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近物所重离子物理及应用研究浅谈[量子分子动力学之家]
近物所重离子物理及应用研究浅谈
 更新时间:2010/11/6 13:08:30  点击数:2828
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(摘自中科院近代物理研究所)

重离子物理——原子核物理发展的新阶段

原子核物理是研究核的性质、结构、运动规律及其相互作用的一门学问。原子核的尺度为10-14米数量级,比它大一些的原子、分子是原子物理、分子物理的研究对象,组成原子核的基本粒子是高能物理的研究对象。一百多年来,原子核物理的基础和应用研究取得了辉煌的成就,从20世纪40年代起人类就进入了原子能时代。

人们研究原子核的一种有效手段是用能量较高的粒子(即弹核)来轰击原子核(即靶核),使靶核变成另外一种原子核,这个过程称为“核反应”,就象要知道核桃的内部结构,得用锤子敲开核桃一样。由于靶核带正电,而入射粒子大多也带正电,因此入射粒子必须具有一定能量才能克服库仑斥力打到靶核上发生核反应,利用各种探测器探测核反应产物来研究原子核的内部结构及其运动和变化的规律。最初,研究原子核用的是轻粒子,比如质子、氘、天然放射性物质放出的α射线等。为了增加入射粒子的种类,提高其能量,粒子加速器应运而生。加速器就是利用电磁场提高带电粒子能量的装置。为满足研究发展的需要,人们研制了技术指标(加速粒子的种类、能量、束流强度和品质等)越来越先进的各种结构的加速器。核物理发展的历史表明,加速器是研究原子核的利器,研究原子核离不开加速器,加速器的发展促进了核物理研究。

1960年代以来,随着重离子加速器、核探测技术和数据获取及处理技术的发展,国际原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域——重离子物理。在相关交*学科,如原子物理、分子物理、辐照材料、辐射生物及医学、核天体物理等领域,重离子束亦显示出日益重要的应用前景。

当原子失去一个、多个或全部核外电子时就变为离子,元素周期表上3号元素锂及其以上元素的原子失去一些核外电子时就变成重离子,重离子就是质量较重且带正电的离子。用重离子加速器加速的重离子束来研究原子核,就形成了重离子物理。如果说,入射的轻粒子象“子弹”的话,那么重离子就是重镑“炮弹”。用重离子重镑“炮弹”轰击原子核比轻粒子引起的核反应能产生更多的核信息。极而言之,用最重的铀离子轰击铀靶的核反应产物可达上千种,这就极大地丰富了核物理研究的内容。进入1960年代后,国际上兴起建造大型重离子加速器的热潮——由改建到新建,由加速部分离子到加速直到铀的全离子,由低能、中能进而到高能,发展非常迅速。

为了开展我国的重离子物理及应用研究,中科院近代物理研究所在上世纪七十年代初将原1.5米回旋加速器改造成能加速碳、氮、氧离子的重离子加速器,在我国率先开展了低能重离子物理及其应用研究。1988年12月,近物所负责设计建造的兰州重离子加速器(HIRFL)建成出束,成为我国能量最高的中能重离子研究装置。HIRFL由改建的注入器——磁极直径为1.7米的扇形聚焦回旋加速器、新建的主加速器——能量常数为450的大型分离扇型回旋加速器、前后束流输运线、8个实验终端、数据获取及处理系统等组成,主要技术指标达到国际先进水平,用以开展了远离稳定线新核素合成和研究,中低能重离子碰撞和热核性质研究,重离子束在材料科学、生物技术等方面的应用研究,取得了以新核素合成、重离子浅层治癌为代表的一系列重要成果,使我国进入国际重离子物理研究的先进行列。

1991年8月,原国家计委批准成立兰州重离子加速器国家实验室,向国内外开放。迄今,HIRFL已经为一百多个国内外用户提供了实验条件。国家实验室与一些大学、科研单位、医疗单位合作,成立了原子核理论中心和多个实验研究小组,开展了多学科合作研究与学术交流,培养了大批研究人才。

