一、“揭榜挂帅”攻关任务

1.攻关任务名称

新一代加速器驱动的硼中子俘获癌症治疗关键技术

2.攻关任务背景和意义

硼中子俘获治疗（BNCT）是一种药械组合的精准靶向放疗方式，对比传统放疗或化疗，硼中子俘获治疗（BNCT）有着精准性高、副作用小的突出优势。“细胞级”精准爆破显著减少对周围正常组织的误伤，患者经历的副作用通常更轻。治疗次数少，时间短，整个疗程通常只需照射1到2次，每次照射时间约30至60分钟，大大减轻了患者的身心负担。此外，此项技术对某些难治性肿瘤效果显著且有望克服肿瘤耐药性，因此已成为肿瘤治疗领域各国争抢的技术制高点。此外，在行业标准建设方面，BNCT作为最新型的放疗设备，在检测过程中面临着标准空白、性能测试方法不明确、测试工具不完善等难点。

西安交通大学国家医学攻关产教融合创新平台王盛教授团队成功自主研发了器械、软件、药物全流程国产化的硼中子俘获治疗系统“HyBorSys^®”，该系统攻克小型化高加速梯度质子加速器技术，并在全球范围内首次实现长寿命固定式固态锂靶的工程应用，该示范装置已在湖州落地并平稳运行中，即将进入临床试验阶段。

同时，王盛教授团队与上海市医疗器械检验研究院依托西安交通大学国家医学攻关产教融合创新平台共建“硼-中子俘获肿瘤治疗技术联合实验室”，牵头制定全国首个BNCT设备检验标准。双方整合资源、互补优势，在BNCT技术标准化研究、检测方法创新及产业化领域合作，创新BNCT全套测试流程，最终攻克电气安全、电磁兼容、中子性能评价和TPS剂量准确性验证等技术瓶颈，确保所有检测参数全面达标，有力推动BNCT系统研发与检测水平提升，为我国创新医疗器械“产学研检医”协同的合作模式提供了成功范本。

3.技术方案

3.1高功率质子加速器系统

加速器系统主要包含离子源、低能传输线以及射频四极场加速器（RFQ）和高能传输线。加速器系统可将质子束流能量加速到2.8MeV，束流功率大于35kW，完成束流均匀化后传输至锂靶。用于AB-BNCT的加速器系统具有功率高、稳定高等挑战，主要开展以下研究工作：

（1）高功率加速器系统及稳定性研究

加速器系统由含离子源、低能传输线以及射频四极场加速器（RFQ）和高能传输线组成，需将质子束流能量加速到2.8MeV，束流功率大于35kW，对束流流强、功率和分布的稳定性具有很高的要求。离子源方面，开展强流质子束流的高质量、高效率引出研究，探究微波功率、微波匹配、真空度对引出束流参数、比例等的影响机制，提升稳定性、重复性；RFQ加速器方面，开展高流强束流的“匹配-均温”束流动力学设计与优化方法研究，高质量、高效率的实现束流的加速，开展“动力学-射频-多物理”的耦合计算迭代方法，解析动力学参数、射频结构、腔体功耗、频率漂移等参数之间的关系，提升腔体的综合性能；束流稳定性方面，开展高功率束流的高精度测量方法研究，包括束流位置、束流分布与均匀度等，为束流参数的诊断提供基础，开展束流稳定性影响分析，探究束流位置、流强、射频功率、磁场大小对束流参数的影响机制，并开展束流自适应调节研究，实现稳定性的闭环调节。

（2）高功率高密度射频耦合器研究

射频耦合器需要将射频功率稳定馈入至RFQ加速器中，对于加速器内射频场的建立和束流的稳定加速至关重要。本项目将开展用于AB-BNCT的高功率高密度射频耦合器的研究，提升可承受功率、减小耦合器体积、延长工作寿命。陶瓷窗射频传输与匹配研究，探究陶瓷窗形状、扼流结构、陶瓷位置、陶瓷材料和厚度对射频参数、加工工艺、热负载的影响，优化陶瓷窗结构；二次电子效应及抑制研究，分析不同功率等级下耦合器内二次电子倍增现象研究，分析并优化重点区域，减少二次电子的产生，研究陶瓷窗表面TiN镀膜、偏压抑制等策略对二次电子抑制的影响，提升耦合器性能；耦合器高功率离线锻炼及寿命评估研究，开展基于行波谐振环的耦合器高功率锻炼平台研制，实现高射频功率的产生与调节，进一步开展耦合器锻炼，评估其性能与寿命，为耦合器性能的提升、寿命预测提供基础。

