4月22日，北京大學(xué)拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用水平束線磁鐵系統(tǒng)采購項目公開招標(biāo)信息公示：北京大學(xué)預(yù)花費985萬元采購拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用水平束線磁鐵系統(tǒng)一套。根據(jù)公示信息，該磁鐵系統(tǒng)主要為激光加速后的質(zhì)子束在水平束流線傳輸過程中提供聚焦、選能、導(dǎo)向、軌道校正、分布均勻化、掃描等功能，保證束流傳輸效率和束流質(zhì)量。
據(jù)了解，項目屬于國家重點研發(fā)計劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”專項，項目落地位于懷柔科學(xué)城核心區(qū)的激光加速創(chuàng)新中心，建設(shè)激光加速器研究平臺。該項目基于重頻拍瓦激光器的激光質(zhì)子加速器，針對腫瘤質(zhì)子治療，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、核心部件國產(chǎn)化的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)，最終完成能滿足醫(yī)院治療需求的激光質(zhì)子放療產(chǎn)品樣機，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，安裝在各大醫(yī)院現(xiàn)場，以期能夠大幅降低癌癥患者的治療費用，推動質(zhì)子治療在我國的普及。
01 十余載埋首為“加速”
首個國產(chǎn)激光質(zhì)子加速器項目
懷柔科學(xué)城激光加速創(chuàng)新中心項目占地面積近30000平方米，共分為三個區(qū)域，A區(qū)為普通實驗室，B區(qū)主要為激光實驗室，C區(qū)放置提供氮氣、真空等實驗條件的設(shè)施。項目擬建設(shè)世界技術(shù)最先進、功能最完整的激光加速技術(shù)及應(yīng)用研發(fā)平臺，包括激光質(zhì)子加速應(yīng)用研究平臺、工藝支撐平臺、激光質(zhì)子放療系統(tǒng)研發(fā)平臺等6個平臺，以及實驗室專用機房、普通實驗室機房、實驗室配套設(shè)施、研發(fā)用房等配套設(shè)施，并購買和安裝相關(guān)實驗設(shè)備。
激光加速器實驗室概況
由于項目對建筑結(jié)構(gòu)有防輻射、減震等特殊要求，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中存在筏板厚度2米，局部3米的超厚大體積混凝土工程，最大一次性澆筑方量為2708m，因此建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑尤為關(guān)鍵。工程筏板采用“跳倉法”施工，并嚴(yán)格控制混凝土配比、澆筑過程等變量，保證了工程質(zhì)量符合實驗室需求。
“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項目針對腫瘤治療需求，突破拍瓦級激光器、高對比度和高光強激光品質(zhì)控制、拍瓦級激光器高重頻自動化打靶、先進納米靶材高品質(zhì)大批量制備、百兆電子伏量級高能質(zhì)子產(chǎn)生、超高流強消色散質(zhì)子束傳輸、大能散質(zhì)子束能譜剪裁、激光質(zhì)子束治療頭、面向激光質(zhì)子束的放療計劃系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、核心部件國產(chǎn)化的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)，并開發(fā)相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)質(zhì)子放射腫瘤治療。