作为HIRFL的续建项目,兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)国家重大科学工程于2007年全面优质建成,2008年7月通过国家验收并正式投入运行。CSR由主环、实验环、放射性束分离器、实验探测装置等主要部分组成,具有把质子到铀的全离子加速到中高能的能力,是一个集累积、冷却、加速、储存、内外靶实验及高分辨测量于一体的多功能实验装置。CSR在技术上实现了诸多方面的创新和突破,性能指标达到国际先进水平,是我国高科技领域取得的又一重大成果。CSR建成后,为重离子核物理、放射性束物理、高离化态原子物理、高能量密度物理等基础研究和重离子束在航天、材料、医学、生物等领域的应用研究取得重要突破创造了先进的实验条件,很快取得了短寿命核质量精确测量、重离子临床治疗深层肿瘤等重要成果。

超重新元素合成是当前重离子物理的一个热点

重离子物理的一个前沿领域是超重新元素的合成和研究,这是具有原始创新意义的重大基础性研究课题。

核素就是原子核,每种元素及其同位素的原子核通称核素。大家知道,原子核是由质子和中子组成的,那么,质子和中子是否可以组成无穷多种的原子核呢? 回答是否定的,目前,核理论家们预言最多可以组成七八千种核素。现在,自然界存在的稳定的原子核只有280多种,科学家们利用加速器人工合成了2200多种不稳定的放射性核素。人们通常采用融合裂变反应来合成新核素,具体过程是,按照欲合成的目标核(新核素)设计实验,确定反应几率较大的弹靶系统,用选定的重离子“炮弹”轰击重靶,当弹核和靶核发生质心碰撞时,会融合成一个极不稳定的较重的原子核并随即发生裂变,经一次或多次衰变后成为稳定核。在其衰变过程中,通过鉴别确认目标核的存在并精细测定其寿命及衰变性质,即可确认合成了一种新核素。在有些情况下,一次实验可以合成和鉴别多种新核素。

1960年代,核理论家们根据原子核壳层结构的理论模型,预言在质子数为纵坐标、中子数为横坐标的核素图上,质子数为114~126、中子数为 184的附近存在一片寿命较长的核素,这就是超重元素稳定岛。从此,超重核即103号以上元素的合成及鉴别成为研究热点。美、俄、德、日等科技发达国家的一些著名实验室,一直以巨大的热情进行超重新元素合成的探索性研究。这是因为超重元素的合成关系到一系列重大的基本科学问题,例如检验原子核壳层模型,元素的存在是否有上限,它们的寿命有多长,稳定性如何,超重元素核外电子如何排列,其化学性质是否符合元素周期表的外推?等等。超重新核素对化学家来说将有新的化合物产生,对材料学研究将打开新材料的大门,对原子物理学家预示着有新原子的产生,对工程师来说可能有新燃料出现。超重元素的合成是研究原子核质量上限的唯一途径,具有极大的技术难度,不仅具有重大的科学意义,而且也是衡量一个国家科学水平的重要标志。几十年来,在该领域不断取得重要进展,特别是近十年更是突飞猛进,不但合成了110、111和112号元素,而且将超重元素的合成推进到了113号、114号、115号和116号元素,近来又先后合成了118号、117号超重新元素。这些重大的科学成果不但在核物理学界,而且在整个科学界都产生了巨大的影响,同时也使得超重新元素的合成再度成为国际上具有重大挑战性的研究热点。

1992年以来,近物所在新核素合成与鉴别以及高自旋态核结构研究方面取得一些重要成果,初步具备了开展超重元素合成及研究的能力。近物所在重质量丰中子区等5个不同核区,一共合成和鉴别了25种新核素并研究了其衰变性质,占百年来人工合成新核素总数的1%,特别是其中包括259Db(Z=105) 和265Bh(Z=107)两种超重新核素,使我国新核素合成研究进入了超重区。在中重核区近质子滴线核性质研究方面,利用质子-γ符合技术,观测了22 种核的β缓发质子衰变,首次建立了15种近滴线核的EC/β+衰变纲图。在高自旋态核结构研究方面,建立了14种核的高自旋态能级纲图,扩展了其它18种核的高自旋态能级纲图。只要我们将理论与实验结合,在理论上发展较为完整的理论模型,更好地预言有利于超重元素合成的反应系统、轰击能量及反应截面(几率),在实验上总结国外实验设备的优点,并参考理论预言的超重元素的寿命和衰变模式,建立一套独具特色的先进的用于超重核素分离的谱仪和一套鉴别超重新元素的探测设备,我国极有可能在超重新元素的合成和研究工作中取得重大突破。

