第740期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《重离子加速器》
讲座题目：透视新科技——重离子加速器
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：颜学庆，北京大学教授。
叶 盛，北京航空航天大学教授。
讲座时间：2026年2月2日～2月8日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——重离子加速器
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。生活当中的金刚石、石墨，它的主要成分都是由碳原子来构成的，那碳离子能做什么呢？我们先去了解一下。人类一直在探索宇宙以及自然界中的万物是如何形成的，两千多年前，有一个古希腊思想家叫德谟克利特。他认为世界万物，包括我们的血肉之躯，都是由数量无限多，不可分、不可见的微小粒子、原子组成的。原子在虚空中永无休止地向各个方向运动，无数原子在空间中相互碰撞、弹射，形成了一个个有中心、圆形的，周围围绕着无数电子的完整形象。像水果有核一样，原子的中心也有个核，不过它只有原子直径的万分之一左右，却占了原子的几乎全部质量。如果把原子比作太阳系，那太阳就是原子核，各行星围绕太阳转，就像电子围绕原子核转。科学家们相信宇宙万物，包括我们生命的秘密，都藏在这个小小的颗粒内，这样的宇宙奥秘需要重大的科学仪器帮助人类去揭开真相。在甘肃省兰州市，有这样一个大科学装置，它能加速成千上万的重离子轰击原子，敲开原子核，帮助我们认识世界，这就是重离子加速器。它在原子物理、材料科学、生命科学、天体物理、工农业生产、国防建设等各个方面有着重要而广泛的应用。首先，我给大家介绍一下，我们请来了两位嘉宾，这位是北京大学颜学庆教授，另外一位是北京航空航天大学叶盛教授。
这是一个什么样的设备？就是重离子这台设备，我们可能管它叫一台设备，但它其实不是一个能够放到一个普通房间里的这么一台设备，它有多大呢？如果说最初的设备可能大小要到小型的体育场馆那么大，那现在的大小可能至少也是在工厂、车间，这样的一个大小的范围之内的一台设备。它通常外形看起来像一个圆形的跑道，但这里面在圆形的跑道上我们放置了很多的仪器和设备，包括磁铁、电源、探测系统等等。重离子加速器总长500多米，有400多块磁铁，它是磁场和电场的组合体，炮管上的电磁铁犹如飞驰在空中炮弹，把重离子集成又细又密的一束，以防止飞散，同时又控制着重离子的拐弯，把不符合能量要求的离子分离出去，只有经过层层考验的离子束，才会被科学家用于不同的领域。在农业领域，重离子加速器可以用来诱变育种，筛选获得科学家希望得到的突变体，来培育新的品种。从2006年开始，在我国土地沙化严重的西北地区，科学家利用重离子加速器诱变育种技术进行土地沙化的治理，经过7年的努力，培育了高粱的新品种，既解决了西北人民的粮食问题，又解决了沙漠化的问题，不仅如此，离子束强大的穿透力也是癌细胞的天敌。我国是癌症高发地区，恶性肿瘤死亡，占居民全部死因的23.91%，据世界卫生组织国际癌症研究中心（IARC）数据，中国癌症发病人数从2015年的395万例增至2020年的457万例，要为更多的肿瘤患者提供治疗，我国决定自主研制医用的重离子加速器。2020年4月，我国首台具有自主知识产权的治疗肿瘤的医用重离子加速器，应用于临床。我国成为继美国、日本和德国之后，第四个拥有自主研发重离子治疗系统和临床应用能力的国家。
