在青岛研制国际首台高分辨率智能中子照相机,研发“中子刀”实现癌症治疗“细胞级”精度

凤麟核:让中子技术在青岛“照进现实”

最近,由青岛市科技局重点支持的园区培育计划项目“紧凑型高分辨率中子照相机”通过了由科技部认定的第三方专业科技成果评价机构——中科合创(北京)科技成果评价中心的科技成果评价。专家组一致认为,该成果具有自主知识产权,核心技术自主可控,实现了中子照相智能化,整体技术和指标达到国际领先水平。这是青岛研制的国际首台高分辨率智能中子照相机。

该成果由中国科学院院士、国际核能院院士吴宜灿领衔的凤麟核团队研制。这支团队专注于中子理论与技术研究三十余年,自2020年带着中子技术落户青岛以来,在青成立了中子科学国际研究院,以建成全球中子科技创新网络为目标,奋力在青打造国际“中子名片”,正推动相关项目产业化,让中子技术这一项前沿、未来技术“从梦想照进现实”。

中子技术领军团队与青岛一拍即合

中子,是构成原子乃至整个物质世界的基本粒子之一。相比于质子、电子等粒子,中子本身不带电荷,具有很强的穿透能力,是引发原子核反应的重要“媒介”,被称为核能与核技术系统的“灵魂”。

中子技术则是以核反应为基础,以加速器、反应堆、辐射源等为中子产生源,从而实现中子产生、输运、利用的相关技术,为20世纪最重要的科学发现之一。尤其是进入21世纪以来,中子技术与信息技术、先进制造技术、生物技术、材料技术等学科交叉,催生了中子检测、中子医疗、“中子能”等一系列战略性新兴技术,具有极其广阔的应用前景。

在安全领域,中子检测可以弥补传统无损检测技术的不足,实现物体深度部位的检测,并能准确区分不同元素成分;在健康领域,中子治疗是细胞级精度的肿瘤治疗技术,中子制药则可以生产疾病诊断和临床治疗中重要且广泛使用的99mTc、131I、177Lu、89Sr等同位素;在能源领域,“中子能”系统是一种相比传统核能系统在安全性、持续性、灵活性方面具有显著优势的先进核能系统……可以说,中子科技在资源勘探、先进制造、无损检测、医疗健康、核能利用等领域的应用具有显著优势。

在中子这项前沿技术领域,凤麟核已深耕了三十余年,其发展历史可追溯至上世纪80年代。现在,由中科院院士及多位国际知名院士领衔,以国家“973”计划首席科学家、国家重点研发计划项目负责人和新型产业化机构负责人等为领军人才,凤麟核已经打造了一支以高水平中青年科技人才为骨干的创新团队,其中科研骨干80%拥有博士学位。

诺贝尔物理学家卡罗·鲁比亚教授曾评价凤麟核为“世界公认的中子学领域引领者”。凤麟核承担了国家“973”“863”计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大计划等200余项国内外重要项目,取得了一批具有国际领先水平的原创性科技成果,曾获国家自然科学奖二等奖、国家科技进步奖一等奖、国家能源科技进步奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖一等奖等20余项省部级以上科技奖项。

而凤麟核与青岛结缘,起始于凤麟核团队来青参加的一次学术会议。在这次会议上,凤麟核在中子技术等领域的前沿成果与青岛开放包容的创新精神互相吸引,一拍即合。很快,青岛政府便用极大的热情和细致的服务打动了这支团队,办公、住宿、实验室等硬件条件一应俱全,凤麟核水到渠成地入驻青岛国际院士港,并推动中子技术系列成果在中子照相机、医疗领域实现了应用。

中子照相机实现“国际首台”,延伸青岛制造业“长板”

国际首台高分辨率智能中子照相机便是凤麟核落地青岛以来研制的第一个项目。

图片来源:凤麟核官网

中子照相技术是利用中子束穿过物体时在强度上的衰减变化,对被测物体进行透视成像,从而反映物体内部结构与材料的空间分布、密度、各种缺陷等综合信息。

作为一种新型的无损检测手段,中子照相穿透能力强、探测灵敏度高,还可以用于对放射性物质检测,具有传统检测技术无可比拟的优势,在高精密装备制造、特种设备无损检测等方面都大有可为,是一项亟待突破的关键技术,与青岛“长板”产业的发展需求也不谋而合。