放射性束物理——原子核物理发展新的里程碑

1980年代中期以来,美、法、德、日等国实现了放射性核束的产生和应用,开辟了放射性束物理这一新的前沿领域,发现了一批中子晕核、质子晕核和新的核衰变模式,对传统的原子核壳层结构理论模型的普适性提出了疑问,拓广和深化了核物理研究的领域和内容,成为核物理发展的又一个里程碑。

什么是放射性束物理呢?我们知道,重离子加速器通常只能加速稳定核或寿命很长的放射性核,用这种初级离子束打靶时,会发生各种核反应,产生大量的次级产物,这些次级产物大多具有放射性,因而称作放射性核束。放射性核束的产生有几种不同的方法。如果初级束的能量足够高,会与靶核发生弹核碎裂反应,我们通过复杂的分离和鉴别技术,选择其中能量较高、强度(单位时间、单位面积上通过的离子数)较大的次级放射性核束再来打靶做实验研究,就形成了放射性束物理。以碳离子为例,加速器只能加速稳定的碳-12(6个质子和6个中子组成)离子,而用重“炮弹”打重靶,产生的次级放射性束可以有碳的各种放射性同位素的离子,如丰(多)中子的碳-13、14、15、……,缺中子的碳-11、10、9、……这就使“炮弹”的种类大大增加了。放射性束物理的发展非常迅速,国际上凡有大中型重离子加速器的实验室都改建或新建了放射性束物理研究装置,开展了放射性束物理研究,发现了原子核一系列全新的物理现象,如存在中子晕、中子皮、质子晕、质子皮等奇异结构及与之相联系的新的运动规律,期望由这种核物质的奇异结构得到更具普适性的核结构模型;用放射性核束合成和鉴别了几百种新核素,从而使新核素的合成及研究深入到一个新的层次,用其合成和研究超重新元素成为核物理研究的一个热点;可高精度测定一些同位素尚未被测定的质量等基本核参数,使各种原子模型面临前所未有的检验;等等。

为了不失时机地开展我国的放射性束物理研究,近物所在兰州重离子加速器上及时开展预先研究之后,仅用了20个月的时间,就高质量地于1997年7月建成了一条中能重离子放射性束流线(RIBLLI)。它由放射性核束的产生、分离、鉴别、聚焦系统和核反应靶室等组成,全长35米。其设计集中了国际上当时已有的4台放射性束物理研究装置的优点,采用了创新的结构设计,极大地提高了对放射性束的接收能力和分辨能力,是一台具有国际先进水平的放射性束物理研究装置,不仅能产生多种短寿命放射性束,而且还能进行有相当高精度的短寿命放射性束物理实验。近物所在RIBLLI上发现了一批重要的中子皮核、中子晕核和质子晕核,合成和研究了质子滴线区核素磷-25。2003年日本理化学研究所(RIKEN)在RIBLLI上完成了两轮中能放射性束物理实验,获得一些重要的实验结果。

兰州重离子加速器冷却储存环的科学意义

1990年代初,随着国际重离子物理特别是放射性束物理的发展,近物所经过广泛调研,提出了在兰州重离子加速器上续建冷却储存环(HIRFL- CSR)的方案,并经过多次论证和优化。这个方案,将放射性核束与高品质稳定核束技术相结合,将重离子束能量提高到高能低端,在总体设计上确保了CSR在未来一二十年的国际先进性。

“储存”是什么意思呢?简而言之,在有储存环加速器之前的加速器加速的离子(重离子、α粒子和质子)打靶都是“一次性”的,即与靶核发生核反应,研究人员通过探测反应产物来研究原子核;或者入射离子湮没在靶子里,用以研究新材料、培育作物优良新品种,等等。如果我们用的是很薄的气体靶,入射离子打靶之后,有些离子的形态即能量、方向基本上没有什么变化,让这些离子通过偏转磁铁改变运动方向,比如偏转22.5○,那么,16台这种磁铁沿同一方向偏转,就可以使这些离子偏转360○,即可以回过头来第二次、第三次、……打靶。这样循环往复,每秒钟可以打靶几百万次、上千万次,相当于把离子“储存”在这种环形加速器的真空管道当中了,达到了提高实验亮度的目的。当然,这些离子是有一定储存时间的,由于各种原因,它会逐渐损失一部分,我们可以每过一段时间重新注入补充束流。这就是“储存”最基本的概念。