这里面有把碳原子电离成碳离子的离子源，有把离子束引到环里面的输运段，然后这是一个子系统。这个子系统平常医生和病人是看不到的，那这个束流会引到一个叫治疗子系统的一个房间里，这个房间里病人可能会躺到一个像床一样的设备上，然后接受离子的辐照。重离子是指质量数大于4的原子核，也就是元素周期表中原子序数大于2的失去电子的原子，如碳12、氖22、钙45等，都属于重离子。就像伽马射线、X射线一样，重离子束也可以用来治疗癌症，但是并不是所有的重离子都适合用来杀死癌细胞。科学家们研究发现，碳离子是最适合用于癌症治疗的重离子，这个碳离子具体有什么特征？当这个碳原子去掉6个核外电子以后，成为碳离子，这种碳离子它有一种特性就是在电场的作用下，它会被加速起来。我举一个例子，比如说我们的汽车，我们一踩油门的时候，它的速度会起来，比如说一定时间到100公里每小时，那碳6+在电场的作用下，它也会被加速起来，而且这个速度可以达到非常高的速度，这个速度可能有的时候我们难以想象。我举个例子，还是以汽车为例，汽车是100公里每小时，它每秒钟大概在30米左右的速度。当这个碳离子在加速器里面被加速的时候，它可以达到光速的70%，也就是说在20万公里每秒这么一个速度，非常非常快的一个速度。
那我想知道具有了这个速度之后，它对我们带来的价值是什么？我觉得这就是一个我们可能生活中说到的一个词，叫重拳出击，为什么要叫重拳出击呢？你想同样的我是去打一拳，如果这个拳头本身的重量，这是一份重量。那如果我再带上一个拳套，而且这个拳套里再加一些分量，比如说加一些铁砂，那么这个时候再同样打出去一拳，你想想肯定是后面这个重拳，它的力量会更大，碳离子就属于这种很重的东西。因为这个碳离子中间是一个碳的原子核，实际上是有6个中子，6个质子，差不多是十二道尔顿，所以说碳离子它最本质的一个好处，我觉得就是它的质量大，是一个重拳出击，这样的话，它所能起到的破坏作用也就更大。它的杀伤力更大？对。从物理的角度上看，因为碳离子或者氢离子，它打到人体以后，其实人体的这个碳有很高的比例，可能大概在18%左右的碳元素的比例，所以打进去很少比例的碳离子，对人体没有特别大的副作用。这个碳应该说呢，它是一个组成我们身体的一个非常重要的这样一种物质，像蛋白质分子，像核酸分子，就我们常说的DNA（脱氧核糖核酸），RNA（核糖核酸），这些都是核酸分子。还有包括构成我们细胞膜的磷脂，那这些几大类分子里面全都是以碳为主要的一个骨架的，所以说碳就是构成生物分子一个基本的骨架。所以说，碳这种元素在我们身体中是相当丰富的。那么，作为碳离子的这样一个治疗，它可能会把少量的碳注射到我们的身体里，但那个量是非常微小的，那个碳对于我们来说是毫无影响的。
治疗肿瘤的方式都有哪几种？传统肿瘤（治疗）主要的有这么三种，一种是手术，容易理解，如果看到有肿瘤，我们可以用手术刀给它切掉。另外一种叫化疗，化学疗法，可以说是一种“毒药”，但它会有一定的选择性，因为肿瘤细胞它繁殖快，正常细胞繁殖慢，所以肿瘤细胞变相地被杀死得更多一些，但这种它会对人体带来很大的副作用。客观表现上可以看到，经过化疗以后，这个人会很衰弱，头发会掉。第三种叫放疗，利用一种射线来做肿瘤治疗的方法。这种射线，医学上有很多的种类，常见的有X射线、伽马射线，平常讲的碳离子和氢离子这几种。碳离子这项技术治疗肿瘤，也是属于放射疗法的一种？没错，射线一般属于核的范畴，一般来说我们都是“谈核色变”，大家都很害怕，但其实很多情况下，核也可以变废为宝，它可以用于民用。这里面比如说，我们平常建的核电站，就是用核的办法。比如说，咱们现在谈的肿瘤治疗，更是用射线的办法来杀伤肿瘤，这么一个办法。细胞有自己的生命，对于正常细胞来说，会经历分裂、分化、衰老、直到凋亡，但是一些细胞受到环境影响之后会发生基因突变，从而转变为癌细胞，癌细胞会不断地分裂、增殖，当其数量越来越多时，就会形成恶性肿瘤，也就是我们常说的癌症。随着恶性肿瘤在体内的不断增大，它就会挤占其他器官的空间，导致器官功能受损，从而危及人的生命健康。同X射线、伽马射线相比，碳离子能量更高，且射程末端释放能量比较集中，能精准地杀死癌细胞，它就像一把重型武器，能够对肿瘤一击毙命。因此，碳离子束被认为是21世纪最理想的放疗射线，并且不会对身体产生其他影响。
