中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年12月20-22日 | 上海世博展览馆1&2号馆

医用重离子加速器的介绍

2021-06-01


2021年5月28日上午,中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科学技术协会第十次全国代表大会在人民大会堂隆重召开。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席大会并发表重要讲话。在谈及民生科技时,习近平讲到“医用重离子加速器、磁共振、彩超、CT等高端医疗装备国产化替代取得重大进展” 。其中习总书记首次提及的“医用重离子加速器”,这是一台怎样的医疗装备?


医用重离子加速器,又称碳离子治疗系统,是由中国科学院近代物理研究所(以下简称近物所)及其控股公司生产研发的世界最大型医疗器械,融合了加速器、核探测、医学诊疗等相关技术,提供碳离子束用于癌症的治疗。


医用重离子加速器由ECR离子源、回旋加速器、同步加速器、治疗终端以及束流传输线组成,拥有60余项专利(其中2项获中国专利优秀奖),采用回旋注入与同步主加速相结合的技术路线以及电荷剥离注入、紧凑型同步加速器、多治疗模式和个性化治疗室布局的独特设计,不仅突破了国外同类产品的专利壁垒,还提高了性价比、降低了运行维护成本,实现了国产重离子放疗设备零的突破。

它的出现,意味着在抗击癌症的放疗之路上,中国正式迈入了全面升级并且拥有自主知识产权的“放疗2.0时代”。

放疗1.0时代:杀敌一千,自损八百

作为一种物理治疗手段,放射治疗已有100多年历史。在“放疗1.0时代”,最常使用的射线是X射线,还会使用我们熟悉的伽马射线,它们都被称为传统放疗射线(光子放疗)。

在对抗癌细胞时,传统射线就像是一个蒙着眼睛的杀手,无法主动辨别正常细胞和癌细胞,在进入人体后实施无差别杀伤。

传统射线的这种自带属性,对于患者而言,随之而来的就是难以避免的副作用,甚至容易造成更为严重的并发症。所以某种程度上,治疗效果其实就是在“赌”,赌的是好细胞和癌细胞谁先扛不住。最可怕的是,经常出现好细胞先认怂、癌细胞的生命力却特别顽强的结果。

重离子束:21世纪最理想的放疗射线

1903年,英国物理学家威廉·亨利·布拉格William Henry Bragg发现带电粒子具有独特的物理特性,在其射线的末端沉积能量密度陡然上升,形成一个峰, 科学界称为“布拉格峰”。


布拉格峰特性的发现让科学家开始思考,能否使用粒子束来治疗癌症,通过调整、展宽布拉格峰的位置可以让粒子束在进入人体时释放极小能量,在病灶位置释放大量能量,从而达到对正常组织伤害轻微,对于实现对肿瘤的“定向爆破”。

1946年,美国物理学家威尔森首先提出利用粒子射线布拉格峰的特性治疗癌症的设想。1954年,美国加州大学劳伦斯伯克利实验室成功使用质子束治疗病患,粒子治疗成为世界各高能物理实验室的主要研究方向之一,质子束的成功增强了科学家的信心,人类开始研究质量与能量更大的重离子束。

1975年劳伦斯伯克利实验室开始世界上第一例重离子束治疗,此后,日本、德国、中国相继开展重离子束治疗肿瘤的研究,目前全球已经有超过3万例病人经过重离子治疗。经过几十年的粒子治疗研究及临床论证,认为重离子束极具有非常好的剂量分布又有很好的生物学效应,被誉为“最理想的放疗射线”。

重离子束“理想”在哪里?

那么,重离子束面对肿瘤时,哪升级了哪些技能?

技能一:杀敌不再蒙眼,精确区分敌我。

这个技能叫做独特的深度剂量分布。重离子束在穿越生物组织的过程中,沉积的剂量较小(坪区),也就是说在穿透过程中,重离子束只是路过并不施加伤害,这样的话,正常细胞终于可以不再躺枪,有利于保护正常组织和关键器官;当他到达癌细胞时,才开始放大招杀敌,就是所谓的剂量主要沉积在射程末端(峰区),这个现象就是前文提到的“布拉格峰”。

因此可以通过调节重离子的能量,使布拉格峰精确落在肿瘤处,从而进行精准杀灭,同时关爱健康组织。值得指出的是,布拉格峰现象是重离子束的自身属性,简直是射线界“天使”。