“冷却”就是在环形加速器的某个直线段中,引入一束能量非常单一、准直得非常好的电子束,我们调节电子束的速度,使其与原来在真空管道中运行的重离子束的速度相等,这时电子与重离子相对静止,相当于重离子处在与其同方向同速度的电子云雾之中一起运动,通过近距离的库仑相互作用,电子吸收了重离子的横向动量,同时压缩了重离子束团的纵向长度。从热力学的观点来讲,相当于温度很低的电子把温度很高的重离子束冷却了,使其动量分散大大降低,占据的相空间变小,从而可以腾出空间储存更多的重离子束团。另外,在储存环中还可以利用高频系统将重离子进一步加速,即在两个电极间施加交变的高频电压,同步改变高频频率,使其与离子在储存环内的回旋频率相等,从而使得储存环内的离子每经过一次电极就获得一次加速。总之,通过重离子冷却储存环可以进一步提高重离子束的能量、束流强度和品质。以上是重离子冷却储存环最基本的工作原理,而实际所涉及的技术是相当复杂的。

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)作为国家“九五”重大科学工程,2007年建成并投入运行,2008年7月通过国家验收。CSR 由主环CSRm、实验环CSRe、放射性束分离器(RIBLLⅡ)、实验探测装置等主要部分组成,其超高真空束流管道总长约500米、总重1430吨的各类高精度电磁铁220多台、大功率特殊电源近300台,是一个集累积、冷却、加速、储存、内靶实验及高分辨质量测量于一体的大型多功能实验装置,可提供质子到铀、单核子能量直到1000兆电子伏量级的重离子束,技术指标达到国际先进水平。HIRFL-CSR的建成,是我国高科技领域的一项重大成果,成为继德国GSI之后国际上又一个大型重离子冷却储存环装置。

在工程建设中,科技人员开拓创新、奋力攻关,掌握了全部核心技术,自主研制的设备达到80%以上,高质量完成了设备安装和联合调束;实现了多项创新和突破:建成独特的级联回旋加速器和双冷却储存环的耦合系统,创造性地实现了变谐波同步加速,大幅度提高了重离子束的能量、流强和品质,创造了国际同类加速器多种典型重离子束流强度的最高记录;研制成功能产生“空心”电子束的新一代电子冷却装置、大功率高精度电磁铁、纳秒量级大功率Kicker电源等特殊电源、大型10-12毫巴超高真空系统、高性能网络数字化控制系统等关键设备,为胜利建成CSR奠定了坚实的基础。

HIRFL-CSR的建成,拓宽了HIRFL的研究领域,形成了一个以重离子物理为核心的学科群,既可开展对微观世界的强子、原子核、原子、分子、团簇,到宏观世界的等离子体、固体、生物体、天体进行深入认知的基础研究,又可开展能源、材料、航天、生物、医学等领域的应用基础研究和应用研究,提高了我国相关科技领域的自主创新能力。CSR投入运行后,其建设效益迅速显现,近物所在等时性模式运行的实验环上进行的短寿命核质量测量实验,精度达到 10-6量级的国际先进水平,国际原子质量评估中心的工作将逐步移交到这里;经过精心调试,主环实现了高能重离子束的主动变能量慢引出,用以临床试验治疗深层肿瘤取得成功,使我国成为世界上第四个实现重离子治癌的国家。

HIRFL-CSR工程培养和锻炼了一支能打硬仗的优秀青年创新团队,创造了极高的性能造价比,提高了我国特别是西部相关装备制造业的技术水平。 CSR工程获得了国内外专家的高度肯定,这支科技队伍还被选拔为建在德国的重大国际合作项目——反质子与离子加速器(FAIR)大科学工程重要的合作伙伴,承担了大批关键设备的研制任务,目前进展良好。