碳离子治疗肿瘤是属于放射治疗的一种，那比起传统的一些我们放射的治疗方式，它的优势是什么呢？关于我们传统的像X射线、伽马射线这些方法，它在治疗的时候，其实就是刚才颜老师有提到，就是杀敌一千自损八百，为什么呢？因为我们可以想象一下，就是我们在有些科幻电影中见过“光剑”，这种不存在的技术，激光一穿就把人体穿孔了。X射线其实也是类似这种原理，它穿过去的时候，在它光行进的路径上，对所有这些组织，无论是癌组织还是健康组织都会有杀伤。我们今天已经是一个常识了，就是说你没有必要不要去接受X射线的辐照，我们都知道它对人体是有伤害的，所以这些方法它必然对健康组织也是有伤害的，那么与它相类比的话，像碳离子或者说质子这些重离子，它有点儿像什么呢？有点像是一个隐形的这样的一个剑，它在进入你的身体的过程中，不伤害前面的这些健康组织，它只打击最后的肿瘤组织。在过去很长一段时间内，癌症都被认为是不可治愈的疾病，甚至到今天这种观点也一直存在。随着人类对于癌症认识的不断深入，一些新的治疗方法应运而生，从早期的手术切除到认识射线开发了放疗和化疗，从利用基因工程技术研制的靶向药物，到如今通过注射抗体药物提高自身免疫力，抵御消灭体内的癌细胞，这些治疗方法已经让一些癌症患者摆脱癌症的困扰。对于一些体质较弱、肿瘤位置比较特殊的癌症患者，常规的治疗手段却难以阻止癌细胞生长。碳离子治疗系统的出现，给癌症患者带来了新的希望。
碳离子治疗，可以说是一种精准治疗方法，一般来说碳离子本身它不能识别肿瘤在哪里，但是如果我们医学上比如说用CT或者核磁，我们来提前诊断出来肿瘤在什么位置，这样的话我们就可以用碳离子去精准杀伤它。这个碳离子就类比无人机，CT就是我们的北斗导航的位置，这样可以精准地去杀伤这个肿瘤。那你想想，如果轻的东西，当你冲进一个人群中去，一个质量很轻的体重轻的男生，可能很容易就被人拽住了。但如果是像我一样体重比较大的一个男生，然后你冲进一个人群里，可能你就不太容易被拽住。更重要的是，如果你的速度也很快的时候，你就更加不容易被人拽住，对吧。但是周围这些人还是会拽你，你的速度会减慢，当你速度减到一定程度的时候，周围的人会一下子把你就抱住了，碳离子进入到人体组织中，它所经历的这个过程就有点像这样一个过程。它一开始的时候速度很快，周围这些物质对它的作用有，但是这个减速的作用很小，但是随着它往里走，随着它深入进去，随着它的速度变得越来越慢的时候，终于到某个阈值之后，周围的物质会一下把它抓住，它这时候一下有一个急停，有一个刹车。那么我们知道能量是不灭的，这个刹车的过程中，你的那个巨大的速度所带来的动量，这些动能去哪儿了呢？就以一种杀伤周围组织的方式释放出来了。
那这个其实就是碳离子杀伤的这样一个“妙处”。我这个“妙处”是要打引号的，是跟谁比，就是跟我们一般用的X射线、跟伽马射线，或者是跟这些轻一点的质子相比，这是它的一个好处。因为我们知道，如果用X射线，那么这条射线射进去的时候，在它整个行进路径上对于所有这些组织的伤害是差不多的，而且实际上对于X射线来说，可能越靠外的组织受的伤害反而越大一些。而碳离子恰恰相反，它在速度快的时候对这些组织的伤害很小，只有到达它的目标的时候，到达那个终点的时候，对那个癌症组织、肿瘤组织它的这种杀伤力全全部释放出来，所以说它最大的优势就是不伤害健康组织，那这个呢，可能就是它在实际应用中，为什么我们要去研究它，研究它的种种特性，然后去发展这种技术的原因，就是因为它可以做到对于健康组织最小杀伤的这样一个效果。这里面我们可以再举一个类比，比如说我们很多人玩过台球。我们有一个目标球，有一个母球，当目标球在桌面滑动，经过桌面，最后打到我们目标球的时候，在滑动的过程里面，它损失的能量是比较少的，但是当它打到目标球的时候，能量一下就。爆发出来了？就丢失了，这个过程我们可以类比为目标球就是肿瘤，母球就是离子刀，去杀伤肿瘤，所有的过程里面，在进入的时候，它能量损失很少，仅仅是在肿瘤位置把能量释放出来。所以这里面我们可以把它，有时候把它叫作离子刀或者碳离子刀。更精准，相对副作用也会小一些？对。
