MRI引导质子治疗-评估分次间解剖变化的优势
质子治疗对肿瘤和正常组织解剖变化比光子治疗更敏感。患者沿束流路径的解剖变化都可能导致质子范围的不确定性，从而导致肿瘤部位剂量不足或靶区远端关键结构剂量过量。这种敏感性是因为束流路径中的所有组织的水当量厚度和质子阻止能力导致。X射线成像很难区分大脑、中央肺和胃肠道肿瘤(胰腺、肝脏、食道)和一些正常器官(小肠和十二指肠)。增加MRI引导将为肿瘤解剖(包括肿瘤大小和水肿的分次间变化)和影响剂量测定的束流路径中的组织提供确定性，从而能够使用更严格的计划靶区体积(PTV)，能更准确描绘边界。
分次间解剖变化包括肿瘤运动、肿瘤靶区容积变化(由于肿瘤生长、消退或水肿导致的变化)以及正常器官位置的变化，所有这些都会影响束流路径内的组织密度，从而导致范围不确定性和肿瘤覆盖等问题。MRI比X射线成像更能检测到这些分次间变化。一篇评估MRI的儿童癌症研究主要探讨在质子治疗期间检测到的解剖学变化，发现27%的儿童患者的大体肿瘤体积或束流路径内的组织密度发生解剖学变化，其中超过一半导致计划质量显著下降。横纹肌肉瘤和低级别胶质瘤的解剖学变化率最高，分别为100%和24%。解剖变化与幕上或头颈部肿瘤位置以及同步化疗有关。解剖学变化包括肿瘤床内术后液体的变化，肿瘤从模拟到治疗开始的进展，以及放疗期间肿瘤缩小导致关键正常结构(如脑干)移动到高剂量容积中。
在治疗期间迅速缩小的癌症，如肺癌、头颈癌和宫颈癌，也将受益于每日MRI引导。CBCT显示，用放化疗治疗的非小细胞肺癌的肿瘤容积平均减少15个分次，在治疗结束时减少51%。头颈部鳞状细胞癌的肿瘤容积减少20个分次，肿瘤容积减少7%~48%，治疗结束时减少6%~66%。外照射放疗结束时，宫颈癌的肿瘤容积减少48%~95%。在宫颈癌患者中，尽管使用膀胱和肠道治疗方案来尽量减少日常差异，但仍会发生大量膀胱和直肠容积变化。鉴于心脏剂量及其与心脏病发病率和病死率的关联，现在公认肺部放疗毒性会影响心脏病的病发，使用质子治疗可能减少这种情况，特别是更现代的质子计划技术，例如调强质子治疗(IMPT)。在一篇非小细胞肺癌的非随机研究中，与被动散射质子治疗相比，IMPT患者的肺、食道和心脏剂量显著降低，心脏和肺毒性也显著降低。使用MRI引导可以克服质子治疗图像引导方面带来的挑战，从而实现局部控制和毒性方面的预期获益。
MRI引导质子治疗-评估分次内解剖变化(肿瘤运动)的优势
将质子束递送给运动的肿瘤比光子更具挑战性。理想情况下，运动中的肿瘤需要实时成像。肿瘤运动不仅会影响质子剂量分布的横向范围，形成边界，而且还会导致范围的不确定性。肿瘤位置深度的变化会改变束流路径上的组织密度，从而导致范围误差。肿瘤运动会导致大剂量波动(“相互作用”效应)，因为肿瘤可能会移出照射它的笔形束，或者在扫描期间留在笔形束内接收额外的剂量。PTV边界不能解释质子治疗中的这种不确定性。肺下叶肿瘤在颅尾方向的平均运动范围为12 mm，胰腺肿瘤在颅尾方向运动达20 mm，并且与膈膜或腹壁位置替代物的相关性较差。目前，质子治疗中的运动管理方法包括使用屏气或门控。通过使用外部替代跟踪(外部标记或表面成像)或内部跟踪(基准标记、呼吸时相或透视无标记跟踪)来执行。门控系统通过跟踪替代物来跟踪肿瘤运动，但误差来源于替代物与目标位置的匹配度。目前，X射线引导无法直接显示某些肿瘤(例如肝脏)，替代标记的使用与治疗的不确定性和错误有关，并且更宽的边界是必要的，特别是对于无法忍受屏气技术的患者。在肝肿瘤的呼吸触发脉冲质子治疗中，在四分之一的患者中观察到高达5 mm的分次内不确定性和治疗时基准位置与其计划位置的偏差大于5 mm。如果基准标记位于束流路径内，它们也会引起质子束衰退的问题。
MRI引导可以直接匹配肿瘤，无需不确定的替代物，并实时监测分次内肿瘤运动，确保准确靶向运动的肿瘤。可以获益于实时MRI引导质子治疗的肿瘤部位包括随着呼吸移动的肺、肝和胰腺肿瘤，以及随着膀胱充盈和直肠气体运动而移动的前列腺和子宫颈肿瘤。具有实时成像的MRI引导可以直接显示肺和肝肿瘤的运动，并提高剂量输送的准确性。如果肿瘤移动到束流之外，门控治疗传递可以直接关闭束流。MRI-Linac经验表明MRI引导(2D cine MRI)能够在没有基准标记的情况下实现直接靶向肿瘤。MRI引导可以将质子治疗的理论优势转化为临床结果的改善，包括更好的局部控制和降低毒性。一项针对肝脏肿瘤的建模研究发现，与CBCT引导的质子治疗相比，MRI引导质子治疗可以减少40%PTV，将正常组织发生并发症的概率降低48%，与MRI-Linac相比降低31%。