重离子束治癌是当前最理想的放疗方法

癌症防治是关系到人类生存的重大问题

恶性肿瘤——癌症是常见病、多发病,是对人类健康危害极大的疾病。2000年全世界癌症患者总数约2500万,其中新增病例约1100万、死亡人数约700万。我国的情况更为严重,全国每年因癌症死亡人数约140万,占死亡总人数的1/5,高居各种死因的第一位。近几年我国每年新增癌症患者约200 万,并且仍在以每年1.3%的速度递增。国家对此高度重视,“开发重大疾病防治技术,提升国民健康水平”已列入国家“十一五”科技发展规划的重点任务。

癌症的常规放疗

为了有效地控制癌症的蔓延和发展,人们采用了手术切除肿瘤、化学药物治疗、免疫疗法、中药疗法及近年正在研究的基因疗法等各种治疗手段,放射治疗也是其中比较有效的手段之一。据统计,经不同方法治疗的癌症患者5年存活率已达45%以上,其中有4成是经过放疗的。近年来,癌症放疗的治愈率和有效控制率明显提高,使某些早期局部性肿瘤获得根治。预测今后几十年放疗还将是治疗肿瘤的主要方法,因为放疗对癌症所在部位的器官及其功能的保留有重要意义。

长期以来,常规放疗采用电子、X和g-射线等轻粒子射线,它们在治疗某些肿瘤时表现出较好的疗效,但由于它们物理和生物特性的缺陷,在杀死癌细胞的同时,周围健康组织也受到较大损伤,造成了明显副作用,甚至出现一些并发症。这是因为轻粒子射线进入人体后,剂量主要损失在浅层,随着射程增大而逐渐减小,到达病灶时,剂量已经不足以治疗肿瘤,γ刀是用多束(最多超过200束)γ-射线从不同方向同时照射,以凑足治疗必需的剂量,其结果对正常组织会造成很大的伤害。尽管对放疗设备进行了非常严密的设计,但肿瘤周围的正常组织和器官仍受到相当剂量的照射。为了避免肿瘤周围正常组织(特别是对放射线敏感的重要组织和器官)受到不必要的损伤,有时不得不把总剂量减低,以致肿瘤区得不到足够的照射剂量,因此极大地降低了肿瘤的治愈率。据统计,在所有的常规放疗病人中,约有1/3病人局部肿瘤未控。另有报告,在美国每年有10万病人由于局部癌瘤未控而导致治疗失败。

重离子治癌的优势

随着科学技术的发展,人们发现利用重离子束在人体中的剂量损失集中于射程末端的物理学特性和高的相对生物学效应治癌时,与常规轻粒子放疗相比,具有突出的优点,适用于其它放疗方法难治或复发的未扩散局部肿瘤。德国重离子研究中心(GSI)对颅底瘤的治愈率达到85%~100%的高水平,都归结于重离子束在物理学、生物学和医学上的一系列独特的优势:

(1)重离子束在人体中的剂量损失集中于射程末端,在深度剂量分布曲线上形成一个尖锐的Bragg峰,其半高宽(半极大值处的全宽度)只有毫米量级。通过调节入射离子的能量和方向,可使Bragg峰准确地落在肿瘤靶区,因而对健康组织的不利影响很小;

(2)在重离子Bragg峰区(肿瘤靶区)具有高的相对生物学效应,使细胞的致死效应几乎不受细胞周期的影响,对常规射线不敏感的乏氧癌细胞也有很强的杀伤作用,而且导致癌细胞DNA发生双键断裂的几率很高,造成的损伤几乎不能修复,因而重离子的治疗效果最佳;

(3)重离子束侧向散射小,能量沉积的范围精确,而且剂量边缘清晰,有利于毫米量级的精确治疗;

(4)通过调节入射离子能量和偏转磁铁导向束流,可实现束流三维扫描的适形和调强治疗;

(5)应用PET(正电子断层扫描)相机监测碳离子贯穿组织期间发生核反应产生的正电子发射体核素的正电子湮灭辐射,可在线监控照射束流的动态,包括重离子在体内的射程和照射剂量;

(6)重离子治疗的疗程短,病人无痛苦,几乎没有任何毒副作用。

由于重离子治癌的以上优势而被国际上誉为21世纪最理想的放疗方法,引起许多国家政府和相关领域科学家的重视。目前世界上凡有中高能重离子加速器的国家都无一例外地开展了重离子治癌研究,并兴起了建造重离子治癌专用装置的热潮。

