医用重离子加速器——同步加速器。近代物理所供图
“我怎么也没想到癌细胞很快就消失了，特别感谢重离子治疗技术。”来自甘肃省兰州市的一名癌症患者张先生告诉《中国科学报》，去年经专家介绍，他抱着试试看的心态参加了重离子治疗，经过几次治疗后到医院复查，发现癌细胞已经消失。这名患者康复的背后除了与死神抗争的医护人员外，还有一群来自大西北的科学家。他们在国际最尖端的领域，实现了“零”的突破。
2023年，在第三届全国创新争先奖表彰名单中，就有来自中国科学院近代物理研究所(以下简称近代物理所)的医用重离子加速器研发及产业化团队。
历经30年，该团队实现了从大科学装置到大型高端医疗设备的跨越，研发并建成了我国首个具有自主知识产权的医用重离子加速器并投入临床应用，走出了一条从基础研究到技术研发再到产品示范，最终实现产业化推广的全链条自主创新之路。
医用重离子加速器研发及产业化团队合照。近代物理所供图
从“零”开始，造国产“大飞机”
1993年，在甘肃省天水市举行的一次学术会议上，科研人员提出开展重离子治癌技术基础研究方面的设想。
重离子治癌最早由美国人提出并实施，并于1975年在劳伦斯伯克利国家实验室用氖离子治疗了第一个病人。
1994年，日本国立放射线医学综合研究所基于美国的重离子治癌研究，开始将千叶医用重离子加速器产生的碳离子用于临床。这是世界上第一个医疗专用的重离子加速器设备。德国也紧随其后开始重离子治癌的相关研究，并于1997年开始临床试验研究。
为何各国都如此重视重离子治癌的相关研究?因为重离子治疗设备被称为“癌症杀手”。
重离子经过加速器加速后会直抵病灶，然后集中释放能量，从而达到消灭癌细胞的目的。此外，重离子辐射导致癌细胞DNA双链断裂的概率更高，更能防止癌细胞残留和复发，且对正常组织的毒副作用小，可有效缓解患者放疗的痛苦。因此，重离子放疗是目前国际上公认的先进放疗方法之一。
如何从“零”快速追赶国外研究进展并实现国产化，这对近代物理所的科研人员来说是极大的挑战。
“我们那时已经知道重离子治癌是很有用的，但是在1993年，作为科研单位研发大型医疗器械是从来没想过也没做过的事，相当于我们要从‘零’开始造一架国产化的‘大飞机’。”近代物理所原所长、医用重离子加速器产业化项目负责人肖国青告诉《中国科学报》 ，再难啃的“硬骨头”也要啃下去，因为所有科研人员为了实现国产“零”的突破，都憋着一口气。
“1995年，重离子治癌项目被纳入了国家基础性研究重大项目——攀登计划(B)项目，从国家层面做重离子治疗的一些基础研究，给我们的研究工作带来了极大的便利。”近代物理所生物医学中心医学物理研究室主任李强告诉记者。
随即，近代物理所基于兰州重离子研究装置(HIRFL)提供的中能重离子束，开展了放射物理、放射生物学以及重离子治疗技术的研究和探索。
从1993年启动重离子治疗生物医学研究和临床治疗的前期技术研究后，历经13年，他们终于获得突破。
2006年，在攻克所有关键技术以及安全性问题后，中国科学院院士、近代物理所原所长詹文龙决定率领团队申请前期临床试验研究。
“我们基于HIRFL提供的中能碳离子束治疗了一些浅表肿瘤，以观察疗效如何。”李强表示，这对于接下来的研究意义重大。
同年，团队利用重离子治疗技术对4例癌症患者进行了国内首次前期临床试验研究，使中国成为世界上第四个成功进行重离子临床治疗的国家。
从2006年到2009年，团队和当地医院合作，共做了103例浅表肿瘤患者的前期临床试验研究，发现疗效不错。但重离子治癌的最终目标是将重离子按照既定尺寸打进身体里，治疗深部肿瘤。
2009年基于新建的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)，利用其提供的高能碳离子，团队决定进行深部肿瘤前期临床试验研究。
“从2009年至2013年，共有110例深部肿瘤患者接受了前期临床试验研究。与此同时，我们已经在做产业化工作了，打算做一台真正意义上的医用重离子加速器大型医疗器械。”肖国青说。
科研装置和临床应用的大型医疗器械完全是两回事，而首台设备的建设验证需要在一个资金、人才都充裕的地区开展。为此，团队在北上广寻找有意向建设医用重离子加速器的单位，但最后都因种种原因没能落地。
肖国青参加武威装置第一次临床试验。近代物理所供图
艰难探索，终破茧成蝶
“大型医疗设备需要国家卫生健康委给医院配置许可，需要考量医院的资质等，而且大型医疗设备需要获得国家药监局的医疗器械注册证，才能应用于临床治疗。这就要求科研人员转变思想，从原来的科研设备研发转为医疗器械的研发与制造。”李强说。
重离子治疗设备要求非常严格，再加上此前并无同等体量的国产医疗器械报批，因此，从样机调试、设备检测到临床试验和审批注册，几乎每项工作都在探索中艰难前进。
