在青島研制國(guó)際首臺(tái)高分辨率智能中子照相機(jī),研發(fā)“中子刀”實(shí)現(xiàn)癌癥治療“細(xì)胞級(jí)”精度

鳳麟核:讓中子技術(shù)在青島“照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”

最近,由青島市科技局重點(diǎn)支持的園區(qū)培育計(jì)劃項(xiàng)目“緊湊型高分辨率中子照相機(jī)”通過了由科技部認(rèn)定的第三方專業(yè)科技成果評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)——中科合創(chuàng)(北京)科技成果評(píng)價(jià)中心的科技成果評(píng)價(jià)。專家組一致認(rèn)為,該成果具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),核心技術(shù)自主可控,實(shí)現(xiàn)了中子照相智能化,整體技術(shù)和指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。這是青島研制的國(guó)際首臺(tái)高分辨率智能中子照相機(jī)。

該成果由中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)際核能院院士吳宜燦領(lǐng)銜的鳳麟核團(tuán)隊(duì)研制。這支團(tuán)隊(duì)專注于中子理論與技術(shù)研究三十余年,自2020年帶著中子技術(shù)落戶青島以來,在青成立了中子科學(xué)國(guó)際研究院,以建成全球中子科技創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo),奮力在青打造國(guó)際“中子名片”,正推動(dòng)相關(guān)項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化,讓中子技術(shù)這一項(xiàng)前沿、未來技術(shù)“從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)”。

中子技術(shù)領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)與青島一拍即合

中子,是構(gòu)成原子乃至整個(gè)物質(zhì)世界的基本粒子之一。相比于質(zhì)子、電子等粒子,中子本身不帶電荷,具有很強(qiáng)的穿透能力,是引發(fā)原子核反應(yīng)的重要“媒介”,被稱為核能與核技術(shù)系統(tǒng)的“靈魂”。

中子技術(shù)則是以核反應(yīng)為基礎(chǔ),以加速器、反應(yīng)堆、輻射源等為中子產(chǎn)生源,從而實(shí)現(xiàn)中子產(chǎn)生、輸運(yùn)、利用的相關(guān)技術(shù),為20世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來,中子技術(shù)與信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、生物技術(shù)、材料技術(shù)等學(xué)科交叉,催生了中子檢測(cè)、中子醫(yī)療、“中子能”等一系列戰(zhàn)略性新興技術(shù),具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

在安全領(lǐng)域,中子檢測(cè)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)的不足,實(shí)現(xiàn)物體深度部位的檢測(cè),并能準(zhǔn)確區(qū)分不同元素成分;在健康領(lǐng)域,中子治療是細(xì)胞級(jí)精度的腫瘤治療技術(shù),中子制藥則可以生產(chǎn)疾病診斷和臨床治療中重要且廣泛使用的99mTc、131I、177Lu、89Sr等同位素;在能源領(lǐng)域,“中子能”系統(tǒng)是一種相比傳統(tǒng)核能系統(tǒng)在安全性、持續(xù)性、靈活性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)核能系統(tǒng)……可以說,中子科技在資源勘探、先進(jìn)制造、無損檢測(cè)、醫(yī)療健康、核能利用等領(lǐng)域的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在中子這項(xiàng)前沿技術(shù)領(lǐng)域,鳳麟核已深耕了三十余年,其發(fā)展歷史可追溯至上世紀(jì)80年代?，F(xiàn)在,由中科院院士及多位國(guó)際知名院士領(lǐng)銜,以國(guó)家“973”計(jì)劃首席科學(xué)家、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和新型產(chǎn)業(yè)化機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)人等為領(lǐng)軍人才,鳳麟核已經(jīng)打造了一支以高水平中青年科技人才為骨干的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),其中科研骨干80%擁有博士學(xué)位。

諾貝爾物理學(xué)家卡羅·魯比亞教授曾評(píng)價(jià)鳳麟核為“世界公認(rèn)的中子學(xué)領(lǐng)域引領(lǐng)者”。鳳麟核承擔(dān)了國(guó)家“973”“863”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃等200余項(xiàng)國(guó)內(nèi)外重要項(xiàng)目,取得了一批具有國(guó)際領(lǐng)先水平的原創(chuàng)性科技成果,曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、國(guó)家能源科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等20余項(xiàng)省部級(jí)以上科技獎(jiǎng)項(xiàng)。

