质子治疗系统小型化发展现状系列（二）：缩小旋转机架体积
上一期的质子中国介绍了小型化质子治疗设备蓬勃发展的行业背景，包括当前质子治疗技术现状和目前市场对于小型化质子治疗设备的需求情况（详情见《质子治疗系统小型化发展现状系列（一）：背景概述》），本期内容将围绕“缩小旋转机架体积”这一技术进展展开。
质子治疗设备体积的缩小主要集中在旋转机架和加速器的设计两个方面。对于单室质子治疗设备来说，要么缩小束流传输系统，要么将束流传输系统的一部分与旋转机架进行融合。由于被动散射未来会被笔形束扫描（pencil beam scanning，PBS）替代的趋势越来越明了，因此接下来的内容仅介绍缩小配置PBS的质子治疗系统的旋转机架的一些方法。
大多数旋转机架直径都很大，非常占空间。当前的旋转机架直径大概为5-6米。旋转机架直径过大主要是因为质子源（大概位于扫描磁铁附近）和患者之间要有一定距离；除此之外，剂量设备、照射野转换器和扫描磁铁（通常位于最后一个偏转磁铁的下游），都需要占用空间，这些设施让旋转机架的直径增加了1.5-2m。只有通过把扫描磁铁放置到偏转磁铁前面（如瑞士PSI、德国海德堡离子治疗中心和日本国立放射学研究所的质子治疗设备）或置入偏转磁铁内（如IBA的ProteusONE质子治疗设备）才能节省上述空间。如果采用这种方法，只需要在最后一个偏转磁铁和患者之间为剂量设备和照射野转换器预留出空间就可以了。对于这种“上游扫描（upstream scanning）”式旋转机架，偏转磁铁的质子束传输方式可以设计成为将束流经上游扫描磁铁的偏转通过扫描磁铁平行位移到等中心点位置上，这样旋转机架的直径只需要2-3.5米，从质子源到机架旋转中心轴的距离也足够满足需求。
另外一个缩小旋转机架体积的方法是设计出长度更短，但半径更大的旋转机架，这种旋转机架的加速器安置在旋转机架下方的加速器舱内。这种上下两层的设计能够减小设备的占地面面积，但是显然需要加高建筑的高度。还有一个思路是通过让加速器只能旋转180°的方法将设备的占地面积缩小大约100m2。然而，没有相应的技术做支撑，使用现有的技术很难按照上文说的设计方案真正实现缩小设备的体积。
除了要给治疗头组件预留空间，造成旋转机架直径过大的另外一个主要原因是偏转磁铁，束流的偏转直径（1.5m）、磁铁孔径（0.1-0.2m）以及磁铁的铁轭和线圈之间的空隙（0.2-0.3m）都对旋转机架的直径有影响。
缩小质子束偏转直径的唯一方法是增强主偏转磁铁的磁场强度。就当前的技术水平而言，使用常导磁铁（resistive magnet）技术的偏转磁铁磁场已经很接近最大值了；而使用超导磁铁能够获得更强的磁场，一些科研团队正在研发如何将超导磁铁用于质子治疗设备。
偏转磁铁所占用的最小空间取决于束流的无磁孔径、线圈的外形、热绝缘层、安装方式、冷却系统和铁轭。因此，即便能够将偏转磁铁的直径从1.5m缩到很小，比如0.3m，这些附属部分仍然需要占用大约1m左右的空间。在使用了超导磁铁以后，如果从“下游扫描”到“上游扫描”都有所改进，就能真正缩小质子治疗设备旋转机架的直径。但无论如何，使用超导磁铁确实可以减轻设备的重量，这有助于简化支撑机构的设计制造，从而降低旋转机架的价格。当前的一些研究结果表明超导磁体的高强度磁场还能够用于提高束流的传输，从而有助于能量更大的质子束的传输。然而，这些研究都还处于初期阶段，还不能应用于临床。
对于碳离子治疗来说，通常偏转磁铁的直径需要4m，因此超导磁体在缩小碳离子治疗旋转机架方面将更有作为。