西班牙基隆薩洛德質子中心(Centro de Protonterapia Quironsalud)的研究人員回顧和提出了一些生物學和機械學方面的解決建議，以期能夠減輕質子治療的缺陷，用特定的方法來分配劑量的空間分布(微型束，minibeams)和時間分布(FLASH效應)，降低系統復雜性(旋轉治療)和成本(無旋轉機架方法)，使質子治療更可以造福更多的癌癥患者。前四期與大家分享了《生物學和機械學方法協同解決質子治療的缺陷：(一)：質子治療的優勢與缺陷分析》、《生物學和機械學方法協同解決質子治療的缺陷(二)：FLASH與微型束》、《生物學和機械學方法協同解決質子治療的缺陷(三)：FLASH與微型束的劑量學問題和時間因素》、《生物學和機械學方法協同解決質子治療的缺陷(四)：質子弧形治療》，本期為大家帶來機械學方法中的立式治療與研究結論。原文發表在Frontiers in Oncology雜志。
旋轉機架對比固定束治療室：以直立體位治療患者的改變需求
美國麻省總醫院的研究人員在最近的一篇論文中強調了使更多患者能夠接受粒子治療的必要性。研究人員列出了三個使質子“大眾化”的方法，其中之一是通過廢除昂貴的旋轉機架系統來降低質子系統的成本，以及采取通過旋轉患者得到更多治療角度的固定束治療室形式。
水平固定束在早期的系統中被用來治療坐位的患者(patients in a seated position)，美國費米實驗室采用中子治療立位的患者(in an upright position)。當中子治療的臨床結果還在努力掙扎達到其在80年代初的承諾時，該領域的人們推斷，這種差距是因為中子治療不能在劑量上達到與基于旋轉機架的光子系統相同的適形性。這主要是由于沒有中子機架系統，也沒有能夠限束的多葉準直器使得中子束能夠適形到靶區。這個問題導致了等中心中子旋轉機架和中子多葉準直器的發展。
然而，質子的深度劑量曲線(布拉格峰)使其成為遞送劑量到靶區的另外一種不同的模式。事實上，質子束流能夠停止，而且在質子治療方案中通常使用的束流角度更少，這挫敗了一些人認為質子旋轉機架是必要的論點。此外，當患者從平臥位移動到立位時，器官會發生移位，因此最好采用與患者掃描時相同的體位來治療患者。盡管患者是以臥位進行CT掃描的，但顱內病變可以并已經以直立體位進行治療。多模態成像是治療計劃和靶區勾畫的一個重要方面，它可以獲得患者在同一方向上不同模態圖像之間的最佳配準。像CT掃描儀一樣，大多數其他成像系統，如PET、MRI、 PET-CT甚至伽馬相機、超聲波掃描等通常被設計成在患者躺著時獲取圖像。這種理念也進一步導致了在放療時也應當采取臥位的想法。
這種模式正在發生改變，一些公司正在開發技術，使患者能夠采取立位進行成像和治療(如P-Cure、New-RT CorpLtd、LEO和 Advanced Oncotherapy)。圖1展示了一個立式CT掃描儀和立式患者體位儀，二者將很快可以集成到現有的質子治療系統中。
立式治療的臨床潛在優勢
已有研究表明了在坐位或立位治療患者的潛在優勢。早在1981年，麻省總醫院的研究報道，與仰臥位或俯臥位相比，坐位可以更加有效的固定患者，減少不必要的器官運動。MD安德森癌癥中心的一項研究報道了使用坐位治療胸部和頭頸部腫瘤患者的益處;另一項研究報道了患者在立位時，呼吸更容易而且更加放松，與仰臥位相比，肺部的體積平均增大25%，由于腫瘤位于肺里面，因此肺部腫瘤的位移也更小。世界衛生組織(WHO)的一項報告指出，55%的癌癥死亡病例來自受呼吸運動影響的疾病部位。以坐位或立位治療上述病例，可以提高患者的舒適度，減少靶區運動，減少受照射的肺部體積。
使患者保持立位的主要好處還有：(a)減少窒息的風險;(b)減少吞咽，該動作會導致頸部和食管區域的顯著運動。對立位的患者進行麻醉是常見的做法，比如肩關節和后顱窩手術，另外如果開發一些合適的患者體位固定裝置，還會減少患者窒息的風險。當然，這也取決于氣道管理和麻醉的深度。使用立位治療四肢癱瘓和截癱患者也應該更加容易，因為出于許多臨床原因，以立位固定這些患者是標準的做法。
立式治療的技術優勢
