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医疗健康领域:用于放疗的超导质子回旋加速器

文章来源: 发布时间: 2018-06-14

  所处阶段:小试 

  成果来源:等离子体物理研究所 

  必要性及需求分析: 

  恶性肿瘤、癌症已成为发展中及发达国家居民的主要死亡原因之一。在2008年造成760万人死亡(约占所有死亡人数的13%);按照目前治疗手段和医疗状况,预计至2020年,新增癌症患者将达到1500万人,因癌症年死亡人数可能将达到1000万人。因此癌症的病因和治疗已经成为科学界重要研究课题。 

  质子治疗的优越性:至今治疗肿瘤的方法,基本上主要有手术、放疗与化疗三种,彼此既互相独立又互补兼容。当前据不完全统计70%的肿瘤患者,不论手术与否,都要采用不同程度的放疗。理想的放疗是杀死肿瘤中的全部癌细胞,而不伤害患者的正常细胞。因此,人们将放疗的最终准则定为“实现最大的肿瘤控制概率和最小的正常组织损伤率”,并千方百计地接近理想目标。在诸多放射治疗类型中,常用的X射线、γ射线与电子治疗都在不同程度上使被照射肿瘤的前后正常细胞受到伤害。质子治疗的优点是使放射线能量峰值对准肿瘤病灶处,在肿瘤处受到最大的照射剂量,肿瘤前的正常细胞通常只受到1/3~1/2的峰值剂量,肿瘤后部的正常细胞基本上不受伤害。从质子内在的物理特性就能断定它比常规放疗方法要优越得多。近几十年来,质子治疗的临床成就已证明了这个事实。 

  国内外质子治疗装置的发展状况:截至2013年的统计,国外质子治疗中心分布如下:美国已建质子治疗中心10个,在建21个;日本已建9个,在建8个;欧洲已建11个,在建8个;韩国已建2个。在2000—201213年中,中国质子治疗的发展速度低于韩国等小国,这促使中国加快建设粒子治疗中心的步伐。2013年以来中国各地计划建造质子和重离子治疗中心。据不完全统计,2015年中国建成的质子重离子医院和治疗中心共计7家,其中台湾有3家,香港1家,内地3家分别为山东淄博万杰医院质子治疗中心、上海质子重离子医院、兰州重离子束浅/深层肿瘤治疗装置;在建有7家;筹备中有5家。目前国内具有自主建造加速器能力的单位有:中科院兰州近代物理所的重离子加速器;中科院上海应用物理所的同步加速器;中国原子能科学研究院和华中科技大的回旋加速器。现在国内还没有自主建造紧凑型超导质子回旋加速器的单位。 

  国内需求分析:根据2004年意大利放射肿瘤学会给出的结论,由于离子治疗的有效实用性,每100万人口需有一个年治疗1500名患者的质子治疗中心和每500万人口需有一个碳离子治疗中心。那么中国13亿人口将需要建设1300个质子治疗中心,260个碳离子中心。按现在中国的经济发展估计,未来15年需要建立150个质子治疗中心,50个碳离子治疗中心。目前我国已建和在建的治疗中心与市场需求还有很大的差距,因此未来在我国质子和重离子治疗设备产业将有广阔的发展和市场空间。 

  未来质子治疗装置的发展方向:虽然质子治疗的优越性已得到世界的认可,但建质子治疗中心有下面四个重大缺点:一是造价贵,要上亿美元(8—10亿人民币);二是占地大,要上万平米;三是建设时间长;四是仅适用于大城市。因而粒子放疗事业难以普及和推广。为此美国提出了设计“价廉、体小、建快”的紧凑型质子治疗装备方针,要求价格在2000万美金以下,占地250m2。想减小回旋加速器尺寸,必须提高磁场强度。目前美国已经研制出具有9T超导磁铁的同步回旋加速器MEVION S250系统,20吨重加速器直接安装在旋转治疗台架上,省去了占地大、笨重又复杂的质子束传输系统。该系统采用了当前一切先进的质子治疗方法和技术,克服了上述四大缺点。超导技术使加速器的小型化和改进发生了革命性的变化,极大地减小了回旋加速器的建造成本。因此这种紧凑型的超导质子回旋加速器治疗设备的发展,也将成为未来推广和普及质子治疗的最有效途径之一。 

  目标及主要任务: 

  总体目标: 

  为加快安徽质子治疗装置的发展步伐,造福于广大肿瘤患者,合肥市将引进国际上成熟的质子重离子治疗装置,尽快建立大型综合粒子治疗中心。在消化吸收国外先进粒子治疗设备技术的基础上,合肥市将瞄准未来质子治疗装置的发展方向,依托雄厚的电物理装置设计研究所、高校以及大型制造企业,开发拥有完全自主知识产权的紧凑型超导回旋加速器治疗设备,并发展成高端医疗设备产业,为合肥市打造“大湖名城,创新高地”做出一定的贡献。 

  主要任务: 

  1)紧凑型超导回旋质子加速器研制 

  1.1)紧凑型超导主磁铁的设计及研制 

  目前MevionIBA的单治疗室的超导质子回旋加速器都取同步型,束流能量直接由加速器控制。但前者采用Nb3Sn超导线圈,磁极场强高达9T,使磁体重量降至20吨;后者采用NbTi超导线圈,磁极场强~4.6T,因此重量41.5吨,安装在地面,需束流传输线传送至治疗头。这两种配置价格相近。由于俄罗斯联合核研究所擅长于等时性回旋加速器,束流聚焦限制了铁磁极场强的提升,我们第一步将取质子200MeV等时性超导回旋加速器方案,可用于多治疗室系统。更紧凑的超导同步回旋加速器将作为下一个开发目标。 

