我们为什么要建重离子加速器
科学 离子 装置
作者: 中科院格致论道讲
2020-06-04 18:45:50
[ 闻蜂导读 ] 讲者声明:本演讲涉及的所有临床案例 ,均为遵照国家相关法规开展的临床研究。武威重离子治疗装置于2020年3月26日正式运营,用于收治病人。 今天我给大家介绍的是为什么要建造重离子加速器。 我们在中学都学习过元素周期表,在元素周期表上,每一种元素都是以中性原子存在的,原子核外面有电子,如果将核外的电子剥掉,它就形成离子,也就是带正电的原子核。 自然界

讲者声明:本演讲涉及的所有临床案例 ,均为遵照国家相关法规开展的临床研究。武威重离子治疗装置于2020年3月26日正式运营,用于收治病人。

今天我给大家介绍的是为什么要建造重离子加速器。

我们在中学都学习过元素周期表,在元素周期表上,每一种元素都是以中性原子存在的,原子核外面有电子,如果将核外的电子剥掉,它就形成离子,也就是带正电的原子核。

自然界中有射线与重离子。什么是射线?比如太阳光、日光灯属于射线,还有医院使用的放疗射线,如X射线、光子等。

射线是没有质量的,在放疗时,医生用的最重的粒子就是电子,但是电子的质量很轻,而重离子的质量很重,差距明显。

比如最轻的离子(也就是质子)的质量是电子的1836倍,碳离子是电子质量的22000倍。什么是重离子?就是指它的重量而言。

将重离子加速到很高的能量,再去打原子核,做相关的科学研究,这样一个复杂的电磁装置可以简单把它理解为是一个离子大炮。

中国的重离子加速器

重离子加速器是全世界发达国家才具备的大科学装置,比如美国、欧洲、日本、德国等。

在我们国家兰州也有这么一台大科学装置,这台大科学装置是分三个“五年计划”完成的,分别是在60年代、80年代和90年代。经过这三个“五年计划”的建设,从重离子能量来看,这个大科学工程在世界上排第4位,在亚洲排第一位。

这个大科学装置能用来干什么呢?从核素图上看,元素周期表上所有的元素就是这中间的一条黑线。

横坐标是中子数,纵坐标是质子数,这条黑线叫稳定线,偏离稳定线的两边有很多核素,理论预言有8000多种,可是现在人类才发现3000多种。偏离稳定线的核素图的边界在什么地方,超出元素周期表还有没有其他元素?这是核物理学家的研究目标。

为什么要研究这样一些核物理呢?因为只有了解了这些核物理,我们才能够完善现有的核理论、核模型,最终彻底“驾驭”原子核,让原子核为人类做贡献。

在兰州就有这么一个大科学工程。“一五”时,这个大科学工程的最大贡献就是为我国两弹爆炸作基础数据研究的,在两弹爆炸之后,它的历史使命就完成了。

后来划归到中国科学院做核物理基础研究。在“十二五”期间,国家又布局了两台大科学工程,落户广东省惠州市惠东县,建设周期是7年。

第一个大科学工程叫强流重离子加速器,主要目标是解决原子核物理前沿科学问题,进一步研究原子核内部的结构,元素的起源和宇宙能量的起源。

元素周期表上,比铁轻的这些元素,在宇宙当中是怎么形成的,科学家已经把它搞得非常清楚。但比铁更重的元素,比如说金、银、铜或者是铀,即核电站燃烧的“铀”,这些元素,在宇宙当中是怎么形成的,科学家是不清楚的。我们建这个大科学工程主要是为了搞清楚类似的科学问题。

第二个大科学工程是加速器驱动嬗变装置。这个装置是干什么用的?核电站是烧的铀235这种铀材料,但核电站发电后会剩下很多核废料,现在人类处置方式是怎样的呢?就是把它浓缩,运到一个荒芜人烟的地方埋起来,埋起来之后,这个地方千年万年都不能去人。

有人做了一个预测,2030年,咱们国家的核电总装机容量有可能是全世界的总和,将会产生大量的核废料。如果都把它埋起来,那就要找很多地方,将来埋的地方越多,咱们子孙后代生存的环境就越严峻,这是一个很严重的问题。

这个大科学工程就是为了解决这件事情规划的。通过将核废料放到一个特殊炉子里,再建造一个强流的加速器产生很多的中子,让核废料继续燃烧,同时也是一个继续发电的过程。

燃烧之后,原来的毒性是千年万年的,可以把它变成几百年或者是几年,原来是几百年的毒性有可能变成几年几天,就大大减弱了毒性,就可以彻底解决这件事情。核能才会真正变成人类绿色安全的千年能源。

在交叉领域中的应用

大科学装置在科学上有它的贡献,那么对国家、社会有什么作用呢?

