技术进步能否降低质子治疗成本(四)：提高治疗效率和改进设施结构
在往期的文章中，质子中国为大家总结了旋转机架和加速器领域的技术进展如何降低质子治疗成本，详情请见质子中国往期报道《技术进步能否降低质子治疗成本(一)：缩小旋转机架体积》、《技术进步能否降低质子治疗成本(二)：缩小加速器体积》、《技术进步能否降低质子治疗费用(三)：新型加速器的探索》。今天，小编将与大家分享最后一部分内容：患者治疗效率以及设施结构对质子治疗成本的影响。
提高患者治疗效率的技术
提高患者治疗的效率可降低质子治疗的总成本，即机构或每间治疗室每天治疗更多的患者。鉴于这种方法相对不成熟，大部分治疗中心仍将重心放在优化束流输送质量和可靠性方面，而非工作流程的效率上。改进质子治疗工作流程目前也取得了众多新的技术进展。
自2010年起，质子治疗领域的技术开始从被动散射向笔形束扫描转换。与被动散射不同的是，笔形束扫描无需患者特异或照野特异的硬件设备，如补偿器或准直器，这意味着在照射不同照野时工作人员无需再出入治疗室。
患者摆位和定位时的每日成像也是近年来取得很大进展的领域。图像引导已经成为离子治疗的中心要素，如针对每个照野的2D X线成像，但若改善工作流程，还需要效率更高的离子治疗成像系统和技术。
多家治疗中心在治疗室内安装了诊断用CT设备，用来提供高质量3D患者每日成像用以摆位。与此同时，大多数质子治疗设备生产商在旋转机架上可以提供锥形束CT(CBCT)解决方案，使患者的摆位程序更接近于传统治疗。MedPhoton公司研发出了一套“环形”CT系统，可以直接安装在治疗床上。目前奥地利的Med-Austron中心已经安装了这套系统。
尽管目前质子治疗正在向笔形束转换，但笔形束技术在输送效率上仍存在一些不足。首先，笔形束的输送方式是序贯式扫描。其次，扫描是一个3D过程，这意味着每个照射野需要上千个连续输送的独立质子束。尽管对于1升左右的体积输送时间仅约为1分钟，但若结合运动控制技术如重复扫描或门控技术，每个照射野的总输送时间可达到几十分钟。多种因素都会影响束流的输送时间，主要包括束流强度、照野外侧的扫描停滞时间(scanning dead times)以及不同能级转换所需的时间(3D扫描)。
PSI正在研发一项技术，将1个扫描线(scan line)内不连续的点扫描模式转换为连续扫描，并可调节质子束流的强度和扫描速度。在PSI的初步试验中，与传统的扫描方式相比，这种技术可将1个照野的输送时间缩短至原有的1/2。今后，研究人员还希望通过提高强度来进一步缩短输送时间，但这需要大幅改进监测系统和相应的实时控制系统。进一步缩短输送时间还可以通过优化能量转换时间实现。在水中改变布拉格峰5毫米的深度，通常的转换时间在1秒内，但有些系统对相对有限的照射野可在50-100毫秒内实现能量转换。若1个照射野可实现20次这样的改进，会将治疗时间缩短18秒。结合连续输送和更高束流强度，今后有可能将输送时间大幅缩短。
目前图像引导放疗的形式是将直线加速器置于成像设备上，并发展出了锥形束CT以及MRI-Linac设备。尽管治疗室内的成像有多种优势，但从工作流程的角度看，这种形式的效率较低，因为每次成像过程，包括评价影像、修正和再成像过程，均需要耗费时间，这也不是治疗室原本的功能——为患者提供放射治疗。因此，离子治疗领域逐渐开始了对治疗室外患者准备和成像的探索。一项试验表明，将患者准备（摆位和固定等）和成像这些耗时的过程在治疗室外完成，可以提高治疗室的使用效率。例如当一名患者正在治疗时，下一名患者已经在治疗室外开始准备了，并且在第一名患者治疗结束后可以立刻进入治疗室接受治疗。PSI的1间旋转机架治疗室一直在使用这种方式。但工作流程模拟研究也显示，这种方式的优势有限，并且更适合单室治疗系统，而非多室系统。
对于单一加速器的多室治疗系统来说，治疗室越多，室间束流转换就愈发成为限制治疗效率的因素。对于目前的系统来说，不同治疗室间束流转换所需的时间通常(至少)为10秒，并且可能更长。尽管这个时间很短，但快速转换可以使“束流共享”(beam sharing)成为可能。例如，如果束流转换时间较长，那么必然会将束流分配在一个治疗室进行整个分次的治疗，其他治疗室在这段期间就无法开展治疗。但如果转换时间仅为几秒或更短，就可能实现不同治疗室不同照射野间的束流转换，给束流分配带来了更大的机动性，并提高了束流的使用效率。这也引向了另一个概念——“分流”(beam splitting)，即从加速器出射的足够强度的原始束流被分散为数条输送到不同的治疗室，可完全避免束流分配的时间损失。
设施结构
很多设备商研发出了单室质子治疗系统，其投资成本较低并且占用空间较小，可建设在现有放疗中心的基础上，并且后续可以加装治疗室。除了安装在旋转机架上的小型同步回旋加速器外，设备商还研发了用于单室系统的(同步)回旋加速器和独立的旋转机架，如IBA的ProteusONE系统以及瓦里安的ProBeam系统。
将加速器置于旋转机架的上方或下方产生垂直的束流同样可使占用空间缩小至原有的1/3至1/2。当然，这种设计是否合理取决于所用土地的价格、建筑环境以及患者准备方式等。
显而易见的是，单室治疗系统的投资要远低于多室治疗系统，降低了开展质子治疗的资金门槛。然而，尽管开展质子治疗的绝对投资较少，但单室治疗系统每间治疗室的成本更高。因此，单室治疗系统在某些方面提供了更多机会，但是否会使质子治疗更便宜仍是个未知数。
结论和展望
降低质子治疗费用的探索将会一直持续，直到质子治疗与光子放疗的费用相当。然而，从质子治疗的发展历程中可以清晰地看到，任何重大的技术突破，如旋转机架、加速器和扫描技术，都需要近10年的时间才将新的技术真正应用于临床。因此，由于显著降低成本需要有重大的技术突破，可以预见质子治疗成本的降低并不会在短期内实现。众多正在进行的研发必将使质子治疗的成本更低，但这漫长的道路需要一步一个脚印的持续前进。（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.