早在十多年前，北大科研團隊就開始在激光加速器領(lǐng)域的不懈求索。2008年，顏學(xué)慶團隊提出了激光穩(wěn)相光壓方法加速離子的原理。2010年，顏學(xué)慶從德國馬普量子光學(xué)所訪學(xué)歸來，深感中國的醫(yī)療、生物等領(lǐng)域亟需激光加速器的助力，于是著手籌備建立激光加速器實驗室。
百兆電子伏激光質(zhì)子加速器樣機
2012年，陳佳洱院士、顏學(xué)慶教授領(lǐng)銜的項目“超小型激光離子加速器及其關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”獲得國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項立項。顏學(xué)慶教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊基于原創(chuàng)的激光穩(wěn)相光壓加速新方法，以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超小型激光離子加速器設(shè)備研發(fā)為突破口, 在2012至2017五年間開展了高梯度激光離子加速器的研制工作，在攻克“高對比度高功率飛秒激光”“自支撐納米薄膜靶”“激光等離子體透鏡”“激光驅(qū)動超高流強離子束傳輸”等一系列關(guān)鍵技術(shù)后，建成國際首臺1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和電量（<2～30 pC/束團）可調(diào)的激光質(zhì)子加速器與輻照裝置。
鑒于證實了激光加速器可以實現(xiàn)束流單能性、穩(wěn)定性和可控性，實現(xiàn)了從激光加速到激光質(zhì)子加速器的關(guān)鍵性跨越，該項工作被授予2019年世界加速器物理大會Hogil Kim加速器獎。同時，這一項目也受到國家領(lǐng)導(dǎo)人的重視。2018年北大120周年校慶前夕，顏學(xué)慶匯報了激光加速器的研發(fā)和建設(shè)過程，并自豪地說：“從樣機的建造到不斷完善，并建成第一臺真正的激光質(zhì)子加速器，整個過程都是我們中國人自己完成的?！?br/>
2018年5月，顏學(xué)慶教授在“北京大學(xué)理工醫(yī)科5年成就展”上，展示了世界上首臺質(zhì)子能量可調(diào)1%能散激光加速器裝置。2019年12月，重點專項“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項目正式批復(fù)。2020年6月，項目啟動會召開，2021年5月，北京激光加速創(chuàng)新中心項目主體結(jié)構(gòu)封頂；7月，項目主體結(jié)構(gòu)完工，完成總工程量50%；計劃2022年6月竣工驗收。
02 相比大型傳統(tǒng)質(zhì)子加速器
激光加速器有哪些獨特優(yōu)勢？
自世界上建造第一臺加速器以來，人類對微觀物質(zhì)世界的認識逐步深入，基礎(chǔ)物理研究取得了巨大的成就。加速器利用一定形態(tài)的電磁場將電子、質(zhì)子或重離子等帶電粒子加速，是人們對物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)進行研究的重要工具。
加速器設(shè)備一般受到規(guī)模大、投資多和運行成本高昂制約，通常只存在于少數(shù)幾個大型國家實驗室。經(jīng)費、空間和場地的限制和有限的束流時間難以滿足腫瘤治療和高亮度X光源（如四代自由電子激光）等眾多的應(yīng)用需要。
首臺激光驅(qū)動百MeV質(zhì)子放療裝置效果圖
激光加速器的電場梯度比常規(guī)射頻加速器高三個量級以上，可以讓加速器的尺寸縮小千倍，讓應(yīng)用加速器變成“臺面大小”，不再“昂貴”、“龐大”，可以落戶中小型實驗室和研究所。北京大學(xué)激光加速器實驗室國際上首次提出激光穩(wěn)相加速新原理和臨界密度等離子體透鏡新方法，首次開展和證實穩(wěn)相加速實驗，兩次打破了飛秒激光驅(qū)動碳離子的能量記錄，有望推動新型加速器走向應(yīng)用。
實驗室將進一步致力于開展激光等離子體相互作用過程中的加速和輻射問題研究，從理論上探索產(chǎn)生TeV～PeV高能粒子的可行性，同時在未來幾年內(nèi)建造新型超小型臺面激光粒子加速器和開展癌癥治療、等離子體診斷和離子快點火聚變等應(yīng)用研究。
