综述：质子治疗中直立位固定：系统评述与单中心经验

《International Journal of Radiation Oncology*Biology*Physics》：Upright Immobilization for Proton Therapy: A Critical Review and Single-Institution Experience

　　

## 摘要

直立定位配合无旋转机架质子治疗系统设计，可能在降低设施占地和成本的同时引入特定的技术要求，包括可重复定位、固定、容积式图像引导、运动管理及治疗递送。历史上，直立放射治疗仅限于专科应用和机构专用系统，而近年来六自由度定位技术和直立容积成像的进步已使更广泛的图像引导临床流程成为可能。已发表的临床证据在头颈部应用中最为成熟，其中热塑性固定、定制化患者支撑及图像引导校正已证明具有临床可接受的定位可重复性。胸部、乳腺、腹部和盆腔应用的证据仍然有限，主要来源于小样本患者队列、健康志愿者研究和早期可行性调查。各中心反复出现的一个实际问题是与疲劳、姿势松弛或设备依从性相关的垂直位置变化，这进一步强调了需要可靠的固定设计和一致的直立容积成像。当前证据支持直立质子治疗的技术可行性，但尚不足以定义跨病种的标准化工作流程。需要进一步开展前瞻性和多机构研究，以确立各部位的定位容差、验证运动管理策略，并定义标准化的质量保证和临床工作流程。

## 引言

尽管持续取得进展并已在部分临床适应证中证明具有剂量学优势，但由于传统质子治疗设施的高成本和大型物理占地面积，质子治疗的获取仍然受限。因此，无旋转机架质子治疗作为一种替代方案引起了越来越多的关注，在该方案中，固定束流线与传统的治疗机架相结合，患者定位系统则负责旋转，从而可能减少设施占地面积和基础设施需求，并相应地降低整体设施成本。利用六自由度（6DoF）患者定位设备进行直立治疗，提供三个平移调节（左右、前后、上下）和三个旋转调节（翻滚、俯仰和偏航），可能有助于在部分临床环境中实施；然而，设施设计、屏蔽、成像和工作流程要求仍然是重要的场所特异性考量因素。在本综述中，"患者定位系统"指的是包含机械定位装置、控制单元及相关接口的完整集成平台，而"患者定位器"或"直立椅"则特指机械患者支撑部件。在这些系统中，患者可以在坐姿或其他直立体位下进行模拟定位和治疗，而非传统的仰卧或俯卧体位，从而对患者支撑、固定、定位可重复性和图像引导提出了新的要求。通过减少部分基础设施相关的障碍，无旋转机架方案也有助于更广泛地获取质子治疗，包括在质子治疗资源仍然有限的地区。

Volz等人（2024）的前述综述提供了关于直立放射治疗潜在优势和关键挑战的有价值的概述。随着越来越多的质子直立治疗中心迈向临床实施，需要进一步关注建立实用且可重复的患者定位和固定策略。

本综述旨在批判性总结直立质子治疗中患者支撑、固定和六自由度定位的最新进展。我们重点关注直立定位系统的设计与临床应用、定位可重复性、各部位特异性固定策略，以及与维持稳定和可重复患者定位相关的实际挑战。我们还指出了当前的局限性和证据缺口，并纳入了我们机构在直立质子治疗实施过程中的相关观察。

本文是一篇关于直立质子治疗中患者支撑、固定和六自由度定位的批判性综述，重点讨论定位可重复性、部位特异性定位策略、患者稳定性与舒适度，以及实际实施中的挑战。仅在直接关系到患者定位和固定的情况下讨论成像和定位验证。通过对文献进行有针对性的检索和参考文献审查来识别同行评审研究。由于现有证据有限且异质性大，综合分析为定性性质，并在相关情况下纳入临床研究、可行性研究和健康志愿者研究。我们机构的实际观察作为临床背景予以纳入。本综述未采用系统化方法，未进行前瞻性注册，未使用正式的PRISMA工作流程、偏倚风险评估或荟萃分析。

直立成像和治疗可追溯至20世纪50年代外照射治疗早期。早期的治疗椅为背部、手臂、足部和头部提供相对简单的支撑，后来被改良用于直立定位可改善患者稳定性或便于获得固定束几何条件的特定临床应用中。这些椅子的专业化设计发展需考虑不同治疗部位所需的不同固定方法。最初，主要关注治疗头颈部（H&N）肿瘤、纵隔霍奇金病和胸部肿瘤患者，因为H&N治疗的患者稳定性更容易实现，且坐姿下肺容积更大，从而减少了纵隔和胸部肿瘤的放疗相关毒性。

在粒子治疗中，固定水平质子束为直立定位提供了一个重要的早期应用，尤其是在束流照射角度或照射野尺寸要求难以由旋转机架满足的情况下。1979年，劳伦斯伯克利国家实验室的Bevalac放射治疗设施设计了一把椅子和一个平台，以实现在坐姿和站姿下相对于固定束轴的基于激光定位的直立放射治疗。美国国家癌症研究所随后于1991年引入了第一把旋转治疗椅，扩大了可实现束流照射角度的范围。美国和英国还开发了类似的机构专用系统。这些早期系统证明了直立治疗的技术可行性，但仍主要局限于机构专用，依赖定制化患者支撑和相对有限的图像引导能力。

