畅想十年后的质子治疗医学物理学(一)：缩短治疗时间
近年来质子治疗发展迅速，但关于质子治疗的医学物理学仍有很多工作需要做。瑞士PSI研究所首席医学物理师Antony Lomax教授畅想了未来十年内质子治疗医学物理学的发展趋势。作者认为，从医学物理学角度出发，质子治疗在治疗时间、半影区、照射边界、生物相关剂量学、不确定性以及个体化计算机模体等领域将有较大发展。原文发表于《Medical Physics》杂志上。本期将首先与大家分享质子治疗在缩短治疗时间方面的可能进展。点击“阅读原文”获取全文。
Lomax教授畅想的未来十年内质子治疗医学物理学的36个发展趋势
质子治疗的资金成本高昂，并且在可预见的未来仍将如此。质子治疗的成本既包括设备本身的成本，也包括建筑及额外的辐射防护成本。若增加质子治疗的成本效益，需要降低每例患者的实际成本，其中一种方式是尽量增加治疗患者的数量，即缩短每例患者的治疗时间。患者的治疗时间取决于两方面——束流输送时间以及摆位与成像时间。
过去十年间，很多传统放疗束流输送技术的进展均集中于提高输送效率；由光子调强放疗(IMRT)到容积弧形放疗(VMAT)，尽管治疗质量(适形性等)的改进甚微，但制定计划及束流输送的效率已有大幅提高；向非均整模式治疗(flattening filter free treatments, FFF)的发展也同样如此。通过结合机载成像装置，即使是复杂病例，传统放疗的治疗时间也已显著缩短，如体积大且复杂的头颈部肿瘤病例可在12~15分钟内完成(包括患者摆位和成像)。然而，对于缩短质子治疗的束流输送时间，我们仍有很长的路要走。目前大多数机构治疗每例患者需要30分钟，复杂且体积大的肿瘤如颅脑脊髓照射所需的时间更长，通常需要45~60分钟，其中大部分是束流输送时间。
对于被动散射和笔形束扫描(PBS)质子治疗，限制束流输送速度的原因各有不同。被动散射质子治疗针对计划中的每个照射野需要手动插入特定的准直器和补偿器(有时需要射程调节器)。对于PBS质子治疗，通常无需准直器和补偿器，治疗时间取决于在三维空间内向靶区输送大量独立、狭窄的布拉格峰。目前采用的是序贯式输送(一束接着一束)，因此输送速度较慢，某些商用系统的能量层转换时间约为1s (深度改变数毫米)，使这一问题更加突出。因此，对于缩短束流输送时间，两种方式均有很大的改进空间。由于全球正在主要发展PBS技术，下面将针对PBS技术着重介绍。
实际上，缩短治疗时间只能改变两个参数——束流强度(剂量率)以及束流输送监测。
非均整模式输送技术能够提高剂量率，剂量率可达24 Gy/min。但由于PBS技术已经实现了高剂量率输送(通常在布拉格峰处约为10~20Gy/s)，进一步提高剂量率需要研发反应更快的剂量监测系统、实时监测的相关电子配件以及能够分析并迅速反应的固件和软件，以实现对剂量和束流的完全、安全、可重复的控制。
除上述方式外，还可以通过优化扫描过程缩短束流输送时间。一种方法是将离散/光栅扫描转变为连续或线性扫描。和传统放疗类似，首台实现IMRT的系统采用的是静态调强技术(step-and-shoot)，过程中伴随束流输送不可避免地会出现“死区时间”(dead-time)，这是由闭束(switch-off)时间以及束流移向下一个位置所需时间产生的，死区时间内无束流输送。尽管时间很短(PSI研究所的束流转换时间为0.1ms，侧向偏转5mm所需时间约3ms)，但由于每个照射野需要输送一定数量的笔形束，死区时间将会叠加。例如，对于10×10 cm照射野，输送平面间隔(in-plane spacing)为5×5 mm的束流，每个能量层大约输送400个笔形束，加之需要开闭束流，并且偏转5mm，每个能量层束流输送产生的死区时间大约为1.2s；对于多个不同能量层(例如，10cm的扩展布拉格峰，每个能量层为5mm，共20个能量层)，单由平面扫描产生的死区时间共约25s；如果需要进行再扫描(如为了减小运动导致的误差)，死区时间则会根据再扫描的次数成倍增加。