（3）高加速梯度射频结构研究

RFQ加速器的加速梯度随着束流能量的增加而降低，导致其长度长、成本高、占地面积大。本项目将开展RFQ+DTL的组成加速方案研究，在保证束流横向包络约束的基础上，极大提高加速梯度，并获得质子能量调节的能力。本研究旨在针对出口能量可调的IH-DTL动力学设计方法，提出有效的能量调节方法，兼顾束流能量和束流质量；开发加速腔体的电磁-热工-结构-流体多物理耦合计算方法，基于此完成复杂冷却通道的优化并评估冷却效果，结合冷却水参数监测手段，实现IH-DTL 腔体有效可靠的热管理，保证腔体在连续波工作模式下的稳定运行；形成和掌握连续波IH-DTL腔体的加工工艺，实现连续波模式、额定射频功耗下的稳定运行，研究内容包括：面向出口能量调节的束流动力学研究与设计。开发束流动力学设计程序，可用于对不同动力学原理进行分析研究；在保证腔体稳定运行和束流传输效率的前提下，探索调节出口能量的有效方案；研究提高腔体横纵向接受度又不失结构紧凑性的束流匹配方法；连续波 IH-DTL 射频优化及水冷分析设计。采用单周期和全尺寸模拟，进行射频特性分析，并完成对多参数的约束优化；研究分析加速器腔体射频结构与动力学耦合产生的误差，进行射频结构电磁-热工-流体耦合计算；连续波IH-DTL功率腔测试及射频稳定性研究，对腔体进行冷模测试，测量其实际场分布、频率、Q值等性能参数与模拟值的偏差；开展高射频功率下的稳定性研究，探究其极限加速梯度。

3.2 长寿命中子源固态锂靶

对用于 BNCT 的加速器中子源来说，靶系统是产生中子的核心部分，直接决定治疗期间患者接收辐射治疗的中子品质高低与否，所以开发运行寿命长、稳定可靠的靶系统至关重要。目前，国际上尚未开发出长寿命且可靠的用于 BNCT 的加速器中子源靶系统，靶系统已经逐渐成为基于加速器的 BNCT 实现过程中的卡脖子问题。为此，团队将对靶系统在整体层面上进行设计，同时全方位考虑研究中的关键问题，研究设计出预计产额可达 10¹³ n/s、长寿命并在此期间安全可靠运行的用于BNCT的加速器中子源靶系统，主要开展以下研究工作：

(1) 质子束斑均匀化及分布影响研究

采用均匀化方案能够有效降低靶面上的热功率密度，但无论是八极磁铁方案还是扫描磁铁方案都无法做到理论上的完全均匀，局部的束流集中会对靶局部冷却及耐辐照性能产生差异。本项目基于中子束流品质和靶上的功率密度分布，确定靶上均匀化质子束斑的主要参数；采用 PIC 粒子传输模拟方法，通过粒子传输模拟研究并比较基于非线性磁铁或者扫描磁铁的均匀化束线方案两种手段实现束斑均匀化，有效降低靶上的功率密度，减弱靶冷却难度。掌握非线性磁铁的位置、磁场大小，扫描磁铁的频率、扫描扫面方式等参数对靶上功率密度的均匀性程度与束斑尺寸的影响规律， 研究磁场、准直、束流等误差对均匀化的影响，提出靶上束斑均匀化的有效手段。探究质子束斑均匀性程度差异对靶系统抗氧化薄膜、辐照损伤和冷却效率的影响，以及局部束流集中引起的冷却与辐照损伤问题。