而鳳麟核與青島結(jié)緣,起始于鳳麟核團(tuán)隊(duì)來青參加的一次學(xué)術(shù)會(huì)議。在這次會(huì)議上,鳳麟核在中子技術(shù)等領(lǐng)域的前沿成果與青島開放包容的創(chuàng)新精神互相吸引,一拍即合。很快,青島政府便用極大的熱情和細(xì)致的服務(wù)打動(dòng)了這支團(tuán)隊(duì),辦公、住宿、實(shí)驗(yàn)室等硬件條件一應(yīng)俱全,鳳麟核水到渠成地入駐青島國(guó)際院士港,并推動(dòng)中子技術(shù)系列成果在中子照相機(jī)、醫(yī)療領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

中子照相機(jī)實(shí)現(xiàn)“國(guó)際首臺(tái)”,延伸青島制造業(yè)“長(zhǎng)板”

國(guó)際首臺(tái)高分辨率智能中子照相機(jī)便是鳳麟核落地青島以來研制的第一個(gè)項(xiàng)目。

圖片來源:鳳麟核官網(wǎng)

中子照相技術(shù)是利用中子束穿過物體時(shí)在強(qiáng)度上的衰減變化,對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行透視成像,從而反映物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料的空間分布、密度、各種缺陷等綜合信息。

作為一種新型的無損檢測(cè)手段,中子照相穿透能力強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高,還可以用于對(duì)放射性物質(zhì)檢測(cè),具有傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì),在高精密裝備制造、特種設(shè)備無損檢測(cè)等方面都大有可為,是一項(xiàng)亟待突破的關(guān)鍵技術(shù),與青島“長(zhǎng)板”產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求也不謀而合。

但放眼整個(gè)行業(yè),基于反應(yīng)堆或大型加速器中子源的中子照相裝置體積龐大,動(dòng)輒便占地?cái)?shù)十平方米,而且造價(jià)高昂,最高需要數(shù)百億元,且相關(guān)產(chǎn)品難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

要解決這些難題,同時(shí)面臨著如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)裝置的緊湊性和高分辨率等技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)此,鳳麟核團(tuán)隊(duì)陸續(xù)攻克了中子靶近極限散熱、緊湊環(huán)境高壓絕緣、一體化小型中子源、高效中子慢化準(zhǔn)直等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)中子源的小型化與高保真中子成像的“兼得”。

“國(guó)際首臺(tái)”的背后,是鳳麟核團(tuán)隊(duì)的骨干成員廢寢忘食地推動(dòng)著技術(shù)的轉(zhuǎn)化和落地。在最低零下14℃的天氣里,他們?cè)跊]有門窗、堆著建筑材料的毛坯房間內(nèi),反復(fù)研究中子靶、中子源、中子成像、中子軟件等關(guān)鍵技術(shù),工作到凌晨甚至通宵成了“常態(tài)”。一位成員告訴記者,那段時(shí)間,他每天睜開眼的“條件反射”就是爭(zhēng)分奪秒調(diào)試設(shè)備。就是在這樣的工作狀態(tài)下,鳳麟核實(shí)現(xiàn)了中子照相機(jī)從無到有,再到最核心的指標(biāo)——成像質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)最高等級(jí)。

現(xiàn)在,團(tuán)隊(duì)研制的中子照相機(jī)已成功應(yīng)用于航空航天、能源裝備、電路結(jié)構(gòu)、動(dòng)力電池等多個(gè)領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了無損檢測(cè),具有突出的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,可為青島高端制造業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

在科技部組織的科技成果評(píng)價(jià)中,中子照相機(jī)獲得了專家組給出的高度評(píng)價(jià)——“為解決我國(guó)亟需重大裝備無損檢測(cè)的難題做出重大貢獻(xiàn),經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著,應(yīng)用前景十分廣闊”。

“中子刀”定向殺死癌細(xì)胞,讓腫瘤治療實(shí)現(xiàn)“細(xì)胞級(jí)”