重离子治癌装置的建设投资及其运行维护费用相对较高,资金回笼周期较长,因而需要政府及社会力量的大力支持。其实,重离子治疗费用并不算高,从国际上已成功取得国家医疗许可的一些单位的治疗收费来看,重离子治疗的总体费用与所在国传统的手术和化疗费用基本持平,在德国平均约2万欧元,在日本约为 310万日元。如果考虑到病人在传统方法治疗中的辅助治疗以及肿瘤转移后再治疗的费用和患者所消耗的时间,而重离子治疗的病人基本上不用住院,不需辅助治疗,在接受治疗期间可以象正常人一样从事日常的工作、学习和生活,疗程又短,重离子治疗的总体费用实际上是降低了。而且,重离子治疗的患者至今没发现明显的并发症,因此很容易为广大病人所接受。在总体费用不增加的情况下,病人更容易接受这种无创伤和基本无痛苦感的重离子束治疗方法。

重离子治癌的国内外动态

1954年,美国著名的劳伦斯-伯克利实验室(LBL)利用回旋加速器开展了质子束治疗临床试验研究,在此基础上于1975年利用其高能同步回旋重离子加速器BEVALAC开始进行重离子束治疗临床试验研究,使美国成为世界上第一个实现重离子束治癌的国家。到1992年底BEVALAC关闭之前,主要用氖离子束治疗了430多例患者,取得了很高的局部控制率。目前,位于加利福尼亚州的Touro大学正在建造美国第一个重离子治疗中心。

日本于1993年在国立放射线医学综合研究所(NIRS)建成了一台重离子同步加速器(HIMAC),专门用于重离子束治疗及相关放射生物医学研究。1994年6月第一批患者在HIMAC接受了碳离子束治疗,到2009年底已累计治疗肿瘤患者5196例,其中头颈部肿瘤、非小细胞肺癌、原发肝癌、前列腺癌、宫颈癌、软组织肉瘤等的3年局部控制率一般在63%~80%之间,个别的为50%、100%,而在所有治疗的患者当中均未发现明显的并发症。受 HIMAC治疗结果的鼓舞,日本于1996年在兵库(Hyogo)开始兴建另一个专门用于治癌的带电粒子治疗装置(PATRO),于2001年和2002 年分别开始质子束和碳离子束的临床治疗;在群马大学建造的亚洲第一台小型化重离子治癌专用装置,已于2010年3月投入使用,已治疗10名患者。日本政府计划在5年内建造10台医用重离子加速器,并规划在全国建造50~60台重离子束治疗专用装置。

在德国,重离子束治疗装置HITAG已于1996年在德国重离子研究中心(GSI)建成。GSI借鉴了美国LBL氖离子束及日本NIRS碳离子束治疗的特点和经验,开发了先进的栅扫描束流配送系统、在线正电子发射断层术(PET)和面向生物学效应的治疗计划系统,实现了重离子束的调强治疗和束流的在线监控。1997年12月到2007年12月,GSI共收治颅内肿瘤患者400多例,总体疗效非常显著,其中对脊索瘤的3年局部控制率达到81%,对粒状肉瘤的3年局部控制率为100%。在开展临床试验研究的同时,GSI联合德国癌症研究中心(DKFZ)在海德堡建造了一台专门用于治疗的离子束加速器,2008年起进行患者治疗,预计年治疗患者1000~2000例。

欧洲其他一些有大型重离子加速器的国家(如法国、意大利)和目前尚无重离子加速器的国家(如比利时、瑞士、奥地利等),正在单独或通过欧共体联合等方式,酝酿筹建用于肿瘤治疗的重离子加速器。2002年底,意大利政府批准在米兰南部的Pave建立国家强子治疗中心,包括质子和重离子束治癌。欧洲目前共布局建设10多台,并计划按每500万~1000万人口布局一台治疗装置来推广重离子治癌技术。

我国山东淄博万杰医院于2001年从比利时引进IBA质子加速器,2004年底正式开始治疗病人,已治疗近千病例。上海于2009年1月与德国西门子公司签订了引进重离子治癌装置的合同,在复旦大学肿瘤医院建设重离子/质子治疗中心,同年8月正式动工,计划3.5年建成。