与多家医院失之交臂后，作为团队发源地的甘肃递来了橄榄枝。为了让首台国产医用重离子加速器成功落地，研究团队决定将重心移向武威市。
时间回到2012年，一座大楼孤零零地矗立在一片不毛之地上，这就是武威重离子中心的前身。放眼望去，周围除了荒漠再无其他，这是近代物理所加速器技术中心主任杨建成对这里的第一印象。
“最初工作的地方很艰苦，大家只能睡在泡沫板上。”作为主加速器同步环总负责人，杨建成更多关注的是如何将基于兰州重离子加速器的小型化装置——医用重离子加速器装置在甘肃武威肿瘤医院投入临床应用。
电源是否稳定、如何纠正指标错误……在安装调试阶段，问题层出不穷。
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，300万圈之后离子早已不知所终。
在武威医用重离子加速器项目开工前，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，创造属于自己的国产化治疗装置。
在团队成员夜以继日的努力下，武威医用重离子加速器于2015年调试完成，这标志着我国第一台拥有自主知识产权的医用重离子加速器装置正式落地。
“我们避开了国外设备的技术垄断，设计了一套回旋加速器与同步加速器组合的结构，其独特的结构恰好可以缩短整个加速器周长，达到56米，而同一级别的欧洲医用加速器周长是75米，日本的周长是62米。”杨建成告诉记者，细节决定成败，大型医疗器械建造更是如此。
在武威建成的首台医用重离子加速器装置，95%以上的零部件设备都是国产的，任何方面都不逊色于同类进口设备，而且装置的报价大约只有国外同类设备的1/3，也不用每年支付高昂的维护费用，因此病人的治疗成本将大大降低。
李强在医学物理实验室进行研究工作。近代物理所供图
继往开来，做引领国际的产品
“2006年11月6日，我按下了第一例前期临床试验研究患者治疗的按钮。2018年11月6日，首台国产医用重离子加速器装置开始了第一例患者的临床治疗试验。”李强告诉记者，按下按钮的感觉就像按下火箭发射钮一样。
2019年9月29日，我国首台具有完全自主知识产权的国产医用重离子加速器装置——“碳离子治疗系统”获批第三类医疗器械产品注册，并于2020年3月26日正式投入运营。
截至2023年6月底，武威重离子中心已完成超750例患者的治疗，疗效显著。跟踪统计数据显示，46例临床试验受试者的3年局部控制率达到84%。
与进口设备相比，国产重离子治疗设备不但具备技术保障好、运行维护费用低、性价比高等优势，而且可以提供持续的技术升级服务。
李强告诉记者，当下复杂的国际形势让他更加明白了实现高水平科技自立自强的重要性。他们不仅要把医用重离子加速器做出来，还要做得更好，领先国际。
“目前，医用重离子加速器已在莆田、杭州、武汉、南京、长春等地进行建设。其中，莆田项目装置整机调试满足设计指标，正在开展设备注册检测。武汉项目装置主设备已安装完毕，准备调试。杭州项目装置主设备已入场安装。”肖国青告诉记者，打破国外的垄断，将医用重离子加速器价格降下来，离不开科研团队中每一个人的努力。
“我们团队目前正在开发第二代医用重离子加速器，从占地面积到耗电量都会全新升级，而且价格会更低。”杨建成表示，第二代产品的技术在努力引领国际的同时，在绿色节能环保上也要出彩，其占地面积将是第一代产品的1/3、耗电量是第一代的1/4、国产关键专利技术达到23项。这些数据的背后是科研人员的付出。
据悉，目前重离子治疗对大部分实体肿瘤都有较好的疗效，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，如中枢神经系统肿瘤、头颈部和颅底肿瘤、胸腹部肿瘤等。随着技术不断成熟和研究不断深入，相关适应症范围也会随之扩大。
但是，现有设备还无法满足我国庞大的癌症患者群体的需求。因此，由大变小将是未来医用重离子加速器发展方向。只有将价格降下来，才能真正实现普惠性医疗。
“未来会考虑采用超导的方案，将国产医用重离子加速器放置到一个几百平方米的房间内，让每一所医院都能安置重离子加速器，实现设备造价和患者治疗费用‘双低’。这是我们追求的目标。”肖国青表示，从相关专业人员的培训，再到将国产重离子加速器推向国际市场，未来还有很长的路要走。
“我希望我国能成为国际上除日本、德国外的第3个重离子治疗技术研发中心，在重离子治疗技术上提出更多的国际标准。”李强说。
“我们的目标是让国产大装置走出国门，实现国际盈利。将所有的核心技术都掌握在自己手里，这样走在路上才踏实。”杨建成告诉记者。
杨建成在重离子加速器前。近代物理所供图