直立粒子治疗最成熟的应用之一是眼球质子治疗，自20世纪70年代以来，多个中心使用固定质子束流线开展该治疗。这些系统通常将坐姿或半直立患者定位器与定制化的头部固定、正交放射成像以及对眼睛位置的直接或光学监测相结合。其长期临床使用表明，当固定、图像引导和运动监测针对治疗几何条件进行专门设计时，可以实现精确的直立治疗。然而，这些方法通常仍属于高度专科化范畴，难以直接推广至更广泛的病种。

总体而言，历史经验表明，直立放射治疗在数十年来已在技术上和临床上可行，尤其对于专科固定束应用。然而，这些实施方案通常针对特定病种开发，依赖定制化固定、有限或非容积式图像引导和机构专用工作流程，限制了其更广泛的采用。近年来，旋转患者定位、直立容积成像和集成图像引导方面的进展已使直立治疗从专科解决方案转变为一种具有潜在通用性的治疗平台。

近年来对直立放射治疗的兴趣重新高涨，是由技术发展推动的，这些技术发展解决了早期系统的若干局限性，尤其是缺乏容积成像和集成图像引导的问题。垂直CT系统的开发使得在坐姿或站姿下进行3D图像引导放射治疗（IGRT）更加可行，改善了模拟定位与治疗之间的几何一致性。治疗计划系统（TPS）正在整合支持6D椅设备、坐姿患者治疗定位以及椅子俯仰和翻滚功能的功能，为更高级的治疗计划提供了机会。这些进展使直立治疗工作流程能够更接近常规仰卧治疗中常规使用的成像、计划和定位能力。

当代直立平台通常结合三个功能组件：容积成像、旋转患者定位和图像或表面引导定位。已发表的系统包括与旋转直立定位器集成的垂直平移CT，以及结合kV成像和6DoF机器人定位的半直立CT配置。直立容积CT也已为诊断全身成像而开发。光学引导也已被用于定位复现和患者监测。类似地，P-Cure平台结合直立或半直立CT配置、kV放射成像和6DoF机器人患者定位器，可支持坐姿和传统治疗体位。直立容积CT也已在放射治疗专用平台之外得到开发。庆应大学Jinzaki等人与佳能医疗系统合作，开发了一种320探测器排直立CT，能够在站立和坐姿下进行全身成像。虽然该系统主要开发用于诊断成像而非放射治疗模拟定位，但其为直立位高分辨率容积成像的技术可行性提供了额外证据。

尽管这些系统代表了相较早期定制化治疗椅的重大进步，但其能力和临床整合程度仍然存在异质性。差异包括可用的成像方式、患者定位和旋转范围、运动管理能力、固定方法以及与治疗递送系统的集成程度。此外，目前发表的许多经验仍局限于技术表征、原型评估或早期机构实施。因此，仅基于机械规格的对比可能具有有限的临床价值；随着这些技术的成熟，对定位可重复性、图像质量、工作流程效率、治疗准确性和临床经验的评估将变得越来越重要。表1总结了已在报告中所述机构投入临床使用或计划安装的直立质子系统。

### 各解剖部位的定位与固定

在各解剖部位中，利用一个通用框架对可用证据进行了评估，该框架关注：（1）研究人群和设计，（2）患者支撑与固定，（3）成像和定位验证方法，（4）报告的定位、运动或剂量学结果，（5）研究局限性及潜在临床意义。由于各研究中坐标定义、成像技术、定位系统和结果指标差异较大，数值结果以描述性方式报告。

### 讨论：直立固定的挑战、证据缺口与未来方向

已有研究提供了各部位特异性直立固定的初步方法，如表3和图3所示。然而，这些方法应被视为新兴策略而非标准化方案，因为支持证据在研究人群、成像方法、定位系统和结果定义方面差异显著。表3总结了个别研究和机构经验中报告的实例；所列的定位角度和参数因研究而异。

### 结论

直立放射治疗可追溯至外照射早期，20世纪50年代已描述了基于椅子的定位方式，随后在少数可实现稳定性和可及性的临床场景中使用。更广泛的采用受到限制，因为大多数系统为机构专用，缺乏标准化固定和集成图像引导。

近年来，无旋转机架质子治疗设计以及直立定位和容积成像技术的进展重新激发人们对直立治疗的兴趣，为更广泛的临床应用提供了新的可能性。

**数据可用性声明** 不适用。

**资金支持** 无。

**利益冲突声明** 所有作者声明不存在利益冲突。

**作者信息** Shereen Aissi | Shannon O'Reilly | Colin Harari | Brett Morris | Jordan Slagowski | Michael Bassetti | Zachary Morris | Benjamin Durkee | Carri Glide-Hurst | Minglei Kang

美国威斯康星大学麦迪逊分校人类肿瘤学系