  回旋加速器关键部件主磁铁负责束流的轨迹引导和聚焦稳定,它提供大螺旋角磁极的等时性磁场与高频腔配合将粒子束加速至设计能量。铁磁材料在大约2 T时饱和,若取过高的磁场,对质子束调变度将会降低。为减少超导回旋加速器的运行费用,必须设计成液氦零挥发的低温恒温器和制冷系统。 

  1.2)高效率螺线型高频腔及高频系统的研制 

  谐振频率与损耗是衡量谐振腔的两个最重要参数,相对高的品质因数Q表明损耗相对较小(主要为谐振腔导体的表面电流引起的导体损耗),从而降低对高频发射机的功率和冷却系统的要求,有利于系统的长期稳定运行。因此本项目将应用多内杆的高频谐振腔设计,采用2个谐振腔体,使得单圈增益倍增,圈距扩大,利于引出效率提升的方案。对功率耦合结构进行优化设计,使其能最大程度地匹配高频功率源。 

  1.3)质子束引出系统的设计和研制 

  对于质子束的引出,采用静电偏转板同引出磁通道相结合的方式;针对本项目所研制的200MeV超导回旋加速器,在较高的引出磁场下,加速产生引出圈距小于2mm,必须采用进动引出方法增加圈距。在束流进入磁极与磁轭之间的线圈区域,设计5-8组矫正磁铁和四极聚焦铁对束流作径向聚焦补偿,避免束流相空间破坏。最终束流引出效率达到70%左右。 

  2)固定/旋转治疗台架系统的设计与研制 

  在束传输系统中将运用快速磁体实现笔束扫描(pencil beam scanning)的分束方法,这样的方法有最大的灵活性实现束的成型与剂量分布,非常利于治疗。另外为了解决在治疗过程中由于器官移动造成的放疗不均匀问题,将利用门技术、束线的快速重扫描、和肿瘤捕捉等技术实现补偿。在治疗架系统中将实现治疗架旋转角度0°—180°,结合病人床旋转0°—180,实现对病人全方位的治疗。为了减小治疗架系统的重量,将采用超导磁体实现对束线方向的转变。这些开发将由新华医疗器械公司承担。 

  现有工作基础: 

  等离子体物理研究所在大型低温超导装置建设方面积累了丰富的工程经验,具备坚实的工作基础。1992年初成功研制了20T混合磁体稳态强磁场实验装置;1995年成功地改造了T-7超导托卡马克聚变实验装置;2006年又成功地完成了国家“九五”大科学工程全超导托卡马克EAST装置的建造。目前正在承担ITER装置相关部件的设计与制造;研究所具备各种超导磁体、高频腔、离子源及相关设备的设计和制造能力,同时也拥有一批多年来从事机械设计、液氦低温和高真空绝热、超导磁体研制、焊接技术、计算机和电气自动控制系统等领域的专业队伍。 

  目前中科院等离子体所正在与俄罗斯联合核研究所(JINR)合作,共同开发200MeV的超导质子回旋加速器。另外等离子体所与国内外多个高能物理及粒子加速器实验室保持良好的联系和合作关系,包括瑞士保罗谢尔研究所(PSI)、美国麻省理工学院(MIT)等,以及华中科技大学、中国原子能科学研究院、中国科技大学等单位,可针对某些关键技术进行合作研究和咨询。 

  预期经济和社会效益: 

  根据2007Andre Konski博士作的统计,每治疗一位患者的费用约为5-6万美元。建造一个配备常规回旋加速器具有4个治疗室的质子治疗中心总共需投资1.2亿美元。按照一个治疗中心每年能治1500名患者,每个治疗中心每年的收入将是7500-9000万美元。如果利润率按照20%计算,一个治疗中心需要7—8年后能收回成本。如果利润率按照30%计算,治疗中心4.5—5.5年能收回成本。 

  将来紧凑型的超导质子回旋加速器单治疗室系统(MEVION S250)批量生产后,售价能降到2000万美元,可安装到医院的常规直线加速器机房,可利用医院现有医疗设备,不需要建设独立的治疗中心,因此这种单室治疗系统总投资预计为2500万美元左右。则每年能治375名患者,每年的收入为1875-2250万美元。利润率按照20%计算,需要5.5-6.5年收回成本;利润率按照30%计算,需要3.5-4.5年收回成本。可见这种紧凑型的质子治疗设备可减少投资费用,同时也缩短了投资回报周期。 

  除以上的经济效益外,设计和建造具有自主知识产权的紧凑型超导质子回旋加速器和质子治疗中心,打破发达国家对高端医疗设备垄断,有利于提振我国的民族自信心,容易得到社会各界的支持,有巨大的社会效益。 

  实施方式/模式: 

  准备在3年内研制出紧凑型超导回旋加速器质子治癌系统的产品样机,并进行临床试验。计划用5-10年进行产品成套和产业化发展。项目将分为四个阶段进行实施:第一阶段为项目的设计与关键部件预研,第二阶段为加速器和治疗机架系统的工程设计、建造和调试阶段;第三个阶段为质子治疗系统调试与临床试验阶段。第四阶段产业发展阶段:打造质子治疗设备专业研发与制造中心、质子治疗示范中心、质子治疗培训中心,实现集癌症早期诊断、精确治疗、高端医疗设备为一体的产业链发展,并带动大型精密机加工、超导磁体设计制造、真空输运系统、质子影像机、治疗计划系统、辐射防护等相关配套产业。 

  附件:图片 

   

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