像碳离子技术来治疗肿瘤的话，它是所有的肿瘤都能治，还是针对某种肿瘤有效果呢？我们知道它是一种精准治疗方法，所以重离子只是对这种有精准位置、有局域位置的肿瘤比较好，有明确的位置。比如说这种实体瘤对于扩散的肿瘤，它是没有办法或者很难去治疗的。比如说这个血癌它就没有办法去治疗，因为它癌症分布在浑身各处。另外，对于空腔型的，比如说这个胃癌、肠癌，这种就是它是一种薄壁的这么一个肿瘤组织，因为它也是一种刀，虽然不是用我们的手术刀。人肉眼看不到的刀？对，腔壁击穿，这样会带来一些麻烦，所以医学上对于这几种一般重离子治疗是不太好的。相比传统放疗，碳离子治疗系统适应证的范围更广。根据国际和国内碳离子治疗系统治疗癌症研究数据，对于一些肿瘤，目前使用碳离子治疗系统放疗是损伤最小、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敏感的实体肿瘤。根据临床试验表明，碳离子治疗系统能有效控制分布于头颈部、胸部、腹部及盆腔的肿瘤。说到碳离子技术，可以治疗部分肿瘤这项技术，可能会引起很多人的关注，这里面人们自然会想到一个问题，它有多安全，它的安全性是什么样的呢？
碳离子世界范围看大概治疗了3万个病人，这种病例从5年的生存期来看，大概有百分之八十的病人，或者说实体瘤的病人，他接受这个（碳）离子治疗以后，他的5年生存期是比较好的，所以从这个角度，数据上看是安全的。假如说原子如果有这么大，我拿手随便比画一下，那原子核有多大呢？其实连看都看不见，它是一个连一毫米都不到，只是在微米尺度上，那么结果就是什么呢？我们看似一个实体的东西，包括我们的身体也好，或者是物体也好，其实从物理学上来讲，它是很空旷的，里面原子核都彼此相距很远，而且非常微小。那么，碳离子也是这么一个很小的原子核，当它穿入到我们的人体中，其实它不会受到什么阻碍，基本上是径直飞到目的地的，这个结果就使得它在前面其实不会对我们身体造成很大的伤害。那用碳离子来治疗肿瘤的这种方式，它也像不像其他药物一样，或治疗方法也具有一定的副作用？是的。
碳离子就是说经过几十年的发展，事实证明它是比较好的癌症治疗方法，但是在临床上，我们用一个重拳去打的时候，后面一定会产生些什么，后面从物理的角度，它会产生一些次级的辐射，这些辐射就会对一些组织器官会产生一些副作用，所以在临床上很多国家就是对于重离子，是不允许用于青少年的肿瘤治疗的。那接下来可能很多人就会问，费用怎么样？一般老百姓或患者能承受得了吗？这个费用还是比较可观的，目前在上海复旦大学附属肿瘤医院，它的治疗费用大概在27.8万（元人民币）每一个部位，在兰州他们可能相对便宜一点，大概在25到26万左右每一个部位。关于这个费用问题，我想再补充解释一点，就是大家可能不知道为什么这个费用会这么高，主要是可能普通人我们对这个仪器设备没有概念，本身这台设备的建造它也是需要花很多的资金的，实际上都是在几十亿这样的一个规模上，所以说整个设备建造起来，到它开机运行，这里面都是有巨大的成本的投入的。在世界范围内，碳离子治疗最初于20世纪70年代在美国开展，后逐步推广到德国、日本等地。过去20多年间，各个国家在采用碳离子疗法方面行动迅速，我国也在2014年由上海复旦大学附属肿瘤医院完成第一例碳离子癌症治疗，但此时的设备引进自德国。2019年，我国研制的碳离子治疗系统成功注册上市，并于2020年3月开始投入使用，填补了高端医疗器械国产化空白，使得肿瘤患者治疗费用大幅降低。