采用非线性铁方案时的(a)束流包络与(b)靶上束斑分布

(2) 质子轰击对靶抗辐照损伤及抗氢脆性能影响机理研究

由于靶结构长期处于质子辐照环境下，质子在靶结构内聚集会引起氢脆问题，最终导致靶结构破坏。本项目基于有限元分析软件模拟，通过氢在材料内的聚集程度以及扩散情况对靶体所用到的衬底金属材料的溶氢能力进行初步评估，并结合粒子输运蒙卡方法计算材料经过质子辐照后的 DPA 值，量化材料的辐照损伤程度。基于本团队的加速器辐照实验平台，对高功率、高流强中子源靶所用到的衬底材料进行辐照实验，并通过 SEM、 TEM、 PAS 等表征手段，研究衬底材料内部由质子轰击引起的晶格破坏构成的氢陷阱，以及氢在材料内部扩散并聚集进而导致的表面形貌变化，从而对比不同衬底材料的抗辐照水平。在微观层面上研究氢在衬底金属内部沉积后的吸附位点、聚集趋势及迁移路径，总结衬底材料的氢起泡机理。基于密度泛函理论，采用重头算或第一性原理计算方法，从原子尺度模拟不同衬底材料中氢在金属晶格内的聚集导致材料表面形成鼓泡的过程，探究金属材料受质子辐照后氢致鼓泡的机理。建立金属衬底评价模型，从物理性质、活化产物、实验测量、实际加工、成本寿命等多方面综合评估高功率、高流强中子源靶所用的衬底材料。

氢扩散模拟计算模型

(3) 辐照-热工-流体耦合条件下的靶的高效冷却机制研究

由于靶长期处于辐照-热工-流体的耦合物理场，靶的冷却机制会受包括辐照引起的靶结构破坏，温度上升引起的薄膜应力等多方面的影响，研究辐照-热工-流体耦合条件下的靶的高效冷却机制将是延长靶寿命的关键。本项目通过建立粒子输运蒙卡方法和计算流体力学有限元方法的耦合模型，对受强流质子辐照下的中子源靶进行高效冷却机制研究。针对高功率、高流强靶中锂-衬底-铜三层结构进行多物理场耦合分析，由于中子源在高辐照剂量、高质子流强、及高热负荷工作环境下会引出靶体材料变性、靶结构破坏、热密度局部集中等问题，从而导致靶出现传热恶化、冷却效率下降的问题，最终导致靶体寿命骤降甚至失效，无法长期工作。针对辐照-热工-流体耦合的靶工作条件，研究不同冷却液流态的对流换热系数、脉冲束及连续束的微秒级热冲击响应、材料辐照变性的冷却性能下降，以及冷却液不同流量不同温度下的冷却效果等。根据前端质子能量、流强及束斑均匀性程度要求，通过粒子输运蒙卡方法，精准确定传热模拟源项，优化靶的结构和参数，制定多物理场耦合下的高效冷却靶结构。基于低能高流强加速器测温平台，对设计的高效冷却靶结构进行测温测定，通过实验结果评价冷却靶结构。

用于BNCT的方形固态锂靶

3.3 辐射屏蔽

针对加速器驱动的硼中子治癌系统产生的中子及伽马射线混合辐射场，本团队提出一套基于多目标优化设计理念的先进辐射防护方案。旨在实现“屏蔽效能最大化、空间体积最小化、综合成本最低化”这一多目标优化的工程问题。

(1)           设计方法和目标

采用基于计算智能的多目标优化框架，对屏蔽系统进行全局最优设计。以蒙特卡洛程序（如PHITS、MCNP）为核心计算器，精确模拟中子和光子在复杂几何中的输运过程，评估剂量率；集成多目标遗传算法，自动探索设计变量空间，寻找帕累托最优解集；由决策者从帕累托前沿中，选定最终实施方案。

优化变量包括屏蔽材料的厚度与布局，优化目标包括①治疗室外部关注点的剂量率最小化；②屏蔽系统的总体积和占地面积最小；③材料与建造成本最低，同时考虑长期维护的便利性。