但放眼整个行业,基于反应堆或大型加速器中子源的中子照相装置体积庞大,动辄便占地数十平方米,而且造价高昂,最高需要数百亿元,且相关产品难以实现工业化现场检测。

要解决这些难题,同时面临着如何同时实现装置的紧凑性和高分辨率等技术挑战。对此,凤麟核团队陆续攻克了中子靶近极限散热、紧凑环境高压绝缘、一体化小型中子源、高效中子慢化准直等关键技术,实现了高品质中子源的小型化与高保真中子成像的“兼得”。

“国际首台”的背后,是凤麟核团队的骨干成员废寝忘食地推动着技术的转化和落地。在最低零下14℃的天气里,他们在没有门窗、堆着建筑材料的毛坯房间内,反复研究中子靶、中子源、中子成像、中子软件等关键技术,工作到凌晨甚至通宵成了“常态”。一位成员告诉记者,那段时间,他每天睁开眼的“条件反射”就是争分夺秒调试设备。就是在这样的工作状态下,凤麟核实现了中子照相机从无到有,再到最核心的指标——成像质量达到了国际标准最高等级。

现在,团队研制的中子照相机已成功应用于航空航天、能源装备、电路结构、动力电池等多个领域,实现了无损检测,具有突出的市场竞争力,可为青岛高端制造业发展贡献力量。

在科技部组织的科技成果评价中,中子照相机获得了专家组给出的高度评价——“为解决我国亟需重大装备无损检测的难题做出重大贡献,经济社会效益显著,应用前景十分广阔”。

“中子刀”定向杀死癌细胞,让肿瘤治疗实现“细胞级”

前几天,凤麟核与山东大学齐鲁医院在青岛签署了共建中子医学中心战略合作协议,将携手开展中子治疗临床试验及应用。这是中子技术在精准治疗肿瘤领域迈出了规模应用的“一大步”。

中子精准肿瘤治疗又称硼中子俘获治疗,简单来说,具有三个“一”的特点:精准度达到“一个细胞”,可实现肿瘤细胞和正常细胞的分辨,在定向精准“杀死”肿瘤细胞的同时,使正常细胞几乎不受损伤;目前医院通用的光电子放疗、质子治疗等手段,平均需要进行二三十次治疗,而病人通过中子技术通常仅需“一次治疗”,在30至50分钟内就可以确保疗效,极大降低了经济负担;治疗复发、转移肿瘤具有“一流疗效”,面对多次放疗后肿瘤对传统反射治疗产生抵抗力,再次复发后很难治愈的难题,中子治疗产生的次级粒子可在肿瘤细胞内迅速沉积大量能量,具有极高的相对生物学效应,从而可有效杀死复发、转移的肿瘤细胞,给复发肿瘤病人带去生的希望。

因此,在肿瘤治疗领域,中子治疗被称为继手术、传统放疗、抗癌药物、免疫疗法之后的癌症“第五疗法”,也被认为是癌症的“终极疗法”。

但是,过往的中子治疗依赖于传统反应堆来提供中子,很难在医院中进行临床推广。凤麟核依靠其在小型化加速器中子源、中子束精准调控、中子精准治疗计划系统等关键技术方面取得的突破,摒弃了传统反应堆,采用小型化加速器中子源即可产生治疗中子束,安全性高、投资成本低、便于在医院进行临床推广。

目前,凤麟核已经自主研发了以“凤麟云”智能核科技软件、“中子光”精密核探测装备、“核电宝”先进核能系统、“麒麟刀”精准放射治疗系统等为代表的“云光宝刀”系列创新技术。其研发的我国首台具有自主知识产权的中子精准肿瘤治疗临床应用装置“中子刀”,单台(套)装置每年可治疗肿瘤患者2000人以上。

这是凤麟核与山东大学齐鲁医院联合共建中子医学中心的“底气”所在。目前,凤麟核首台(套)设备将落户齐鲁医院青岛院区,并联合青岛市多家医院共同开展中子治疗的临床应用。今后,双方将充分融合凤麟核在中子科技以及齐鲁医院在临床医学方面的突出优势,开展中子治疗临床试验及应用,共同推动高端医疗装备、新药物、创新诊疗方法等领域的研发,在青岛打造全球范围内引领发展的中子医疗产业集群。

随着中子技术陆续在不同行业实现应用,越来越多的人看到了这项先进技术的现实意义,凤麟核的名字也为更多人所熟知。面向未来,这支与“中子”亲密无间的团队将继续推动中子技术在检测、医疗、新能源等更多领域找到“用武之地”。(青岛日报/观海新闻记者 耿婷婷)

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