MRI引導質子治療-評估分次間解剖變化的優勢
質子治療對腫瘤和正常組織解剖變化比光子治療更敏感。患者沿束流路徑的解剖變化都可能導致質子范圍的不確定性，從而導致腫瘤部位劑量不足或靶區遠端關鍵結構劑量過量。這種敏感性是因為束流路徑中的所有組織的水當量厚度和質子阻止能力導致。X射線成像很難區分大腦、中央肺和胃腸道腫瘤(胰腺、肝臟、食道)和一些正常器官(小腸和十二指腸)。增加MRI引導將為腫瘤解剖(包括腫瘤大小和水腫的分次間變化)和影響劑量測定的束流路徑中的組織提供確定性，從而能夠使用更嚴格的計劃靶區體積(PTV)，能更準確描繪邊界。
分次間解剖變化包括腫瘤運動、腫瘤靶區容積變化(由于腫瘤生長、消退或水腫導致的變化)以及正常器官位置的變化，所有這些都會影響束流路徑內的組織密度，從而導致范圍不確定性和腫瘤覆蓋等問題。MRI比X射線成像更能檢測到這些分次間變化。一篇評估MRI的兒童癌癥研究主要探討在質子治療期間檢測到的解剖學變化，發現27%的兒童患者的大體腫瘤體積或束流路徑內的組織密度發生解剖學變化，其中超過一半導致計劃質量顯著下降。橫紋肌肉瘤和低級別膠質瘤的解剖學變化率最高，分別為100%和24%。解剖變化與幕上或頭頸部腫瘤位置以及同步化療有關。解剖學變化包括腫瘤床內術后液體的變化，腫瘤從模擬到治療開始的進展，以及放療期間腫瘤縮小導致關鍵正常結構(如腦干)移動到高劑量容積中。
在治療期間迅速縮小的癌癥，如肺癌、頭頸癌和宮頸癌，也將受益于每日MRI引導。CBCT顯示，用放化療治療的非小細胞肺癌的腫瘤容積平均減少15個分次，在治療結束時減少51%。頭頸部鱗狀細胞癌的腫瘤容積減少20個分次，腫瘤容積減少7%~48%，治療結束時減少6%~66%。外照射放療結束時，宮頸癌的腫瘤容積減少48%~95%。在宮頸癌患者中，盡管使用膀胱和腸道治療方案來盡量減少日常差異，但仍會發生大量膀胱和直腸容積變化。鑒于心臟劑量及其與心臟病發病率和病死率的關聯，現在公認肺部放療毒性會影響心臟病的病發，使用質子治療可能減少這種情況，特別是更現代的質子計劃技術，例如調強質子治療(IMPT)。在一篇非小細胞肺癌的非隨機研究中，與被動散射質子治療相比，IMPT患者的肺、食道和心臟劑量顯著降低，心臟和肺毒性也顯著降低。使用MRI引導可以克服質子治療圖像引導方面帶來的挑戰，從而實現局部控制和毒性方面的預期獲益。
MRI引導質子治療-評估分次內解剖變化(腫瘤運動)的優勢
將質子束遞送給運動的腫瘤比光子更具挑戰性。理想情況下，運動中的腫瘤需要實時成像。腫瘤運動不僅會影響質子劑量分布的橫向范圍，形成邊界，而且還會導致范圍的不確定性。腫瘤位置深度的變化會改變束流路徑上的組織密度，從而導致范圍誤差。腫瘤運動會導致大劑量波動(“相互作用”效應)，因為腫瘤可能會移出照射它的筆形束，或者在掃描期間留在筆形束內接收額外的劑量。PTV邊界不能解釋質子治療中的這種不確定性。肺下葉腫瘤在顱尾方向的平均運動范圍為12 mm，胰腺腫瘤在顱尾方向運動達20 mm，并且與膈膜或腹壁位置替代物的相關性較差。目前，質子治療中的運動管理方法包括使用屏氣或門控。通過使用外部替代跟蹤(外部標記或表面成像)或內部跟蹤(基準標記、呼吸時相或透視無標記跟蹤)來執行。門控系統通過跟蹤替代物來跟蹤腫瘤運動，但誤差來源于替代物與目標位置的匹配度。目前，X射線引導無法直接顯示某些腫瘤(例如肝臟)，替代標記的使用與治療的不確定性和錯誤有關，并且更寬的邊界是必要的，特別是對于無法忍受屏氣技術的患者。在肝腫瘤的呼吸觸發脈沖質子治療中，在四分之一的患者中觀察到高達5 mm的分次內不確定性和治療時基準位置與其計劃位置的偏差大于5 mm。如果基準標記位于束流路徑內，它們也會引起質子束衰退的問題。
MRI引導可以直接匹配腫瘤，無需不確定的替代物，并實時監測分次內腫瘤運動，確保準確靶向運動的腫瘤。可以獲益于實時MRI引導質子治療的腫瘤部位包括隨著呼吸移動的肺、肝和胰腺腫瘤，以及隨著膀胱充盈和直腸氣體運動而移動的前列腺和子宮頸腫瘤。具有實時成像的MRI引導可以直接顯示肺和肝腫瘤的運動，并提高劑量輸送的準確性。如果腫瘤移動到束流之外，門控治療傳遞可以直接關閉束流。MRI-Linac經驗表明MRI引導(2D cine MRI)能夠在沒有基準標記的情況下實現直接靶向腫瘤。MRI引導可以將質子治療的理論優勢轉化為臨床結果的改善，包括更好的局部控制和降低毒性。一項針對肝臟腫瘤的建模研究發現，與CBCT引導的質子治療相比，MRI引導質子治療可以減少40%PTV，將正常組織發生并發癥的概率降低48%，與MRI-Linac相比降低31%。