兰州的重离子治癌研究和临床试验治疗

中科院近代物理研究所从1990年代初起在国家攀登计划等科技项目的支持下,利用兰州重离子加速器(HIRFL)提供的中能重离子束,开展了放射生物学、医学物理实验研究、技术攻关和动物试验,为临床研究积累了必要的基础数据并做了各项准备。与此同时,近物所负责设计建造的兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)大科学工程,在攻克一系列技术难关之后,于2005年基本建成,所掌握的核心技术大部分可用于重离子治癌专用装置的研制。 2005年和2008年在HIRFL及CSR上分别建成了浅层(深度小于2.5厘米)和深层(深度大于2.5厘米)两个治癌实验终端及其专用束运线, 2006年11月至2009年8月,与兰州军区总医院、甘肃省肿瘤医院等密切合作,利用中高能重离子束临床试验治疗了10批111例浅层和深层肿瘤患者,疗效非常显著。对大多数患者而言,经一个疗程照射治疗(10天左右,每天一次,每次不到10分钟)结束时,肿瘤体积缩小40%~60%;后来的随访表明,1个月后肿瘤缩小60%~80%;3个月后瘤体基本消失,而且患者局部及全身始终未出现明显的毒副作用,皮肤和血常规检查也未出现明显的毒副作用。前面试验治疗的100个病例中,除软组织肉瘤的2年局部控制率为85%外,其余10多种肿瘤的2年局部控制率均在90%以上。这些患者绝大多数是外科手术和常规放疗无法治疗的病人,其中年龄最大的88岁,最小的10个月。兰州重离子治癌的显著疗效在全国各地引起很大反响,许多大中城市的政府、医疗单位、有关企业向近物所表达了建设重离子治癌专用装置的意向。为此,近物所一方面积极申请国家、中科院和省市重大科技项目,深入开展重离子治癌机理研究和临床治疗技术研究,努力提高治疗水平;另一方面,利用在建设HIRFL-CSR大科学工程过程中攻克的关键技术,制定了小型紧凑、医院适用的重离子治癌专用装置设计方案,并进行了多次优化,为实现治疗装置产业化奠定了基础。在中科院和省市政府的大力支持下,2009年7月兰州市政府、甘肃盛达公司和近物所三方共建我国第一个拥有自主知识产权的兰州重离子治疗中心的协议正式签署;同年12月签订装置研制合同,启动了第一台小型重离子治疗装置的研制;经过积极筹备,2010年1月举行了重离子治疗中心开工仪式,计划3年建成。

我国重离子治癌的产业化前景

重离子治癌技术的发展目标是提高治疗水平、扩大治疗适应症、降低治疗成本,最终目标是实现重离子临床治疗和治疗装置的产业化,使更多的患者受益。

近物所重离子治癌装置的设计方案,采用周长约60米的同步加速器作为主加速器,小型回旋加速器作为注入器,高电荷态ECR源作为离子源,主要加速碳离子和质子,碳离子的单核子能量达430兆电子伏,在人体中有30厘米以上的射程,最深的肿瘤都可以照射到;首批建设4个治疗终端,可根据患者肿瘤的位置,选择从水平、垂直、水平+垂直等不同的方向照射治疗。该设计方案的优越性在于:(1)近物所拥有方案所涉及的同步加速器、回旋加速器、ECR离子源的自主核心技术,技术水平处于国际前列,有的国际领先,因此技术上不存在不可逾越的障碍;(2)该方案的性价比高,在性能指标与国外装置相当的情况下造价最低,具有很强的国际竞争力。

目前,我国每年新增肿瘤患者约200万例,其中60%患者需要做放射治疗。在放疗患者中,如果有一半的患者更适于做重离子治疗,加上原有可以做重离子治疗的患者,这样,每年共计约100万例患者可以用重离子束进行治疗,服务社会的潜力很大。

重离子治癌技术产业化的效益主要体现在3个方面:(1)按照每台装置每年治疗1000-2000例患者、对每个患者平均收费15万元估算,每台装置的年毛收入约为1.5~3亿元;(2)按照500~1000万人口需要配置一台重离子治疗装置的国际通用算法估算,我国将会有数百台上千亿元的重离子束治疗装置的市场,前景非常广阔;(3)对我国大型医疗装备制造业来说,可以提高自主创新能力,形成新的产业增长点,这对调整产业结构和促进产业繁荣具有重要的意义。

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