北京大學(xué)已建成CLAPA激光加速器系統(tǒng)
北京激光加速創(chuàng)新中心圍繞激光驅(qū)動高能帶電離子束的產(chǎn)生及其在聚變能源、空間輻射模擬、生物輻照和超快離子束應(yīng)用等方面展開研究，促進激光加速器與能源、生物以及材料等學(xué)科的交叉融合，為輻射醫(yī)學(xué)、前沿物理、先進材料等領(lǐng)域重要科學(xué)問題的研究提供條件。
項目負責(zé)人、北京大學(xué)物理學(xué)院副院長、核物理與核技術(shù)國家重點實驗室副主任顏學(xué)慶教授介紹：“激光加速器利用超高峰值功率的脈沖激光與靶材相互作用產(chǎn)生的瞬態(tài)高強度靜電場加速質(zhì)子，僅需數(shù)百微米就可將質(zhì)子加速到百兆電子伏量級，產(chǎn)生的質(zhì)子束具有寬能譜、脈沖短（皮秒量級）、源尺寸小（微米）及能量轉(zhuǎn)換效率高等特點。利用高磁場梯度的超小型脈沖磁鐵對靶后質(zhì)子流進行收集與控制，可獲得與傳統(tǒng)加速器品質(zhì)相當(dāng)?shù)膯文芑驅(qū)捵V質(zhì)子束流?！?br/>
上圖：（左圖）相比于電子和光子，質(zhì)子在介質(zhì)中傳播時具有深處的電離峰，可用于治療體內(nèi)深處腫瘤；（右圖）瓦里安公司的ProBeam質(zhì)子治療系統(tǒng)在全球各地市場發(fā)展迅速。
下圖：北京大學(xué)CLAPA實驗室激光質(zhì)子加速束線，激光驅(qū)動的離子加速有望大大降低質(zhì)子/重離子放療成本
相比大型的傳統(tǒng)質(zhì)子加速器，激光加速器有哪些獨特優(yōu)勢？顏學(xué)慶說：“激光加速器在設(shè)備需求空間、安裝難度、運行和維護成本、輻射防護難度、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面有獨特優(yōu)勢?；诩す饧铀倨鞯募す赓|(zhì)子放療系統(tǒng)一旦研制成功，將可以安裝在各大醫(yī)院現(xiàn)場，能夠大幅降低癌癥患者的治療費用，推動質(zhì)子放療在我國的普及。”
03 激光加速器應(yīng)用于質(zhì)子放療
與傳統(tǒng)放療相比，質(zhì)子放療至少有四個方面的優(yōu)勢：提高腫瘤照射水平、提高局部控制率、減少并發(fā)癥，以及加強化療的效果。所有適合放療的腫瘤患者都是質(zhì)子治療的適應(yīng)人群。尤其對于早期腫瘤患者，質(zhì)子治療的五年生存率達到80%以上。
由于兒童對放射線敏感性的高于成人，傳統(tǒng)的放射治療會造成兒童肝臟、腎臟、脊髓、卵巢或睪丸等重要器官的放射性損傷。質(zhì)子治療可以通過精確“定向定點爆破”技術(shù)，使重要器官和組織免受損傷，從而解決了兒童患者放射治療中的難題。對于有重要器官包繞的腫瘤來說，質(zhì)子治療也顯示了極大的優(yōu)越性。質(zhì)子放射治療在未來20-30年內(nèi)有可能會成為腫瘤放射治療的主流手段。
質(zhì)子射線與x光射線在人體中能量衰變曲線對比
目前質(zhì)子放療設(shè)備主要采用的加速器是傳統(tǒng)的射頻加速器（包括同步加速器與回旋加速器）。據(jù)國際粒子治療合作組織(PTCOG)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2016年7月26日，全球運營中的質(zhì)子重離子治療中心數(shù)量為64家，主要分布于美國、歐洲和日本等發(fā)達國家及地區(qū)；全世界每年有上萬人接受質(zhì)子治療。
離子束治癌的先驅(qū)性研究起源于美國的勞倫斯伯克利實驗室(LBNL)，1946年，首先由wilson提出將質(zhì)子束應(yīng)用于醫(yī)學(xué)。20世紀(jì)80年代以來，由于X射線斷層照相CT和核磁共振成像MRI等技術(shù)在科技先進國家中逐漸普及，質(zhì)子治癌取得較大發(fā)展。
