yingzhang1的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yingzhang1

博文

2.4大科技工程二:可以考虑的加速器项目系列

已有 1080 次阅读 2019-11-10 09:05 |个人分类:科技1|系统分类:观点评述

前文我们提到,超级对撞机存在着一些不足,所以导致支持这个大工程项目的人不多。网络上有一个非常流行的话语,用来批判老是唱反调的人(naysayer),“你行你上啊,不行别哔哔”[1]。想要在网络辩论中取得优势,仅仅提供反对意见是不够的,还需要提供一个备用的解决方案,才能够算是友好的建设性的批评。这里提供一个可以考虑的加速器系列项目,在比较低的经济代价下,可以对我们的基础科研、应用研究与人才培养都有一定的助益。

超级对撞机存在一些不足:由于建设周期长,缺少可持续的阶段性成果;经济代价比较高,挤压其他学科的研发经费;由于是“终极”项目,难以可持续地发展技术与培养人才。所以一个备选的大科技工程,至少要解决这三个方面的问题。加速器研究可以考虑的改变方向比如小型化发展,或者与生命科学相结合。现在国内自主研发了用于癌症的放射治疗(radiotherapy)的第一台重离子/质子加速器[2]。在此之前国内用于癌症放疗的只有两台质子/重离子加速器,分别是淄博万杰肿瘤医院质子刀医疗中心与上海质子重离子医院;而美国的质子加速器治疗中心约有30个之多(2017年数据,参见文献[3])。对质子加速器治疗装置进行系列化的研制,是一个很好的大科技工程的备选,相对于超级对撞机有多方面的优势。

设计一代、制造一代、维护一代,是系列化研发项目的一个重要特点,这样的特征有不少好处。首先、每个阶段的资金投入都可以取得了阶段化成果,每建成一个质子加速器,都可以用来医治肿瘤病人。其次、技术的改进和创新可以得到可持续地应用与优化,而不会产生屠龙以后束之高阁的技术,也是与欧美竞争的肿瘤医治技术。由于不同代际的加速器项目,研发人员也可以找到可持续的工作任务与需求,更好地培养人才。最后、当一个质子/离子加速器最终由于老化退出的时候,还可以作为一个科学博物馆,让大家以更直观地理解和观察的科技的发展与进程,作为科普的一环。

系列化的质子加速器的研制,类似高铁网络的长期项目,会有更多通用零部件、硬件、软件模块的国产化与量化生产,而持续地降低成本产生性价比更高的质子治疗装置。质子加速器相对于常规的光子束放射疗法的一个重要优势在于没有出口剂量(exit dose,对于成长中的儿童与青少年的肿瘤放疗都有好处[4]。在一些拥有质子治疗装置的发展中国家,一个很大的问题是缺少基本放疗的人力资源与装备,对于低收入国家而言,90%的人们甚至无法获得基本放射治疗;而质子治疗装置的价格高昂,每台装置的成本预估为1.4亿美元,也限制了质子放疗的推广[5]。通过系列化研制降低成本,或许这些癌症治疗加速器项目,可以类似高铁列车整套出口,扩大与东南亚国家、一带一路国家的合作与交流,推动低收入与发展中国家的肿瘤治疗措施的提升。

物理学科在科学史上对医学与生命科学的研究也有巨大的影响,它并不只是基础科学的研究,而是广泛扩展到工业界与应用领域。比如,获得诺贝尔物理学奖的研究发现X射线、核磁共振(NMR)在医学成像领域的推广应用产生了诺贝尔生理学或医学奖的X射线计算机断层成像(CT)与核磁共振成像(MRI)技术,而激光用于做手术在医学中也是特别常见。在不少美国名校,都有医学物理(medical physics)的研究生项目,比如哥伦比亚大学,芝加哥大学,与宾夕法尼亚大学等等[6]。普林斯顿大学的生物物理学教授罗伯特·奥斯汀,给出了癌症研究中很多需要物理学者参与的情况:比如一组的细胞如何行为可以尝试用物质科学中的网络理论去解释,数学分析可以用来建立癌细胞生长与扩张中的细胞行为,如何改善医疗成像技术等等[7]。超级对撞机的研发因为集中在物理领域,而让其他领域的研究人员担心经费会遭到挤压,较少获得其他领域的支持;一个好的物理项目可以创造双赢或者多赢的局面。系列化的质子加速器的研制可以作为一个推动我国的医学物理的发展的契机,不用过度依赖于外国医疗器械厂商的整套仪器设备,而开发研究新的医学物理的技术装置、仪器设备与软件系统。通过系列研究,我们可以去追赶那些医疗成像领域的耳熟能详的巨头[8],比如富士胶片公司、通用电气医疗,西门子医疗、菲利普医疗、鸟津制作所、东芝医学系统、日立医疗系统(已被佳能收购)等等。