前幾天,鳳麟核與山東大學(xué)齊魯醫(yī)院在青島簽署了共建中子醫(yī)學(xué)中心戰(zhàn)略合作協(xié)議,將攜手開展中子治療臨床試驗(yàn)及應(yīng)用。這是中子技術(shù)在精準(zhǔn)治療腫瘤領(lǐng)域邁出了規(guī)模應(yīng)用的“一大步”。

中子精準(zhǔn)腫瘤治療又稱硼中子俘獲治療,簡(jiǎn)單來說,具有三個(gè)“一”的特點(diǎn):精準(zhǔn)度達(dá)到“一個(gè)細(xì)胞”,可實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的分辨,在定向精準(zhǔn)“殺死”腫瘤細(xì)胞的同時(shí),使正常細(xì)胞幾乎不受損傷;目前醫(yī)院通用的光電子放療、質(zhì)子治療等手段,平均需要進(jìn)行二三十次治療,而病人通過中子技術(shù)通常僅需“一次治療”,在30至50分鐘內(nèi)就可以確保療效,極大降低了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);治療復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移腫瘤具有“一流療效”,面對(duì)多次放療后腫瘤對(duì)傳統(tǒng)反射治療產(chǎn)生抵抗力,再次復(fù)發(fā)后很難治愈的難題,中子治療產(chǎn)生的次級(jí)粒子可在腫瘤細(xì)胞內(nèi)迅速沉積大量能量,具有極高的相對(duì)生物學(xué)效應(yīng),從而可有效殺死復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞,給復(fù)發(fā)腫瘤病人帶去生的希望。

因此,在腫瘤治療領(lǐng)域,中子治療被稱為繼手術(shù)、傳統(tǒng)放療、抗癌藥物、免疫療法之后的癌癥“第五療法”,也被認(rèn)為是癌癥的“終極療法”。

但是,過往的中子治療依賴于傳統(tǒng)反應(yīng)堆來提供中子,很難在醫(yī)院中進(jìn)行臨床推廣。鳳麟核依靠其在小型化加速器中子源、中子束精準(zhǔn)調(diào)控、中子精準(zhǔn)治療計(jì)劃系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得的突破,摒棄了傳統(tǒng)反應(yīng)堆,采用小型化加速器中子源即可產(chǎn)生治療中子束,安全性高、投資成本低、便于在醫(yī)院進(jìn)行臨床推廣。

目前,鳳麟核已經(jīng)自主研發(fā)了以“鳳麟云”智能核科技軟件、“中子光”精密核探測(cè)裝備、“核電寶”先進(jìn)核能系統(tǒng)、“麒麟刀”精準(zhǔn)放射治療系統(tǒng)等為代表的“云光寶刀”系列創(chuàng)新技術(shù)。其研發(fā)的我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中子精準(zhǔn)腫瘤治療臨床應(yīng)用裝置“中子刀”,單臺(tái)(套)裝置每年可治療腫瘤患者2000人以上。

這是鳳麟核與山東大學(xué)齊魯醫(yī)院聯(lián)合共建中子醫(yī)學(xué)中心的“底氣”所在。目前,鳳麟核首臺(tái)(套)設(shè)備將落戶齊魯醫(yī)院青島院區(qū),并聯(lián)合青島市多家醫(yī)院共同開展中子治療的臨床應(yīng)用。今后,雙方將充分融合鳳麟核在中子科技以及齊魯醫(yī)院在臨床醫(yī)學(xué)方面的突出優(yōu)勢(shì),開展中子治療臨床試驗(yàn)及應(yīng)用,共同推動(dòng)高端醫(yī)療裝備、新藥物、創(chuàng)新診療方法等領(lǐng)域的研發(fā),在青島打造全球范圍內(nèi)引領(lǐng)發(fā)展的中子醫(yī)療產(chǎn)業(yè)集群。

隨著中子技術(shù)陸續(xù)在不同行業(yè)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用,越來越多的人看到了這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義,鳳麟核的名字也為更多人所熟知。面向未來,這支與“中子”親密無間的團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推動(dòng)中子技術(shù)在檢測(cè)、醫(yī)療、新能源等更多領(lǐng)域找到“用武之地”。(青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?耿婷婷)