因此，可通过缩短或消除死区时间来缩短束流输送时间，这也是连续或线性扫描(line scanning)的构想。如同IMRT的多叶准直器调强技术(sliding window)，线性扫描将间断扫描转变为连续扫描，束流的能量密度(fluence)根据扫描速度(如同多叶准直器调强技术)和束流强度而改变。因此，低能量密度区输送的是高扫描速度/低强度的束流(包括零强度)，高能量密度区输送的是低扫描速度/高强度的束流。这样，死区时间(至少在一个扫描方向上)被大幅缩短，同时显著缩短了输送时间。PSI研究所的实验数据显示，向0.3L体积输送0.6Gy剂量所需时间由间断扫描的23s缩短至线性扫描的10s，再扫描的时间会缩短得更多。
线性扫描通过消除笔形束间的死区时间尽量缩短了束流输送时间，但能否同时减少每个照射野内的笔形束数量呢？这具有两个潜在优势：缩短死区时间(束流转换次数更少并且笔形束间的移动次数更少)；由于每个笔形束输送的能量密度(质子的数量)增加(因为向照射野输送特定剂量所需的质子数量相对于覆盖靶区所需的笔形束数量更加固定)，因此束流强度也会增加。目前正在进行的研究是将减少笔形束的算法加入优化过程，或者应用更宽的笔形束以及相对应的更大的笔形束间隙。尽管这些技术具有发展前景，但是关于剂量适形性(在应用更宽的笔形束时)以及对不确定性与器官运动(应用更少数量的笔形束时)的敏感性仍需要全面的探究。
缩短输送时间有助于缩短治疗的总时间，但这种影响有限，治疗的总时间最终将取决于照射前患者摆位的时间。
质子治疗在患者摆位及照射前成像方面仍落后传统放疗很多。质子治疗用锥形束CT(CBCT)或诊断CT等治疗室内成像技术近期才开始变得普遍，但大多数质子治疗机构仍缺乏这类设备——难以想象目前的放疗科会存在这种情况。用户和厂商均意识到了这个问题并努力快速改变现状，质子治疗用CBCT或治疗室内诊断CT应会很快地用于更精准高效的患者摆位，显著缩短每个分次的治疗时间并相应地增加患者流量。
然而，从工作流及患者流量角度上讲，在治疗室内进行患者摆位并非是最佳选择。例如，在患者摆位、成像、评估及校准的每一分钟内，设备最昂贵的部分(加速器及旋转机架)均处于闲置状态。因此，专家提出了治疗室外摆位及成像的概念。PSI研究所开展治疗室外摆位及成像的时间已超过20年，所有在PSI研究所第一治疗室治疗的患者均在治疗室外应用诊断CT完成了摆位及成像。
上述方法可将患者流量提升30%，但也面临一些挑战，其中之一是研发快速、易操作的患者运输系统(transporter system)，将患者从“远处”成像地点(治疗室外)转移至治疗室。此外，一系列独立的模拟研究对这种方法应用于多室系统的效率提出了疑问——这类机构无论如何都需要从一台加速器中将束流输送至不同治疗室。这种情况下，由于同一时间内束流只能传输到一间治疗室，每间治疗室无论如何都会存在死区时间，在这段时间内恰好可以进行患者摆位。事实上，死区时间随着治疗室数量的增加而延长，意味着治疗室外摆位及成像在多室治疗中心的优势会非常有限。反之，治疗室外摆位及成像可能在单室治疗中心更具有价值，如对于MR引导的质子治疗，患者完成MRI成像后可立即进入治疗室接受治疗。如果能够研发出精准、高效且舒适的患者运输系统，那么单室治疗中心的患者流量将有显著增长。