技术进步能否降低质子治疗成本(一)：缩小旋转机架体积
近年来，质子治疗的应用愈加广泛，目前全球已有超过60家质子治疗中心。然而，成本远高于光子放疗仍然是限制质子治疗进一步普及的主要因素。2018年4月，来自瑞士Paul Scherrer研究所 (Paul Scherrer Institute, PSI)、欧洲核子研究组织(CERN)和慕尼黑大学的研究人员在《Seminars in Radiation Oncology》杂志上发表了一篇名为《技术进步能否降低质子治疗成本？》的文章，总结并讨论了目前能降低质子治疗资金投入或运营成本的技术进展，其中包括质子治疗设备的进步，例如旋转机架和加速器，以及设施结构和治疗流程中的效率。小编将分四期为大家呈现文章中的精彩内容。
目前旋转机架的设计理念是体积更小、更简单的机械设计以及应用新技术实现新的束流传输方式。
尽管结构设计已经有大幅度的改进，但质子治疗旋转机架的基本概念和特征与第一台旋转机架相比并没有发生太大变化。旋转机架起初采用的是“螺丝锥型(corkscrew)”设计，束流的偏转在两个垂直的平面上实现，这使得长度仅为7米的旋转机架的半径达6米。其他大多数旋转机架多采用可以使束流偏转的磁铁结构。
相比于光子放疗的旋转机架，质子治疗的旋转机架体积非常庞大。这是因为质子的质量是电子的1800多倍，质子束的偏转半径可达到1.5米，需要大体积的磁铁。通常磁铁结构使束流首先偏转45°-60°，之后朝向等中心点(isocenter)在反方向上偏转120°-135°，第二次较大角度的偏转需要一组磁铁。磁铁的结构取决于笔形束的束流动力学特征，特征之一是消色差(achromaticity)。在消色差旋转机架(achromatic gantry)中，质子的能量散射范围在1%-2%内(多数是安装回旋加速器的设施)，通过机架时几乎无能量损失，并且不影响笔形束在等中心点上的大小和位置。
决定质子治疗旋转机架体积的主要参数
这些因素和额外的束流动力学要求(本文只限讨论笔形束扫描)限制了机架的紧凑型设计。目前大多质子治疗的旋转机架长度为8-10米，半径为4-5米，具体的半径组成如下：
质子束偏转半径为1.5米；
偏转磁铁宽度为0.5-1米；
磁铁线圈和扫描磁铁所需空间为1米；
源轴距(SAD)，虚源(virtual source)(扫描磁铁位置)到轴的距离为1.5-2.5米，这也是决定最大照野的重要参数，治疗头部分位于扫描磁铁下游，因此也在SAD范围内。
短源轴距可缩短旋转机架半径
从上图中可以看出，决定旋转机架半径最重要的部分是SAD。缩短SAD长度可增加笔形束靠近照射野边缘区的剂量不确定性而导致并发症的发生，或射野的缩小以防止这种情况发生。解决方式是将扫描磁铁置于最后一个偏转磁铁之前，如PSI、海德堡重离子治疗中心(HIT)、和日本放医研(NIRS)；或者置于最后一组偏转磁铁之间，如IBA ProteusONE系统的旋转机架。PSI、HIT和NIRS的旋转机架通过上述设计，旋转机架半径可以缩短到3.5米。 对于“上游扫描(upstream scanning)”式设计来说，由于最后一个偏转磁铁和患者之间只需要安装治疗头，因此距离可以大幅缩短。
上游扫描和下游扫描旋转机架示意图
超导磁铁可缩小旋转机架体积，降低运营成本
近年来在旋转机架中应用超导磁铁(SC)被认为可以实现以下改进而降低成本。首先，偏转磁铁的质量会大幅减小，这也会使机械构造更轻更简单，所以旋转机架的总重量会减小2-4倍。其次，超导磁铁主要的技术优势是可产生较强磁场，缩短偏转半径，但偏转半径并非决定旋转机架的主要因素，因此旋转机架的半径只能缩小约1米。然而，由于偏转磁铁长度变短，最终旋转机架的长度可降至5-6米。此外，尽管超导磁铁的价格不比常规磁铁低，但由于无电阻率，运营成本也会降低很多。
对于碳离子治疗来说，超导磁铁可使旋转机架的体积和重量减小得更显著。NIRS的碳离子治疗超导磁铁旋转机架更轻且具有大准直孔径。上游扫描可同样使用超导磁铁。第一台离子治疗超导旋转机架已于2017年5月开始治疗患者。
左图为碳离子治疗超导磁铁旋转机架；右图为质子治疗超导磁铁旋转机架
多数超导磁铁旋转机架的研究都集中在减小旋转机架的体积，尤其是重量。未来数年的发展最可能是通过组合束流传输部分或将旋转角度限制在180°来减小设备的占用空间，从而降低成本。
与此同时，束流输送技术也在发展中，主要围绕束流动力学、束流监测和控制、超导磁铁和供电设计以及器官位置监测或成像等领域，包括笔形束技术、扫描速度、能量调节速度、连续扫描、可调节剂量率(如束流强度)以及减少器官运动等方面的优化。这些技术进展虽然不会明显降低投资成本，但可以通过提高效率降低运营成本。（质子中国 编译报道）
参考文献：Schippers JM, Lomax A, Garonna A, Parodi K. Technological Improvements Reduce the Cost of Proton Radiation Therapy?. Semin Radiat Oncol. 2018;28(2):150-159.