(2)           监测方案

① 剂量监测：在关键位置布设中子和伽马射线辐射探测器，实时采集辐射场数据，实现实时在线监测与异常诊断；②个人计量监测：配备直读式个人剂量计和光致发光/热释光剂量计，实现个人累积剂量的监测与管理；③安全连锁：将剂量监测系统加速器系统、门禁集成安全联锁。监测到剂量异常或人员误入时，系统将立即触发声光报警并自动中止出束。

(3)           安全管理制度

① 成立辐射安全委员会，负责审批所有操作规程、应急预案，并监督执行；② 制定从设备开机、设备调束、患者摆位到日常维护的全套操作流程，确保每一步操作都有章可循；③设计运行期间可能产生的放射性废物（活化后的冷却水、更换的屏蔽材料）的处理处置方案。

3.4 中子治疗计划系统（TPS）

（1）人体模型建立方法

构建用于蒙特卡罗计算的患者三维模型是BNCT-TPS的第一步，其建模精度直接影响了剂量结果的分辨率、可信度及计算时间。与传统放疗类似，BNCT-TPS建模的核心是建立人体的个性化体素模型。但是，BNCT的治疗效果受硼药分布的影响较大，BNCT-TPS需要额外考虑硼药在人体内的时间和空间分布情况。

随着相关技术的进步，解析DICOM（Digital Imaging and Communications in Medicine）标准医学影像的能力被融入BNCT-TPS中，用于获得更精细、更完整的影像资料。像素级分析可帮助BNCT-TPS实现对每幅图像各像素点材料组织及组分的精细化分类，如图（a）所示。将定义好ROI的CT图像按顺序叠加后，系统即可构建出患者的三维模型，如图（b）所示。

基于DICOM图像建立个性化体素模型

中子与同一元素的不同同位素发生反应的概率不同，因此在BNCT-TPS建模时需要根据医学影像显式给出材料的核素组分。常见的材料组分确定方法有基于标准人体组分数据库的同质建模以及基于HU值的异质建模。为了平衡建模精度和计算成本，采用自适应区域均匀的建模方法，该方法融合了上述两种方法的优势，在大区域内通过加权和统计算法计算得到该区域内材料的质量密度和元素组成，在重要区域内通过HU值异质建模。

（2）硼药时空动力学模型

在硼药动力学研究的早期，通常采用两房室模型，假设BPA的分布可以用中央室（血浆及高灌注组织）和外周室（低灌注组织及完整血脑屏障区域）来描述。然而，现有研究表明，BPA的体内分布表现出明显的浓度梯度，尤其是在肿瘤内、肿瘤边界区域以及远端正常组织之间存在显著的硼浓度差异。因此，本研究将传统的两室模型扩展为三室模型，以更加精确地表征BPA在肿瘤组织中的特异性摄取及空间分布。新模型增加了一个特定的肿瘤房室，以反映BPA在肿瘤细胞中的高度富集，从而更准确地预测肿瘤区域的硼浓度变化。

为了获得硼浓度的三维空间分布信息，本研究使用PET成像和人工智能图像修复算法相结合的方法。正电子发射断层成像（PET）是一种基于放射性核素示踪技术的功能影像学方法，能够非侵入性地呈现生物体内分子代谢活动的三维分布特征。在BNCT中，可以通过PET成像技术与CT解剖图像的协同配准，构建硼化合物在肿瘤及正常组织中的空间分布模型。在得到PET影像之后，每一个像素点中¹⁸F-BPA的放射性活度与硼浓度存在一定的映射关系，该关系可通过分子化学获得。在建立PET图像像素值与硼浓度的定量关系后，可通过多模态医学影像配准技术，将功能代谢信息与解剖结构精准整合。PET图像的空间分辨率（4-5 mm）显著低于CT（亚毫米级），且分时成像中患者体位偏移与器官运动可能导致空间错位。因此，本研究采用人工智能图像修复算法，消除模态间空间误差，确保硼浓度分布与解剖靶区的几何一致性。

（3）剂量计算引擎

本研究使用拥有自主知识产权的蒙特卡罗引擎进行粒子输运计算。上述两部分研究可将人体图像中按照1个像素对应1个体素进行建立，以实现更准确的计算。为了尽可能缩短计算时间，本研究采用快速蒙特卡罗输运算法，使其效率相比于传统蒙特卡罗算法高出3倍左右。此外，利用蒙特卡罗计算中的大计数网格，采用特殊的中央处理器并行模式，减少中央处理器之间的数据交换，从而提高计算效率。