1992年，美國Loma-Linda大學(xué)啟用了醫(yī)學(xué)專用質(zhì)子裝置，開創(chuàng)了質(zhì)子放療技術(shù)的新紀(jì)元，正式宣告質(zhì)子放療進入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，確定其在應(yīng)用中的地位。1985 年成立了國際性的質(zhì)子治療合作組(PTCOG)，進行世界范圍內(nèi)的質(zhì)子課題合作研究。
根據(jù)PTCOG 2017年底的統(tǒng)計，全球的質(zhì)子治療中心截止到17年底共有66個正常運行，其中美國有27個，歐洲有16個，日本有13個，俄羅斯有3個，中國有2個，韓國2個，加拿大和南非各有1個，共有174512例腫瘤患者做過粒子治療，其中質(zhì)子治療腫瘤患者 149345例，占總治療人數(shù)的85.58%，碳粒子治療腫瘤患者21580例，占總治療人數(shù)的12.37%，質(zhì)子治療的療效被廣泛認可和充分肯定。
全球主導(dǎo)質(zhì)子治療系統(tǒng)設(shè)備提供商
據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前各大城市報批的質(zhì)子治療中心申請項目有70多項，國家衛(wèi)健委對其持謹(jǐn)慎態(tài)度，很大一部分原因是目前國內(nèi)商品化的質(zhì)子治療系統(tǒng)還沒有研制成功，基本所有的設(shè)備都需要從國外企業(yè)進口，70多個項目一旦批復(fù)，相當(dāng)于會有上百億美金流向海外，進一步推動海外企業(yè)技術(shù)升級，鞏固他們的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先地位。
因此，從國家戰(zhàn)略層面上，我國目前急需自主研制國產(chǎn)化質(zhì)子治療設(shè)備。雖然我國質(zhì)子治療設(shè)備的自主研發(fā)工作已在開展中，但目前與國際水平差距仍非常大，短時間內(nèi)無法撼動國外質(zhì)子治療設(shè)備的壟斷地位。
在醫(yī)療器械領(lǐng)域，國外廠商利用先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢，通過快速迭代產(chǎn)品、降低成本、提升用戶體驗等方法壓縮國產(chǎn)設(shè)備市場份額的例子屢見不鮮。以直線加速器X射線放療設(shè)備為例，我國已發(fā)展了40多年，但該類型的產(chǎn)品依然主要依靠進口。10MV高能直線加速器國內(nèi)產(chǎn)品穩(wěn)定度很低，幾乎沒有市場，6MV低能直線加速器也在產(chǎn)品各項性能上與國外同類產(chǎn)品有較大差距，Varian、Elekta等公司的產(chǎn)品售價2000多萬元，卻占據(jù)90%以上市場，國產(chǎn)設(shè)備售價500萬元反而沒有市場，即國產(chǎn)設(shè)備并沒有給進口設(shè)備帶來任何的市場沖擊。
首臺國產(chǎn)質(zhì)子治療裝置
從這個角度來看，國外已處于絕對領(lǐng)先水平的先進技術(shù)設(shè)備，國內(nèi)如果沿相同技術(shù)路線追趕，是一個非常漫長的過程，甚至有可能差距越拉越大。
激光加速器有作為新一代質(zhì)子放療系統(tǒng)的加速器的可能性。相比于大型的傳統(tǒng)質(zhì)子加速器，激光加速器有望未來在設(shè)備需求空間、安裝難度、運行和維護成本、輻射防護難度、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面有優(yōu)勢?？梢灶A(yù)期，基于激光加速器的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)一旦研制成功，我國將有很大機會占領(lǐng)激光質(zhì)子放療設(shè)備的產(chǎn)業(yè)制高點，在大型醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域一舉改變長期以來“國外領(lǐng)跑，國內(nèi)跟跑”的模式，實現(xiàn)“彎道超車”。因此，盡快開展激光質(zhì)子治療系統(tǒng)的研制具有非常重大的產(chǎn)業(yè)意義。