技能二:杀敌能力更强,治疗周期更短。

这个技能叫做相对生物学效应(RBE)高。重离子束进入生物组织后,在“峰区”—也就是癌细胞聚集的地方—沉积的能量密度高,能量密度高就代表着强大的杀伤力,这会使得癌细胞DNA产生双链断裂的比例较高。都双键断裂了,癌细胞再想恶性繁殖也是很难很难很难了……


重离子的相对生物学效应到底有多高呢?给个对比,重离子的相对生物学效应比常规光子射线的要高约3倍。因而,重离子束对癌细胞的“杀伤力”更大,治疗次数相应减少,从而缩短治疗周期。

技能三:对氧依赖小,敏感性更强。

这个技能叫做氧增比(OER)小。大量证据表明,肿瘤生长于特有的异常血供系统,从而导致对肿瘤细胞的供氧和养分不足,称之为乏氧细胞。然而,常规射线对于这些乏氧细胞并不敏感,如何提高瘤内乏氧细胞的放射敏感性也是肿瘤放疗的一个重要问题。

与常规光子放疗不同,重离子束对肿瘤细胞的杀伤不依赖于氧的存在。因为重离子主要是通过电离形成的高密度二次电子的电离作用导致DNA双键断裂来杀灭癌细胞,重离子的氧增比小,可用于治疗供血不足的乏氧肿瘤。

技能四:成像看得见,治癌精度高。

这个技能叫做PET在线剂量验证。重离子束与生物组织的原子核相互作用后会产生正电子发射体,利用正电子发射体层技术(PET)进行外部成像,并与治疗计划的CT图像比对,可以对重离子束照射到体内肿瘤的剂量分布进行在线验证,保证治疗的安全性。

正是以上四大技能,将重离子束控制在毫米级范围内,精确有效地杀灭肿瘤细胞,且对周围健康组织的损伤达到最小,特别是对于不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分肿瘤,均可接受重离子束的治疗。

如果用一句话概括,那就是重离子放疗精度高、疗程短、疗效好、副作用小。

因此,由于自身独特的物理和生物学特性,重离子束被认为是21世纪最理想的放疗射线,通常选用碳离子束作为重离子放疗射线。(选用碳离子是因为它的相对生物学效应(RBE)变化趋势与bragg峰一致,并且碳离子束与人体DNA以及蛋白质组织相容性比较好。)

根据国际和国内重离子治疗癌症研究数据统计显示,对于一些肿瘤,使用重离子束放疗是目前损伤最小、效果最好的手段,比如肺癌、肝癌、黑色素瘤、颅底恶性肿瘤、脊索瘤、骨与软组织肿瘤等对常规放射治疗相对不明感的实体肿瘤。根据临床试验表明,重离子放疗能有效控制分布于头颈部、胸部、腹部及盆腔的肿瘤(见下表)。

几代人心血
铸就首台国产重离子放疗设备


重离子束治疗肿瘤得以实现,难度非常大。它需要扎实的研究基础——核物理及其交叉学科的研究;还需要先进的工具——能够产生巨大能量离子束流的大型加速器装置。

近物所致力于核物理基础研究及相关应用研究,建成了多代大型重离子加速器装置。在这些装置上,近物所开展了大量的细胞试验、动物试验以及临床前期研究,摸清了重离子束流杀伤肿瘤细胞的基本原理,掌握了建设医用重离子加速器的关键核心技术,为我国重离子治癌事业的发展奠定了坚实的基础。

兰州科近泰基新技术有限责任公司更是凭借多年在加速器制造业的积累,成为重离子治癌从实验室走向市场的重要桥梁,研制并建成了我国首台具有自主知识产权的医用重离子加速器。

为了更好的推广重离子治癌技术,中国科学院控股有限公司会同中国科学院近代物理所成立国科离子医疗科技有限公司,“国科离子”将担负起医用重离子加速器产业化及市场化的重任。目前,首台医用重离子加速器已在甘肃省武威重离子医院正式临床应用,至今已完成300多例患者治疗。同时还有4台装置在建设当中,分别位于兰州、莆田、武汉、杭州。未来,国科离子将与更多省市医院开展合作,让国产医用重离子加速器造福更多患者!

文章来源:医械世界