在生物等效剂量的计算中，本研究开发了RBE模型。该模型基于微剂量学，考虑过度杀伤效应的饱和参数，通过细胞矩阵模拟，充分考虑了细胞内和细胞间B-10浓度的不均匀性。此外，还增加了剂量率常数，以考虑长期照射下剂量率对模型的影响。与传统的生物剂量评估方法相比，该模型可以更准确地计算出不同含磷化合物和不同深度对应的生物剂量。

二、团队概况

硼中子俘获治疗团队由国家级海外高层次人才王盛教授作为学术带头人，现有教授2人，副教授1人，助理教授及医工交叉博士后4人。

团队成员与上检院领导专家合影

近年来，团队聚焦癌症精准治疗，围绕我国精准癌症治疗的需求，以核技术、靶向药物、人工智能、临床医学等技术为支撑，打造BNCT整体解决方案。团队成功完成了新一代AB-BNCT技术的设计和研发，研究攻克了加速器中子源装置、新一代高效含硼药物、自适应治疗计划系统等关键技术难题，相关性能指标国际领先，产品方案全流程国产化自主可控。团队获批多项国家重点项目，授权软件著作权60余项，授权发明专利150余项。团队成果已通过三类医疗器械型式检验，被中国医疗器械行业协会评价为“在BNCT领域国际领先”，央视等官方媒体进行多次专题报道，获中国国际高交会优秀产品奖、全国医学装备创新大赛一等奖、全国博士后创新创业大赛银奖、陕西省博士后创新创业大赛金奖、陕西高等学校优秀科研成果奖、中国核学会技术发明奖等多项奖励。

硼中子俘获治疗团队发展历程

三、近三年（平台成立起）攻关领域科研情况

近三年承担攻关领域横纵向项目15项，其中省部级项目3项，国家级项目8项，发表论文51篇，获攻关领域省部级以上重大奖励3项。主办及参与学术活动10余次，邀请企业及行业专家来校授课及讲座5场次。

团队取得的代表性学术成绩

联合承办2025年中国化学会第五届硼化学会议

承办2024年第30届中子与核相互作用国际研讨会（ISINN-30）

西安交通大学与上海市医疗器械检验研究院“国家医学攻关产教融合创新平台硼-中子俘获肿瘤治疗技术联合实验室”揭牌仪式

西安交通大学第一附属医院聘请王盛教授担任Med-X研究院副院长及核医学科、肿瘤放疗科双聘教授

四、团队人才培养情况

2023至2025年，共招收本科生7人，硕士生30人，博士生10人。其中1人获得首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）、2人获博士后创新人才支持计划、10人获得个人荣誉。开设攻关领域必修及选修课共计6门。

五、合作开展情况

团队已和浙江省湖州市、陕西省咸阳市等多地政府签署项目落地合同，已与中山大学肿瘤防治中心、北京大学第三医院、浙江大学第二附属医院湖州院区等40余家医院达成合作意向，开展科学研究、临床试验和患者招募等。

六、转化成果

6.1 全自主知识产权的硼中子俘获治疗系统

团队成功研发出具有全自主知识产权的硼中子俘获治疗（BNCT）系统，标志着我国在尖端精准放射治疗技术领域实现了从“跟跑”到“并跑”乃至“领跑”的重大突破。该系统已围绕核心部件与整机技术（包括BNCT治疗装置、治疗计划系统、含硼靶向药研发工作）申请了数百项专利，构建了完整的知识产权壁垒。该成果不仅得到央视《新闻联播》、新华社、人民日报等主流媒体的集中报道，更吸引了各级领导人亲临现场视察参观，对团队在打破国际垄断、实现高端医疗器械自主可控方面的战略意义给予了充分肯定。团队在2023年依托西安交通大学国家医学攻关产教融合创新平台孵化成立华硼中子科技（杭州）有限公司，并完成超亿元人民币天使轮融资，2025年再度完成数亿元人民币Pre-A轮融资。硼-中子俘获治疗系统已入选国家药监局“医疗器械审评前置重点产品”、获得多个省部级重大科研项目，入围2024年医疗器械行业创新指数百强，并与头部三甲医院共建全省重点实验室1个、省级工程研究中心2个。目前，自主研发的首台套HyBorSys^®BNCT系统顺利通过了上海市医疗器械检验研究院的注册检验，其临床应用将大幅降低治疗成本，惠及广大癌症患者，并有望催生一个百亿级别的产业集群，为打造生物医药产业高地和实现健康中国战略注入强劲动能。