在培养硕士、博士研究生的过程中,大多数人都是要进入社会工作,而不是在高校从事教职的。学生选择读研的时候不能盲目、需要考虑未来的出路,如果他们发现这个专业没有前途,肯定也会用脚投票,转专业去更广阔前景的领域学习与工作。超级对撞机项目之类的进行规划的时候必须考虑学生未来的就业,否则容易导致粒子物理人才的可持续发展与培养出现断层,影响整个领域的长远发展。现实情况是,有不少粒子物理方向的博士毕业以后,发现没有对口专业,只能继续学习编程等技术,转行重新换工作,从事一个与专业相关性很少的工作。因为把积累多年的知识与能力都丢弃了,他们往往产生读研、做博后只是“过河拆桥”一般被利用了的感觉,而后悔浪费了这么多年读书科研。我没有关于粒子物理就业的统计数据,仅以笔者卡内基梅隆大学同年入学的4个核与粒子物理方向毕业的博士为例:一个在欧洲核子中心(CERN)的项目做博后,一个进入金融公司做量化分析,一个做软件工程师,一个做数据科学家。的确或许学物理的可能是智商比较高,所以学习其他技能也很快,可以转行找到新的工作;但是如果他们可以不读粒子物理的博士、更早进入这个新行业,那么更能够在工作的公司或者该行业取得更高的成就。

在人才培养方面,这样的系列化质子加速器的研究也有自己的优点。实验粒子物理学采集了大量的数据,而且针对不同的统计分布,有各式的分析方法与手段。系列化的质子加速器装置可以提供多个不同侧面的大数据,对于人才培养是一个很难得的交叉领域。这样的粒子物理学家关于大数据的存储获取的方案可以进行探讨,迁徙到用来整合未来的医疗大数据的通用标准。放射性与其他物理成像技术采集的大量数据也可以用于进行深度学习的医疗诊断(如基于图像识别的卷积神经网络可以在皮肤癌的分类中胜于皮肤病医生[9])。而毕业的加速器方向的物理研究生们,也可以更容易地寻找工业界的数据科学家之类的工作,或者坚持在本领域,继续从事医疗物理的研究。

系列化的质子加速器装置的建设可以选择在若干省市进行试点,然后根据试点的效果进行推广。一些经济领先的省市可以在预算有一定冗余度的情况下进行研发(研发有试错成本),成功以后的经验可以移植到其他省市,产生类似“先富带动后富”的效果。这样积累的知识与技术可以扩大,一些研制过程中脱颖而出的新生代的研究新星也可以在新的装置承担更加重要的技术专家的作用。当发展到比较成熟的阶段时、可以覆盖到每个省(或直辖市)都有一两个癌症医学中心,进一步推进物理、医学、大数据的交叉融合,提高协同作用的额外收益。不同地区医疗病患的诊疗数据,可以有很好的医学用途,比如随机化实验(randomized experiment)来验证治疗手段效果的统计显著性检验。而且还通过不同地区的分布对比获得新的远见。在30多个省市建立的若干个癌症中心,也可以用来从数据对比,统计出不同疾病在不同地域的影响。2017年的一篇科研文章发现,华北居民的寿命比华南居民略短,极大可能是因为北方供热产生的污染造成的[9],这对于我们该采用什么样环境治理的措施是巨大的证据支持。 类似的,我们也可以通过这样的癌症医学中心来寻找环境及其他因素的影响,推进更好的医学研究:比如吃辣或者其他的饮食习惯是否增进肠癌的概率,环境污染会否增加肺癌的概率。有很多不同的用重要意义的医学课题,依赖于物理学者、环境学者、医生、生命科学学者等共同研究探讨。

