有限射程的充分利用
2000年，關(guān)于IMRT的大部分研究已經(jīng)完成，質(zhì)子治療具有更多的發(fā)展機會。2001年，Northeast質(zhì)子治療中心是世界上第二家以醫(yī)院為基礎(chǔ)的質(zhì)子治療中心(現(xiàn)在已有100多個)。質(zhì)子束的有限射程是其主要的物理優(yōu)勢，但由于存在較大的射程不確定性(厘米級)而不能用于保護危及器官。減少射程的不確定性成為研究目標，直到今天，仍然是MGH小組和世界各地的許多其他小組的研究重點。
減少射程不確定性的最佳方法是直接測量治療患者體內(nèi)的質(zhì)子射程，并進行校正。德國達姆施塔特GSI的碳離子治療研究項目，將PET成像用于可視化碳離子照射后組織的活化，以顯示劑量實際遞送的位置。有研究表明，質(zhì)子束也有可能實現(xiàn)同樣的效果，但尚不清楚這種方法在臨床上的可行性。從2004年開始，對質(zhì)子治療后的PET掃描進行臨床研究，首先在放射科使用PET掃描儀，后來在治療室使用移動PET掃描儀，可以捕獲壽命較短的氧-15信號。在評估質(zhì)子射程時要達到毫米級精度非常困難，主要原因是信號的生物沖刷，總體而言低信噪比，以及由于激活閾值大約為20 MeV導(dǎo)致射程最末端沒有信號。
在與MD Anderson Cancer Center質(zhì)子中心(包括Radhe Mohan和Lei Dong在內(nèi)的物理學(xué)家)合作中設(shè)定了一個目標，即將射程不確定性降低到1 mm。通過結(jié)合各種成像技術(shù)可實現(xiàn)，包括雙能計算機斷層掃描(DECT)來獲得質(zhì)子阻止本領(lǐng)，以及磁共振成像(MRI)來測量輻射劑量遞送導(dǎo)致的組織變化。一個相關(guān)的新想法是測量質(zhì)子與組織的核相互作用中產(chǎn)生的瞬發(fā)伽馬輻射，而不是測量PET掃描儀中β+衰變。快速伽馬能譜儀逐漸被應(yīng)用于臨床。
盡管做出了這么多努力，目前仍沒有完全實現(xiàn)以1 mm精度測量患者體內(nèi)質(zhì)子射程的目標，更不用說將射程不確定度降低到相同水平。這一問題因靠近射程末端的相對生物效應(yīng)(RBE)的不確定性而進一步加劇。因此，目前利用質(zhì)子布拉格峰的遠端進行劑量適形仍然是難以實現(xiàn)的。
治療計劃和計劃優(yōu)化
從治療計劃問題來看，調(diào)強質(zhì)子治療(IMPT)中的計劃優(yōu)化與光子IMRT中的相應(yīng)問題沒有本質(zhì)區(qū)別。由于多葉準直器(MLC)在質(zhì)子治療中并不像IMRT中那樣必不可少，束流分布圖可以或多或少地直接用于筆形束掃描的遞送，使治療計劃實際上更加簡單。然而，質(zhì)子治療計劃中還有幾個額外的挑戰(zhàn)：存在更多的變量，因為要確定每個射束方向的強度和能量;較小的筆形束尺寸會導(dǎo)致治療過程中束流傳遞序列和內(nèi)部器官運動之間產(chǎn)生更嚴重的相互影響，使得4D計劃變得更為關(guān)鍵;雖然RBE增加了一層不確定性，但可以利用傳能線密度(LET)來優(yōu)化空間劑量分布。
在本世紀初，為解決質(zhì)子治療中的射程不確定性問題，定義了許多治療遞送情景，包括射程過度和不足，并確定了最壞情景下的最佳方案，或所有情景中目標函數(shù)期望值有關(guān)的最佳方案。此后，魯棒性優(yōu)化被納入商業(yè)治療計劃系統(tǒng)，并被常規(guī)應(yīng)用于質(zhì)子治療。然而，為了通過魯棒性優(yōu)化保護治療計劃不受不確定性影響，就必須付出降低計劃質(zhì)量的代價。
在治療過程中多次甚至每天執(zhí)行自適應(yīng)治療計劃，是減少可變性和不確定性的一種方法，在質(zhì)子治療中更為重要。目前，正在大力開發(fā)人工智能來促進自適應(yīng)質(zhì)子計劃的發(fā)展。進行自適應(yīng)計劃和遞送的方式是實時自適應(yīng)，可以對患者進行靈活而精確的定位，實現(xiàn)質(zhì)子治療的普及化。
對現(xiàn)有建筑進行質(zhì)子治療改造
使質(zhì)子治療更經(jīng)濟實惠的一個方法是將質(zhì)子系統(tǒng)整合到現(xiàn)有建筑中，而不是在未開發(fā)的土地上建造專用的新建筑。2013年，麻省總醫(yī)院(MGH)需要增加更多的質(zhì)子治療系統(tǒng)，并且必須位于主校區(qū)，靠近現(xiàn)有的質(zhì)子治療中心。在新近完工的建筑中需要兩個地坑，為直線加速器進行光子放射治療的治療室。這些房間位于地下3層，無法從上方或側(cè)面直接吊入系統(tǒng)。將系統(tǒng)設(shè)備運入這些房間的唯一途徑是通過現(xiàn)有的電梯和走廊。這一限制使組件較小的同步加速器成了唯一選擇，并將其放置在一個直線加速器地坑中。另一個地坑可以容納一個緊湊型半角度機架。在經(jīng)過大量的規(guī)劃，并克服了在急診科正下方安裝該系統(tǒng)的諸多挑戰(zhàn)后(見圖3)，第一例患者于2020年初接受了質(zhì)子治療，為未來質(zhì)子治療的“普及化”提供了方向。
圖3.波士頓麻省總醫(yī)院Lunder大樓的示意圖(左上)和照片(右上)，在圖中救護車入口下方的地下2層和3層安裝了一臺質(zhì)子治療系統(tǒng)。