立式治療可以提供一些技術上的優勢。在機械學方面，以等心旋轉100~250 kg的患者比以所需的精度圍繞患者移動超過50 T的機架更容易。這意味著需要關注患者的舒適度和患者在立位的適當固定。在最近的英國放射學雜志(British Journal of Radiology, BJR)特別版中，研究人員列出了質子治療系統在未來10年內必須提供的8種束流遞送特定技術。其中大多數似乎在固定束治療配置中更容易實現，主要有以下兩個原因：首先，與“封閉”的旋轉機架相比，固定束的布置在等中心周圍提供了更多的自由空間，患者周圍的治療空間也更容易接近和預測。這種差異與部分等中心旋轉的“開放式”機架相比更小。除此之外，束流噴嘴可以進一步的縮回，這樣就能夠為實施新技術提供所需的空間，如等中心軸向CT和質子成像。其次，固定束治療系統可能要便宜得多，這減少了項目總的成本和購買難度。
在固定的X射線束中精確的旋轉患者，用固定的X射線探測器測量透射X射線，可以很容易地獲得患者的錐形束CT(CBCT)圖像。質子射線成像(P-Rad)與質子計算機斷層掃描(PCT)的成像方式類似，只要質子束能量足夠使質子穿過特定的解剖區域。立式治療只需要固定的束流線，這允許技術上將掃描磁鐵進一步移動至遠離等中心位置。由于需要的掃描功率更低，這種設置反過來又能夠達到更快的束流掃描速度。快速掃描對于器官運動、FLASH治療以及PAT來說是十分重要的。將掃描磁體從等中心移至更遠位置的其他好處是能夠擁有更大的源到軸的距離(SAD)，這使得掃描束流有更大的治療射野范圍。如果一個固定束治療噴嘴配有一個可折疊的真空段或一個氦袋，可以得到更小的束斑尺寸。這還將允許束斑尺寸有更大的可調節性，因為這樣不需要考慮不同的機架角度下束流光學調制的變化程度，這種變化會限制最終束斑的大小調節范圍。由于引力對微調組件的影響將是恒定的，因此實現快速微調孔徑也會容易得多。
立式治療在降低質子治療系統的成本方面的好處似乎是不言而喻的。固定束流線是由很少且大部分是靜態的組件組成的，因此建造成本更低，維護也更容易。安裝和調試固定束流系統也將更加快速，這將顯著的節省項目成本。對于固定束治療室來說，其屏蔽體積更小，由于其主束只射向一個方向，屏蔽墻體整體的厚度會大幅降低。因此治療室的布局可以做到更加優化，建造成本也將大幅減少。后者還可以改進工作的流程和治療效率。立式治療對許多患者的潛在益處可能會超過對它的傳統臨床擔憂。
討論與結論：生物學和機械學間的聯系
盡管質子的應用已經超過50年，這仍然是一個高度發展的放療分支。它與光子和離子束的發展是協同的。在該領域，多學科和多中心方法的聯合應用是十分必要的，正如在腫瘤治療領域，需要聯合所有可能的解決辦法。
本項研究回顧了可以減少質子治療不足之處的方法。雖然這些方法之間看起來是沒有聯系的(生物和機械)，但正如圖2所展示的，可以發現它們之間存在的一些協同或不兼容之處。
在特定的束流參數(最小劑量、最大時間)和氧合條件下，FLASH可以減少對正常組織的損傷。不同的研究表明，以目前的設備很難達到FLASH的技術條件以及照射更大的體積。在短期和中期，我們可以預見，如果腫瘤細胞和健康細胞之間的FLASH差異效應不僅與氧有關，而且與細胞因子有關，那么FLASH將適用于治療接近或嵌入靶體積的較小體積。雖然這種情況在放療中是常見的，但也應該研究具體情況。其中的一個應用例子是使用FLASH在重要器官或靠近重要器官的地方，或在血管區域，重新給到累積劑量為110~140Gy的照射，這種情況下發生壞死或血管損傷的風險很高，而且組織之間的氧合水平非常不同。
微型束可以與FLASH技術進行協同作用，可以避免運動的影響，優化穿過正常組織的路徑，還可以作用到微小靶區以區分腫瘤和正常細胞或特定器官(比如海馬)的放療獲益。
相反地，質子弧形治療原理上與微型束并不能夠簡單的兼容在一起，而且如果大體積受到小劑量的再次照射還可能影響免疫系統對放射治療的響應機制。
如果將來能夠成功使用上述任意一項方法來減少至少一項或其中一些質子治療在當今所面臨的問題(比如成本、復雜性、停機率、不確定性和適應證等)，未來，將更容易找到可以提供質子治療的中心，質子治療作為癌癥治療的一個放療選擇，將作為多學科聯合治療的方式之一服務更多的人群。(質子中國 編輯報道)
參考文獻：Mazal A, Vera Sanchez JA, Sanchez-Parcerisa D, et al. Biological and Mechanical Synergies to Deal With Proton Therapy Pitfalls: Minibeams, FLASH, Arcs, and Gantryless Rooms. Front Oncol. 2021;10:613669. Published 2021 Jan 21. doi:10.3389/fonc.2020.613669.