通过不同领域技术的交叉,以及不同地区的数据采集与分析,质子加速器医疗中心不仅可以产生治疗病患的直接经济效益,更加可以将一些先进的图像识别技术、大数据存储技术、医学成像技术等等协同起来,类似高铁网络的交叉,发现一些新的研究前沿,推动我们国家的医疗水平与应用科研的水平地发展。

 

声明与后记:

笔者并不是质子放疗方面的学者,所有关于该方面的知识,从《自然》《科学》等期刊文献及网络资源中得来,从我所读到的文献来看,质子加速器装置有一定的发展潜力。针对质子加速器也有一些批评意见比如,基本的放疗价格低廉,而且在治愈率与减轻痛苦上也非常有效[5]。关于放射治疗的新科技一直都在增加,比如断层疗法(tomotherapy)但是并不一定可以解决发展中国家的问题。引文[5]认为对于低收入国家,更需要的是基本放疗手段的普及与医护,而不是盲目追求更高的新科技。笔者使用质子加速器的例证主要为了表达一个好的大科技工程如何通过系列化研制的手段产生更加可持续的发展,以及如何通过学科交叉,创造多赢的局面。推广或者反对这种特定的质子放疗技术需要更多该行业的专家进行讨论认证。

 

 

引用文献:

[1]注:因为这个流行语过于流行,笔者也找不到一开始的出处。网上也有针对“你行你上啊,不行别哔哔”这句话很好的反驳方式。尽管我不是一台冰箱,我没有“寒冰掌”这样制冰的能力,但我依然有资格可以评价不同冰箱的好坏的使用感受。

[2] 丁佳,中国科学报,治病救人的大科学装置,中国有了,2019年10月10日,http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/10/431342.shtm,2019年11月9日最后访问。

[3] Wikipedia: Proton Therapy, 维基百科:质子治疗,2019年11月9日最后访问。

[4] Levin, W. P., H. Kooy, J. S. Loeffler, and T. F. DeLaney. "Proton beam therapy." British journal of Cancer 93, no. 8 (2005): 849.

[5] Sullivan, Richard, C. S. Pramesh, and Christopher M. Booth. "Cancer patients need better care, not just more technology." Nature 549, (2017), p325.

[6] 哥伦比亚大学、芝加哥大学、宾夕法尼亚大学的医疗物理研究生项目。https://apam.columbia.edu/medical-physics-doctoral-program, https://medphys.uchicago.edu/, https://www.med.upenn.edu/mpp/2019年11月9日最后访问。

[7] 罗伯特·奥斯丁,癌症生物学依然需要物理学者,自然,550卷,431页,2017年。Robert Austin,Cancer biology still needs physicists, Nature, vol 550, page 431 (2017).

[8]医院管理网站,十大诊断医疗成像设备制造商,Top ten diagnostic imaging device manufacturers,

2019年11月9日最后访问。

[9] 霍尔格·汉索等,人机对比:关于皮表透光显微镜图像的黑色素瘤的识别,卷积神经网络58名皮肤病医生的诊断表现对比,肿瘤年刊,29,1836页,2018年。Haenssle, Holger A., et al. "Man against machine: diagnostic performance of a deep learning convolutional neural network for dermoscopic melanoma recognition in comparison to 58 dermatologists." Annals of Oncology 29, (2018): 1836-1842.

[10]艾唯拉翰·爱本斯坦等,空气污染的持续暴露对于预期寿命的影响的新证据,来自中国的淮河政策,美国国家科学院院刊,114卷,10384页,2017年。 Ebenstein, Avraham, et al. "New evidence on the impact of sustained exposure to air pollution on life expectancy from China’s Huai River Policy." Proceedings of the National Academy of Sciences 114, (2017): 10384-10389.




http://blog.sciencenet.cn/blog-3116575-1205545.html

上一篇:2.3大科技工程一:超级对撞机、烟大隧道的共同不足的探讨

5 代恒伟 郑永军 宁利中 郑强 石晓燕

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (1 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-12-9 09:48

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部