之,重離子放療就是用高速束流‘轟擊’腫瘤病灶?!?/p>
他解釋,重離子束具有獨(dú)特的物理學(xué)特性,其在抵達(dá)病灶前釋放能量較少,抵達(dá)病灶時(shí),會(huì)瞬間形成名為“布拉格峰”的能量釋放峰,殺傷癌細(xì)胞。
“整個(gè)治療過程就像是對(duì)癌細(xì)胞實(shí)施精準(zhǔn)的定點(diǎn)‘爆破’,既能強(qiáng)力照射病灶區(qū)域,又不會(huì)‘誤傷’沿途正常細(xì)胞,從而實(shí)現(xiàn)療效最大化?!睆堁闵叫蜗蟮卣f,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(shí)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(gè)治療終端的運(yùn)行過程。
“從控制臺(tái)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(dòng),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)多輪加速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偈?,由治療終端射入人體?!?/p>
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€(gè)形似啞鈴的部件說,“它下面這個(gè)淡綠色圓柱體,是回旋加速器;旁邊那個(gè)大回環(huán),則是同步加速器。這兩個(gè)加速器次序運(yùn)行,最終將重離子束加速至滿足治療要求的高速束流。”
“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(gè)裝置成敗的關(guān)鍵。”張雁山告訴記者,如果束流速度與穩(wěn)定性不夠,治療劑量的準(zhǔn)確性就難以保證,療效就會(huì)受到影響。
為此,首先要做好預(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,利用磁場和電場的共同作用,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(gè)圓筒形糧倉,直徑約3米、高約2米。
“雖然個(gè)頭不大,但它能夠?qū)⒅仉x子束加速到6.8兆電子伏特/核子,速度相當(dāng)于光速的12%。”中國科學(xué)院近代物理研究所副所長楊建成介紹。
一般而言,預(yù)加速都采用直線加速器,這個(gè)加速器為什么是回旋的?
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(qǐng)了直線加速腔體結(jié)構(gòu)專利。“為了規(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。”楊建成解釋。
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‘柳暗花明又一村’?!睏罱ǔ尚Φ溃拔覀儎?chuàng)新設(shè)計(jì)出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(gè)加速器的長度。相應(yīng)地,整個(gè)裝置的建造成本也更低,間接節(jié)約了患者的治療成本。”
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’?!睏罱ǔ山榻B,“在這里,重離子束會(huì)被加速至400兆電子伏特/核子,速度高達(dá)光速的70%。”
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(gè)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(shí)散開;銀色的管子是高頻腔,負(fù)責(zé)加速重離子束?!敝袊茖W(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(gè)構(gòu)件一一介紹。
從模型上看,同步加速器不算大,實(shí)際上它卻是一個(gè)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(shí),楊建成卻說:“小型化是這臺(tái)同步加速器的突出特點(diǎn)。與德國同一級(jí)別加速器相比,其周長縮短了19米。裝置體積更小、功耗更低、占地面積更少,才更有利于在醫(yī)院推廣應(yīng)用。”
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(tái)同步加速器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穩(wěn)定可靠,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?,“一秒鐘,離子就會(huì)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(huì)偏離一點(diǎn),最終會(huì)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(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置——碳離子治療系統(tǒng)獲得注冊許可。這也意味著,我國成為全球第四個(gè)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(huì)、國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)、兩院院士大會(huì)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?!睏罱ǔ上蛴浾弑硎?,“我們正在加快建設(shè)第二代醫(yī)用重離子加速器裝置,讓先進(jìn)技術(shù)裝備更好惠及民生,造福更多患者!”