2019年关于碳离子治疗肿瘤的这项技术的专业设备，已经成功上市并用于医疗当中，这件事对于我们的碳离子这项技术来治疗肿瘤意味着什么？这个意义非常重大，那兰州近物所（近代物理研究所）经过这么几十年的努力，把它成功地从一种核物理装置，建成一种商业的治疗装置，变成一个真正的产品，这意义非常重大，可以说从基础研究走向应用研究，再到变成商品，这每一步其实都是以十倍放大，所以走到今天这一步也非常不容易，在此也特别为我们国家这个核心技术的提升感到自豪，同时对于广大肿瘤病人来说，也提供了多的一种选择，以后也可以用（碳）离子治疗，除了我们说的这种手术刀、化疗，也多了一种重离子放疗这么一个手段。关于这项治疗技术的设备，您怎么看？我们知道它是安全的，而且它是有效的，所以说就使得更多的病人可以去期待，也许我们能够用到这种技术，而不是在之前在临床试验阶段，可能不是所有人都有机会用到这个技术，就像颜老师说的似的，它是一个福音，就是能够使得更多病人有这个希望了，但是就像我们前面也反复强调过的，不是说每一种技术，都是对所有的肿瘤都是能够去治疗，最重要的还是要遵医嘱，要看医生对你这个具体的病情的判断，它究竟用什么样的技术去治疗是更合适的。好，那最后可能我们大家非常关心的一个问题，就是这项关于碳离子治疗肿瘤的技术，临床应用未来的发展我们怎么去期待？
客观讲它的设备现在太大，可以说是目前有史以来最大的一种医疗设备，所以未来的发展趋势，可能主要有这么几种，第一种利用这种超导的技术，它的这个电阻是趋近于零的，所以我们从中学的知识里面知道，它在电阻很小时候，它的能耗就很低，这样的话在同样的尺寸下，它可以将离子能量加速到更高，那碳离子治疗以后也应该可以值得期待，可以做的更小。另外一种技术，我觉得应该提一下，就是这种激光的技术，激光它本身的电场，这个场强非常高，所以它可以在很短的距离里面，将离子加速到接近光速的这么一个水平，所以未来激光加速器它可以把这个设备做得更小。这样的话当这个设备做小以后，就能放到普通的三甲医院里面，我们知道中国一年的癌症病人的新发的癌症病人大概在四百万左右，我们一台设备通常也就治疗一年大概在一千个病人左右，所以客观上讲需要很多这样的装置，但是目前的技术，它太大，所以未来我们期待超导技术和激光加速技术的发展，能够将这些设备做得更小。截至2022年3月25日，中国首台自主知识产权碳离子治疗系统投入临床应用已经满两年，共完成了520例患者的治疗。碳离子临床治疗已达预期治疗效果，并与全球几家重离子中心治疗数量保持同等的水平。目前，杭州、南京、武汉、西安等城市，也相继启动了碳离子治疗系统的建设，将会为更多的肿瘤患者提供治疗。未来我国科学家也将继续研制更加小型的治疗装置，降低占地面积，治疗费用借助人工智能、5G技术等手段升级改造设备，提升智能化水平，让碳离子治疗系统为更多患者服务。
叶教授对于这项技术来治疗肿瘤，未来的前景怎么看？我觉得这个前景肯定是非常好的，因为咱们前面谈到了它的很多优势，其实这里边还有一个我觉得很重要的一点，就是虽然说手术的切除往往是传统上最有效果的一种方式，但是手术切除它有很多限制，不是我们身体哪个部位都可以去开刀去切的，这个其实很多时候就限制了手术这种方法的使用。那么反过来像碳离子也好，或者其他一些放射性疗法也好，它最大的优势，它可以深入到身体内，无论这个肿瘤在哪个部位，只要它是一个实体瘤的形态，那么基本上都可以用这种方法。那么就像刚才颜老师说的，随着这个设备不断的小型化，同时也带来了它一个成本的下降。那么我想这种技术，就能够更多地去辅助到我们传统的这样的手术治疗，还有化疗里面来，然后就能够对我们整个肿瘤治疗，能够带来一个更光明的未来，我觉得这个绝对是可以期待的一个未来。好，今天非常感谢两位嘉宾来给我们解释这样一个新兴的技术，在今天的节目当中，我们跟大家谈了关于碳离子来治疗癌症和肿瘤的这项技术，我们也希望这项技术通过科研人员的不断努力，技术不断完善，给更多人带来福音。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》！我是胜春，咱们下期节目再见。
