Proton and Heavy Ion Therapy: An overview

 

Proton and Heavy Ion Therapy: An overview: January 2017

 

12 

 

Figure 3 

Diagram demonstrating a typical ion-beam facility with two fixed beam treatment rooms (#5), where the 

treatment beam enters the room and is targeted at a particular site and one treatment room within a gantry 

(#8)

26

 

The accelerated protons or carbon ions are then directed towards the treatment rooms, with 

magnets guiding and focusing the beam within high vacuum ‘beamline’ structures. In the 

treatment rooms (position 5, Figure 3), the proton or carbon ion beam enters via a window and is 

directed by computer-control to the required treatment site in the patient, who is positioned on a 

robotics-based treatment couch.  The patient’s position is controlled by a high precision image-

guidance system (position 6, Figure 3), using digital X-rays taken prior to irradiation, to match 

those taken at the treatment planning stage to accurately align and adjust the position of the 

patient. Different treatment protocols may require the use of a gantry (position 7, Figure 3), which 

rotates around the patient to deliver therapy beams toward the patient at the optimal 

combination of angles. The patient lies within the gantry (position 8, Figure 3).

26

 

As one example, Germany’s Heidelberg combined proton and carbon ion-beam facility took five 

years to construct at a total cost of €119 (AU$187 million). The facility is 5,027 m

2

 and three 

stories high (two of which are underground) to accommodate the size of the rotating gantry. The 

facility has three sections: above-ground glass structure with the staff offices; underground 

particle therapy area; and the copper block with the heavy ion rotating gantry, which weighs 670 

tons and is 13 meters in diameter that extends through all three stories. It is expected that in the 

long term this facility will treat up to approximately 10 per cent of cancer patients whose tumour 

growth cannot be readily controlled with conventional radiation therapy, that is, those patients 

with tumours that are located deep in the body; those with tumours that are resistant to 

conventional radiation; and those with tumours that are surrounded by radiation-sensitive healthy 

tissue, such as the optic nerve, brain stem, spinal cord or the intestines.

26

  

---

 

Proton and Heavy Ion Therapy: An overview: January 2017

 

13 

Since this facility started operating in November 2009, over 1,000 patients have received particle 

therapy in the two horizontal irradiation sites. Once the gantry, commissioned in late 2012, is 

running at full capacity, it is estimated 750 patients will be treated per year. The facility operates 

24-hours a day, with the particle beam used around the clock, either for therapeutic or for 

research purposes. It is used for patient radiation six days a week for an estimated 12 to 14 hours 

a day. The accelerators are also in use 24 hours a day and are operated in shifts. The entire facility 

consumes a maximum of three megawatts, equivalent to the energy required for a small town 

with a population of approximately 3,000 people.

26

  However, it should be noted that 

developments in technology over the relatively few years since this system was installed, 

particularly in gantry design and superconducting magnets, has significantly reduced the size and 

weight of gantries. Japan’s National Institute of Radiological Sciences (NIRS) Heavy Ion Medical 

Accelerator in Chiba (HIMAC) recently installed a smaller and lighter superconducting magnet 

gantry for carbon ions that weighs less than half the weight of the Heidelberg gantry. A second 

superconducting gantry is also currently planned for installation at Yamagata University. 

Additionally, there are particle therapy systems in development utilising alternative acceleration 

technologies. Laser-driven proton accelerators have been proposed which have potential to 

reduce equipment costs to a fraction of current accelerators;

27, 28

 however this approach is still 

theoretical with challenges in controlled beam production, efficient beam guidance, and radiation 

protection.

27, 29

  

Advanced Oncotherapy (London, United Kingdom) is developing a series of cavity LINAC modules, 

which are anticipated to be able to accelerate protons to therapeutic speeds. There are claims that 

this system, planned for commercialisation in 2017, will vastly reduce facility costs through savings 

in space, equipment, shielding, maintenance and operating costs.

30, 31

 However, at present, this 

technology is unproven.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 4 

Advanced Oncotherapy LINAC Image-Guided Hadron Technology (under development) 

32

 

 

 

---

 

Proton and Heavy Ion Therapy: An overview: January 2017

 

14 

Furthermore, Ion Beam Applications (IBA, Belgium) and the Joint Institute for Nuclear Research 

(JINR, Dubna, Russia) are developing a cyclotron with superconducting coils that can produce 400 

MeV energy, allowing for acceleration of both protons and carbon ions.

24

 

This hybrid system is yet 

to be demonstrated, however may offer a compact and cost-effective solution for particle therapy.  

 

Particle Therapy Facility Costs  

It is well recognised that high equipment and facility costs, with long construction times, are a 

major obstacle in the adoption of particle therapy.

1

  Although costs are decreasing with the 

introduction of newer compact designs, a particle therapy facility represents a significant 

investment, with costs directly relating to facility size. Publicly reported PBT facility costs range 

from approximately $34 million for a compact, single-room facility to approximately $260 million 

for a larger, e.g. five-room facility; and up to approximately AU$290 million for a heavy ion facility 

(see Appendix A and B).  

Although particle therapy installation costs are be considered high, it should be recognised that 

particle accelerators and treatment gantries have an intended lifespan of 30 years,

33, 34

 compared 

to 10 years for linear accelerators utilised in conventional radiotherapy.

35

 Therefore, direct 

comparison of initial construction costs may be misleading, as linear accelerators may require 

multiple replacements over the typical lifetime of a particle accelerator.   

Additionally, proton therapy facilities have high annual maintenance and service costs, which are 

reported as approximately one-tenth of the purchase price.

1

 

Further additional annual costs would 

include medical personnel and staff involved in service delivery, associated equipment (medical 

imaging and treatment planning facilities), administration and running costs (e.g. energy).  

If an Australian particle therapy facility were to be established, there will be a requirement for 

formal particle therapy training and credentialing for radiation oncologists, medical physicists and 

radiation therapists, which should be undertaken by relevant Australasian colleges (e.g. the Royal 

Australasian College of Radiologists; RANZCR).

13

  This training will likely involve the international 

exchange of personnel through fellowships, which will necessitate recognition of international 

credentialing for visiting experts to supply local training. 

It is also noted that where patients are required to travel to access such a facility, there will be 

travel and accommodation costs incurred.  

These high overheads result in particle therapy being more expensive than conventional 

radiotherapy treatments. When compared to conventional radiotherapy facilities, a PBT facility 

has a reported treatment fraction cost ratio of 3.2, and 4.8 for a combined proton/carbon ion 

facility.

36

  However, research is emerging that reports PBT may be more cost-effective than 

conventional radiotherapy when quality adjusted life years are taken into account in 

calculations.

34

  A recent systematic review concluded that PBT offers promising cost-effectiveness 

for paediatric brain tumours, well-selected breast cancers, advanced non-small cell lung cancer, 

and high-risk head/neck cancers. However, cost-effectiveness was not demonstrated for prostate 

cancer or early stage non-small cell lung cancer.

37

   

---