大科学装置是国家战略科技力量储备,是新原理、新技术、新方法、新工艺的创新摇篮,在整个大科学工程建造过程中,可以派生很多的新技术,广泛应用于国防、工农业、人民生活健康等。

首先是在航天等交叉领域的应用。天上的卫星在太空中都会受到辐射,包括北斗卫星、宇宙飞船、嫦娥等飞行器的元器件,所以它们在上天之前需要做离子检测。

如果不做离子检测,上天之后受到离子照射就有可能会发生翻转,出现控制失灵,数据、图像传不回来等情况,所以在上天之前必须经过离子的检测进行加固。

第二是核孔膜的应用。核孔膜是什么意思?就是把膜的孔做成原子尺度大小,可以做成锥形、圆柱形。它可以拿来做什么用呢?比如生病了,到医院动手术,动手术就有可能要输血。普通老百姓都会害怕输血,因为怕传染上病毒,如果用核孔膜进行过滤就有可能解决这些问题。

核孔膜还可以用来防雾霾,做纱窗和做口罩,还可以用于海水淡化,通过核孔膜过滤就可以达到饮用水的标准。

同时我们电动汽车用的电池,如果用核孔膜做电池的隔膜,就可以大大增加它的安全性和电池性能,当然还有很多其它用途。

在生物农业中的应用

此外,还有农业上的应用。大家都知道,太空辐照诱变育种,就是将种子拿到卫星上,经过太空辐照,完成诱变育种。重离子育种的基本原理也是一样的,但它有一个区别,就是重离子的突变谱非常宽,可以产生更多高产、抗病虫害、耐高寒的种子。

我们在河西走廊做了一个小麦品种,推广面积达到800余万亩,不但保持味道好,而且增产了12%。

新疆种植了大量棉花,种植面积一望无际,但每年丰收的时候,需要很多人进行采摘,劳动量非常大,非常辛苦。于是我们做了一个新品种,让棉花少长叶子,多长棉桃,并且棉桃长得更大一点,这样就可以实现高产,并方便采摘。

还有一些比较极端的情况,比如在南方种植蓖麻,可以不用长叶子,直接长蓖麻。

或者用来做花卉,也可以将叶子变成花,将花的颜色变成五颜六色,并且花的颜色可以随着春夏秋冬的温度变化而变化。

甘肃是中药材大省,用重离子辐照诱变育种,我们也做了一些新的品种,比如让党参长得更粗、更大一些,药性更厉害一些。

另外一个非常成功的案例就是甜高粱,这个高粱不结高粱,只长秆,长5米多高,比3个人都高,这个秆长得跟广东的甘蔗一样粗,但榨出来的汁的甜度是甘蔗的1.3倍。它只需要充足的阳光和很少的水分,在沙漠里就可以进行种植,并且它的产量很高,每亩可以产7吨~8吨重。

这是2015年拍摄的一张卫星照片,在腾格里沙漠,我们在这一片种植了5千亩左右的甜高粱,从卫星图上看到,它在沙漠上已经形成了一片绿洲,不但是经济作物,还可以起到防风固沙的作用,因为它的根系很发达,可以在沙漠里面扎根一米多深。

种植甜高粱也不用现成的耕地,把沙漠的沙推平,种子一撒,稍稍浇点水就可以生长。同时,我们在种植区旁边建了工厂,进行压榨,榨完汁以后,渣可以继续发酵,拿来当牲畜饲料。

这张图片就是在腾格里沙漠边上的一个养殖区,养殖了1万多头奶牛。

这是奶牛挤奶的场景,一个大厅有多个转盘,每个转盘可以容纳80头牛同时挤奶。整个过程都是在无菌环境下进行的,生产出来的奶也是无菌的,以后咱们的孩子喝奶不用再到国外买了。

在医疗领域中的应用

最后一个方面是重离子加速器在医疗领域的应用。核技术在医院已经得到广泛应用。我们到医院去看病,就会用到很多核技术。不管是拍片子,还是超声波、X光机、核磁共振、CT等都是核技术。

今天着重说的是用重离子治疗肿瘤的技术。

一般得了肿瘤,要么就是开刀,要么进行放疗、化疗。这张照片是从网络下载的一个得了鼻咽癌的小女孩,鼻咽癌也是广东易发病种,经过5个月普通的放疗和化疗,就是刚才说的轻子射线放疗,5个月以后,一根头发也没有了,眉毛也没有了,只剩下一根眼睫毛。

