质子治疗相对于光子放疗既有优势也有缺陷。在质子治疗的临床实践中，其主要的局限如下：射程不确定性、横向半影、靶区外沉积高线性能量传递(LET)射线，入射前端表面剂量、射束路径上的剂量、临近靶区危及器官的剂量限值、器官运动以及治疗费用等。
西班牙基隆萨洛德质子中心(Centro de Protonterapia Quironsalud)的研究人员回顾和提出了一些生物学和机械学方面的解决建议，以期能够减轻质子治疗的缺陷，用特定的方法来分配剂量的空间分布(微型束，minibeams)和时间分布(FLASH效应)，降低系统复杂性(旋转治疗)和成本(无旋转机架方法)，使质子治疗更可以造福更多的癌症患者。原文发表在Frontiers in Oncology杂志。本期为大家带来研究人员对质子治疗的优势与缺陷的分析。
质子治疗的优势及缺陷
质子治疗作为一种适形放射治疗已经发展了几十年的时间，虽然当下质子治疗中心正成指数型增长，但接受质子治疗的放疗患者比例仍不足1%，甚至在高收入国家也达不到这个比例。相较于传统的光子放射治疗，质子治疗的主要优势有以下几点：
- 束流路径上不存在最大剂量;
- 束流路径上的横向半影较小;
- 用一个照射野可以在深度处的靶区形成均匀的剂量分布(或者可控的非均匀性剂量分布);
- 射程后端的剂量跌落梯度很高;
- 通过改变质子能量，质子的射程能够调节到任意深度;
- 在剂量跌落的后缘，没有物理剂量存在，也即质子停在了一定位置;
- 质子放射生物效应管控在临床上是低风险的。
同时，质子治疗也存在以下缺陷：
- 基于靶区距离皮肤表面的距离，靶区厚度或者治疗技术等的因素，质子在入射处的剂量相较于光子束来说较高(没有皮肤保护);
- 质子在靶区区域或射程终点区域的横向半影相较于中等能量(比如6 MV)应用于容积旋转调强放疗(VMAT)技术的光子来说更高;
- 质子治疗中存在射程较大的不确定性，这种不确定性来源于复杂介质成分的不均匀性，为得到鲁棒性计划而设置的大的边界或者靶区中更高的LET值;
- 在靶区附近的组织中存在中子剂量，甚至离靶区很远的地方也存在中子。虽然现在已经由被动散射束升级为了笔形扫描束，但跟低于10 MV的光子放疗比起来，质子治疗的中子影响还是要更为严重;
- 在一些植入材料，比如金属器物、假体等存在时剂量分布会更加复杂且不确定性更高;
- 质子治疗对于运动靶区的照射更加复杂，当使用笔形扫描技术时更加困难，即便是使用重复扫描以及器官运动管理的特殊方法亦如是(分次间效应、造成靶区外不期望出现的剂量等等);
- 资本和运营成本巨大，运行时间有限，当系统故障时很难找到替代方案。
在图1中显示的是单个质子射束相对于单个光子束在最终临床剂量分布方面的一些优势和缺陷。
图1. 治疗颅底肿瘤的束流：A. 单个质子束;B. 单个光子束;C. 单个质子束(红色区剂量更高)与单个光子束的剂量差异(蓝色区剂量更高);D. 弧形光子束组合照射;E. 质子束组合照射。
在当今临床实践中，有一些临床案例表明，用光子束可以更好地实现靶区和危及器官之间的剂量梯度。但是质子束的整体剂量分布总是更容易优化，因为它们的射程有限(没有后端出口剂量)，可以减少对大量健康组织的照射。
质子治疗所提供的优势大于其缺陷，目前为止，已有超过200,000例肿瘤患者接受了质子治疗，每年有超过20,000例新增患者接受质子治疗。对于儿童、眼部、颅底肿瘤以及再程放疗的患者来说，质子治疗是放射治疗手段中一种非常适用的治疗方法。质子治疗的其他临床适应证正在探索中，通过对肿瘤控制、并发症和生活质量的研究，来量化使用质子治疗的真正临床优势和相关成本。像“基于模型的方法”这样的概念已经被用于评估个别案例，基于人群研究的生活质量、成本效益等也已开始应用。详情请见质子中国往期报道《2020最新全球患者数据出炉，近26万患者接受离子治疗》、《第58届PTCOG年会临床场辩论：基于模型的患者选择是否适用于不同国家?》。
光子放疗的应用也在不断发展，越来越多的研究人员在光子放疗领域积极开拓，创新的步伐也越来越快。放射治疗中任何一种形式(光子、电子、中子、质子、重粒子……)的发展都可以是协同的，而不是对立的。诸如在线磁共振成像的使用、自适应治疗以及与免疫学方法的结合等创新都是协同发展取得重大进步的实例。
研究人员结合现有研究，通过单一或联合的方式将解决方法进行组合：(a)束流时间效应的生物学方法(100 Gy/s量级的超高剂量率“FLASH”照射);(b)空间剂量调制(毫米范围内微型束的空间组合);(c)机械改进方法，比如质子弧形旋转治疗方式;以及减少费用的方法，比如(d)无旋转机架的治疗系统。在某些情况下，这些新方法之间的作用是协同的，如FLASH和微型束;而在其他情况下却很难实现兼容，如微型束和弧形治疗。 在先期发展的治疗中心，固定束流线已经被应用于特定的治疗方向(眼睛治疗、放射外科手术等)，它们正逐渐升级为等中心旋转机架治疗。这里再提到应用固定束流线会有些争议存在。旋转治疗技术、微型束和FLASH在质子治疗领域正在逐步发展过程中，这些方法增加了治疗上的复杂性，但仍在基础科学领域以及临床领域有着很高的关注度。所有上述技术方法必须在临床应用中加以验证。
接下来，我们还会为带来解决质子治疗缺陷的生物学和机械学方面的具体建议与方法，包括微型束、FLASH效应、弧形治疗、无旋转机架治疗等，敬请期待。