HyBorSys®BNCT全流程解决方案的研发，覆盖加速器中子源系统、硼药及治疗计划系统（TPS），实现了BNCT技术的完整闭环

首台套HyBorSys®BNCT系统医疗器械注册检验报告交付仪式

团队成果得到社会各界的广泛关注和支持，包括全国人大副委员长陈竺、原科技部部长王志刚等各级领导莅临指导，以及新闻联播、新华社等主流媒体报道

6.2 世界首条加速器中子源靶系统生产线

中子源靶系统是BNCT装置的“心脏”，长期在强辐射、高热负荷的极端环境下工作，是技术壁垒最高、最易损耗的核心模块。团队依托在核技术及应用领域深厚的积累，团队已建成并投产了世界首条加速器中子源靶系统生产线。这一产业化里程碑成就根植于团队长达十余年的前瞻性科研积累，在Applied Surface Science、Annals of Nuclear Energy、NIMA等国际权威期刊上发表的数十篇关于中子物理、靶材与热管理的核心论文，深入揭示了极端工况下中子产生与靶体作用的机理，为工程设计提供了关键理论支撑。更为关键的是，团队围绕高功率密度靶的冷却结构、抗辐射复合靶材、以及长寿命靶-束耦合接口等核心技术，从“材料-结构-工艺-系统”进行了超前且全面的专利布局。这些基础研究驱动了生产线的建成，实现了从实验室论文图表与专利证书，到工业化生产线与稳定可靠产品的华丽转身，标志着我国在尖端医疗装备核心部件的研发与制造上，完成了从学术追赶到产业引领的跨越，确保了我国BNCT产业的发展不再受制于核心部件的“卡脖子”风险，为BNCT治疗中心在全国乃至全球的快速、大规模建设提供了坚实的供应链保障。

世界首条加速器中子源靶系统生产线及生产的多层复合结构固态锂靶

七、创新创业

1.核心技术支撑企业发展

 

2.孵化企业

八、潜在可转化技术

（1）面向极端工况的基底微通道焊接技术

在研制高性能加速器中子源靶系统的过程中，团队识别出一个制约系统性能与可靠性的关键共性技术瓶颈，即基底微通道结构在极端工况下的高可靠连接技术。当前传统焊接方法难以在承受高强度热-机械交变载荷的同时，确保微流道的几何完整性和长期密封稳定性，这一技术难题限制了中子源靶系统的升级迭代。基于此，开发面向极端工况的专用微通道焊接技术被视为一个极具潜力的可转化方向。通过研发新型活性钎料体系、创新连接工艺并建立智能化质量监控方法，有望形成具有自主知识产权的成套技术解决方案。该技术的突破将产生包括核心专利包、专用工艺规范及特种焊接装备在内的系列化成果，不仅可为硼中子俘获治疗系统提供技术支撑，更可向高功率电子器件散热、新能源电池热管理、航空航天热防护系统等高端制造领域提供技术授权与定制化解决方案，具有广阔的市场应用前景和产业化价值。

（2）基于加速器的硼中子俘获治疗设备：基于前期的技术积累，目前团队已实现RFQ加速器系统原型机的开发与调试。在原型机设计阶段引入人工智能技术，实现了AI辅助加速器设计，极大提高了原型机的开发效率与设备性能。RFQ加速器原型机当前运行稳定，多项关键参数行业内领先。并且设备已完成医疗器械型式检验，即将进入临床试验阶段。具备极大的社会价值与产业化潜力。