这是一个对比图,光子打到人的体内,它到达肿瘤区能量已经降低了,大量的能量在穿透的过程中损失掉了,破坏了大量的健康组织。

普通的放疗是用光子或者是X射线杀死癌细胞,但与此同时,它要杀死更多的正常细胞作为代价,所以它的副作用很大,头发没有了,眉毛也没有了,还有可能出现恶心、呕吐。

第二个就是质子,质子比光子要好一些,虽然它在穿透的过程中,对正常细胞也有一定的损伤,但比光子好多了。重离子穿透过程中,比光子、质子更好,它在穿透过程中对健康组织损伤是最小的。

而且质子和重离子有一个更好的好处,穿过肿瘤区后,对健康组织还有保护作用。而光子对肿瘤区后面的健康组织还有杀伤作用,这就是它们的本质区别。

这是一个肿瘤细胞的分子链图。要杀伤肿瘤,就是让肿瘤细胞的DNA分子链断裂机率更大,光子和质子让它断裂的程度较低,而用重离子可以让肿瘤细胞的DNA双链断裂,更有效地治疗肿瘤,治疗之后还不容易复发,重离子让DNA双链断裂的机率达到60%以上。

从生物学效应来看,把光子的相对生物学效应设为1,质子比它强一点,是1.1,而重离子可达到2倍~5倍。

重离子治疗肿瘤的优势是什么?

穿透力强,末端杀伤;散射很小,精准治疗;双链断裂,复发风险低。它是无创伤、没有痛苦,更不需要吃药打针,也不需要住院。

重离子治疗装备国内外的发展

重离子治疗装备在国外的发展情况是这样的。日本在90年代建造了世界第一台重离子治疗装置,造价约10个亿人民币,运行费是每年约1.3个亿人民币,治疗病例已经超过2万。

德国西门子造了4台装置,其中1台在上海医院,造价是15个亿以上,运行费也是每年1.3个亿。很遗憾,西门子现在把这个业务给停掉了。

咱们国产第一台重离子治疗装置在武威,2015年建成,它的造价约5.5个亿,运行维护费每年5千万左右,具有全部自主知识产权。为什么我们比人家的便宜呢?因为技术路线跟他们不一样。

这一台治疗装置是在今年10月份国庆日前一天得到了国家药监总局批准,也是为祖国70周年大庆献礼。

重离子临床治疗效果

接下来介绍一下重离子的治疗效果。2006年开始进行浅层肿瘤患者治疗研究,共治疗103例病人。

这个病例是一个很大的肿瘤,经过重离子治疗后3个月就消掉了。对于恶性黑色素瘤,重离子治疗具有很好的疗效。

2008年开始,我们又陆续治疗了110例深层肿瘤病人,包括肝癌、肺癌、脑胶质瘤、前列腺癌等,这些病人的疗效也非常好。

我们跟踪了很长时间,有的跟踪了3年、5年、8年,跟常规射线相比,发现局部控制率以及生存率都要高出普通放疗的30%至40%。

武威这台装置,我们在2018年11月6日开始第一例临床治疗,根据国家卫健委的要求,共治疗了46例病人。

加上前面200多个病例,把这些病例集中在这么一张人体图上,可以看出重离子治疗适用于全身,头颈部、胸腔、盆腔等。

另外还有一些对常规射线不敏感的恶性肿瘤,如黑色素瘤、脑胶质瘤、脊索瘤、各个部位的肉瘤等,用轻子射线都不易治愈,只有重离子能够有效治疗。

这46例病人,经过3个月观察,它的局部控制率达到100%,并且无一例二级以上的毒副作用。

这是北京协和医院转来的一个病人,患者是子宫内膜肉瘤,因术中大出血无法手术,送到我们这里,治疗效果很好。

这是一个头部的肉瘤,患者是动完手术后进行放疗,但又复发了。肉瘤无论是长在哪个部位,它就像韭菜一样,割掉又容易复发,但是如果用重离子治疗就不易复发了。

这是一例肝癌患者,这个肿瘤非常大,约有10公分,通过重离子治疗之后,3个月就缩小了很多。

这一例病人是皮下肉瘤,经过多次手术后复发,用重离子治疗,不但不会伤害2毫米~3毫米厚的皮肤,同时还可把肉瘤去掉,并且通过重离子的治疗,原来手术留下的疤痕还可愈合得更好。

对于重离子治疗,我们正在全国进行布局。首先东北这一块,我们准备在吉林布局一台重离子治疗装置;接下来是渤海湾区,计划在天津、烟台、大连各布局一台;在长三角区域的杭州,我们已经布局了一台,计划在南京再布局一台;福建莆田正在建造一台;还有大湾区,第一台有可能将落户深圳;在西南片区,主要是成都及重庆;中南地区有可能在湖南湘雅医院和武汉省人民医院各布局一台。

最后,以总书记的一句话作为我的结束语:“中国人的健康必须要掌握在咱们中国人自己手里。”

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