日前，麻省总医院(MGH)的研究人员使用带有机器人定位和固定装置的笔形束扫描(PBS)进行了无旋转机架质子治疗相关研究。他们对头颈部肿瘤或脑肿瘤患者进行了无机架PBS质子治疗的概念验证，原文发表于Medical Physics。
研究背景
传统机架系统和无机架系统(如果无法进行患者旋转)之间的主要几何差别是机架支持从共面和非共面两个方向进行束流递送。研究人员确定了可能减少对机架需求的三个因素：具有小束斑尺寸的先进的PBS技术，可以在每个束斑位置进行剂量调制;高度集成和自动化的图像引导系统;机器人患者定位。
评估了在MGH的Francis H. Burr质子治疗中心接受机架治疗的4,332例癌症患者的质子治疗计划后，该研究团队确定大多数患者可以在无机架的情况下接受治疗。
无机架质子治疗方法的前提是，患者相对于固定的质子束移动，而非移动束流。为实现这一目标，研究人员开发了一种机器人患者定位椅原型，并结合了符合患者身体的软性固定装置。他们设想定位椅在水平束流的同步加速器中心，位于7×7米的治疗室中。当患者直立坐时，旋转座椅递送共面光束，并使用光学运动跟踪系统来监测患者的位置。
图. 紧凑型治疗室——无机架质子治疗系统模型，中心有一个患者定位椅和成像系统
研究方法及结果
研究人员为7例头颈部或脑部肿瘤患者制定了PBS治疗计划，包括简单到复杂的计划。他们评估了使用仅具有共面束流的新治疗几何计划是否可以实现与基于机架系统递送的计划相同的剂量学目标。他们为每例患者制定了两个计划：(1)一个基于机架的传统计划，包含非共面束流，患者仰卧;(2)由固定水平束流提供的无机架计划，患者直立。
使用内部开发的ASTROID软件，研究人员优化PBS计划以递送基于完整处方作为复合束流的均匀剂量。对于每个计划，他们计算了剂量-体积直方图、靶区同质性指数(HI)、靶区和危及器官(OAR)的平均剂量、D2(接近最大剂量)和D98(接近最小剂量)。
所有机架和无机架治疗计划都可向靶区提供了所需的辐射剂量，并对健康组织的剂量保持在规定的限度以下。尽管一些基于机架的计划表现出稍好的靶区覆盖率和更好的健康器官保护，大多数无机架计划具有与基于机架的计划相似的靶区HI和平均OAR剂量。对一例患者计划进行鲁棒性分析，显示两种计划类型在射程不确定性和摆位误差方面同样鲁棒。
研究结论
研究人员得出结论，当使用PBS技术时，即使无非共面束流，也可为脑部和头颈部患者获得高质量的质子治疗计划。研究人员建议，如果可以使用适当的定位和固定，许多质子治疗可使用无机架系统进行。
研究团队目前正在研究质子计划的鲁棒性优化，以评估更广泛的癌症患者。研究团队设想无机架系统可以治疗大多数实体瘤。除了头颈部肿瘤和脑肿瘤，团队已开发了一种用于乳腺癌患者的固定装置。其他可使用无机架治疗的疾病可能包括肝癌、肺癌和前列腺癌
