李教授介紹，當前質子治療面臨的主要挑戰有以下幾點：
• 高成本;
• 系統(包括輔助系統)成本;
• 建筑(占地面積與屏蔽)成本;
• 運營(維保、水電、設備更新等)成本;
• 建筑、安裝、驗收、調試及審批耗時成本。
• 治療效率較低;
• 臨床、生物及物理的不確定性;
• 對臨床及技術專業資源的更高、更大需求。
降低成本的努力
加速器和機架設計
• (單治療室)緊湊型系統;
• 超導機架;
• 固定束治療室+坐立式治療椅。
新型設備的優劣
• 降低機房建筑成本;
• 降低入場門檻;
• 與多室系統相比，單室系統每室設備成本增加;
• 坐立式治療椅需配置垂直軌道式CT或適用錐形束CT(Cone-beam CT,CBCT)系統。
質子控制系統的優化
• 提高治療效率;
• 提高治療可用開機率，減少宕機時間;
• 提供模塊式升級與維修功能(多室系統可在保證不影響正常治療的前提下為各室單獨升級與維修)。
提高治療效率
弧形治療在光子放療中已被證明是高效率的治療手段，目前質子弧形治療正在進行研究，現有研究主要關注計劃優化以減少照射時間。
質子弧形治療的優點：增加靶區處方劑量適形度;可期待增加治療對擺位誤差、射程及器官運動的魯棒性;可能不顯著增加出束時間。
質子弧形治療的缺點(臨床影響或為有限)：導致略高的低劑量照射體積;略高的積分劑量。
克服臨床、生物及物理的不確定性
臨床不確定性
臨床不確定性主要來自療程中患者擺位及解剖結構的改變，需進行的研究：自適應計劃修改的應用及研究;魯棒性最優及評估的應用及研究。
放射生物學不確定性
質子放射生物學不確定性主要是由于束流尾端的相對生物學效應(Relative biological effectiveness, RBE)增大，需進行的研究：放射生物學的研究;基于線性能量傳遞(Linear energy transfer, LET)及RBE劑量計算的計劃最優化研究;積累療效數據及質子特異的腫瘤控制概率(Tumour control probability, TCP)、正常組織損傷概率(Normal-tissue complication probabilities, NTCP)模型研究。
物理不確定性
物理不確定性來自CT值到質子阻止本領率的轉換，需進行的研究：嚴謹、精準的轉換曲線調試及質控;雙能CT設備的應用;質子成像技術的研發及應用。
接下來，李教授分別對臨床中的自適應治療、圖像引導系統的完善與研發、計劃系統功能的完善及研發、運動對劑量照射精度的影響、放射生物學效應的不確定性分別進行了介紹。
自適應計劃
療程中患者腫瘤及其他體形發生變化，包括腫瘤體積縮小、體重減輕引起腫瘤變化等，因此需要在治療過程中修改計劃。
來自美國諾克斯維爾一個質子治療中心的統計，臨床治療中，90%的頭頸部腫瘤、乳腺癌及肺癌患者需要監測，40%患者需要修改計劃。
現行離線自適應質子治療
李教授表示，一些質子中心報道，約60%～80%的筆形束質子放療患者在療程中需要計劃修改(鼻咽癌，肺癌，乳腺癌等)。現行的離線自適應質子放療流程如下圖。患者需進行重復CT模擬，目前重復CT模擬時間的選擇基于臨床治療的經驗，不同腫瘤重復CT模擬時間如下。還需研發更便利、高速、精準的自適應質子放療決策及執行技術。
• 鼻咽癌：多為放療開始后3周中重復放療模擬;
• 肺癌：多為放療開始后每2周重復一次放療模擬;
• 其他：根據患者臨床反應及圖像引導擺位誤差決定重復放療模擬。
未來實時在線自適應治療
未來實時在線自適應治療流程的研究方向如下圖，目前可實現高準確度、高可信度的圖像獲取手段只有室內軌道CT，未來需開發基于質子本身的圖像獲取手段，從而直接進行計劃修改、審批和執行。
圖像引導系統的完善與研發
現有成像系統：二維X射線成像、三維自動配準定位、三維(先進CBCT、軌道CT)、體表成像定位及監測(體表成像是降低患者擺位時間的重要手段)。
未來(束流)成像系統的研究方向：瞬發伽馬射線、質子CT與平面成像、正電子成像、超聲波成像等。
計劃系統功能改善與研發
現有計劃系統功能：基于蒙卡算法的高速劑量計算與優化(GPU)、生物效應劑量的計算和最優化。
未來計劃系統的研究方向：考慮臨床不確定性概率分布的魯棒性最優算法和魯棒性評估算法、高速自適應計劃的(自動)制定、腫瘤療程中體積和形態改變的預估建模等。
克服器官運動對劑量照射精度的影響
器官運動對劑量照射精度存在影響，移動器官與移動掃描的質子束流之間的相互運動誤差可造成較大治療劑量誤差。2017年國際離子治療聯合會(Particle Therapy Co-Operative Group, PTCOG)發表共識，建議對受器官運動影響較大的腫瘤治療的4D動態治療流程。荷蘭格羅寧根大學醫學中心Arturs Meijers將此流程擴展到對患者全流程的劑量累積評估，如下圖所示。該流程目前還未商業化，但在不久的將來，該流程應該可實現商業化。
放射生物學效應的不確定性
目前，臨床質子放療使用RBE矯正系數為1.1，質子放射生物學效應的不確定性主要為束流尾端RBE上升至1.25或更高 ，急需解決放射生物學效應的計算及在質子放療計劃制定中的應用。因放射生物學效應的不同，現有光子NTCP模型不適用于質子放療，需根據質子放療實際損傷數據重新進行計算，還需對不同病種、不同器官分別進行計算，來形成適用于質子放療的NTCP模型。
質子放療的臨床與技術資源需求
美國放射學會與美國醫學物理學會合格質子放療物理師資質要求如下：
• 醫學物理研究生畢業+2年(博士)或3年(碩士)臨床規培+質子認證考試;
• 完成質子放療特定培訓;
• 物理師團隊中需包括質子放療各方面專家并有后備替換。
• 質子重離子對臨床與技術資源的更高需求：
• 光子放療：每位醫生、物理師和劑量師每年可為約300位患者服務;
• 質子放療：每位醫生、物理師和劑量師每年可為約100位患者服務。
質子放療的技術資源要求(人數)
2019年美國離子放療協會對28個質子中心人員配置調研發現，平均每年每90位受治患者需1名物理師和1名劑量師，平均每年每124位受治患者需1名放療醫生。質子治療的人數要求為光子放療的3～4倍。
質子重離子的培訓與教育
李教授介紹，目前，泰和誠控股與蘇州大學放射醫學學院開展合作，開設高年級學生課程，主要為質子重離子放療基礎;醫生物理師質子放療在職培訓，醫生共計45小時，物理師共計85小時。部分培訓課程內容如下。
質子放療云平臺
最后，李教授介紹，泰和誠控股正在搭建質子放療云平臺，也是未來的發展方向。通過此平臺可實現共享質子放療技能、共享質子放療質控設備、共享標準流程、共享研發資源和互為補充提供冗余治療資源。另外，在意外宕機情況下，可將患者轉至其他中心進行治療。
