基于3D打印技术的个体化口腔放疗支架的设计

【作 者】丁继平，涂文勇，胡海生，石慧烽，孔月虹

1 上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海市，201999 2 苏州大学附属第二医院，苏州市，215004

基于3D打印技术的个体化口腔放疗支架的设计

【作 者】丁继平1，涂文勇1，胡海生1，石慧烽1，孔月虹2

1 上海交通大学医学院附属第九人民医院，上海市，201999 2 苏州大学附属第二医院，苏州市，215004

该文介绍基于3D打印技术对口腔放疗支架进行个体化设计，并阐述其设计原理。该装置基于CT图像和Mimics软件辅助建模，构建了一套3D打印口腔支架的技术方法。该装置的优点在于模型精度高，建模速度快，个体化制作，数字化存储，结果表明3D打印口腔放疗支架具备可行性，为口腔支架的制作提供一种新的思路与方法。

3D打印；口腔支架；放疗

3D打印技术的个性化、精准化、远程化等优点，特别适合于医学领域的应用，在医学上的最直接应用就是打印出各式各样的器官或组织的3D模型[1]。伴随图像技术的发展，重建数字化模型的精度大幅提高，促成更多学术中心开展3D实体模型构建的临床应用研究。3D打印技术的成熟，个体化设计及制造的生产效率有了显著提高，从而弥补传统个体化治疗效率上的不足，将个体化从概念落地为治疗理念[2]。

口腔支架的研制主要与材料、制作工艺相关。早在1965年口腔支架就被应用于放射治疗领域[3]。球形水囊、一次性注射器、暖水瓶的木塞等[4-6]制作简易口腔支架，由于位置重复性差、佩戴不舒适、压舌效果不肯定、不能个体化等缺点，未能在临床上得到广泛推广应用。Qin等[7]经过反复多步骤阴阳模的转换，用甲基丙烯酸甲酯树脂制作个体化口腔支架，制作过程较繁琐。上海九院[8]曾用印模膏制作个体化口模，位置重复性、塑形性尚可，存在易摔碎、密度高、增加电子散射和放射伪影等缺点；热塑膜密度低，对射线影响小，但塑形性差，制作过程相对较复杂，均有待进一步改进。

针对上述问题，课题组通过实践探索，自主研发了一套基于CT图像应用Mimics软件进行快速建模设计、采用3D打印新技术制作个体化口腔放疗支架的技术方法。本文就口腔放疗支架的设计思路及构造、制作步骤及初步应用体会作简要介绍。

1 设计思路及构造

距离防护是辐射防护的有效方法之一。口腔支架可以用来实现这一目的。根据增加空间距离方向的不同，可以将口腔支架分类设计成两种类型：上下分隔型和左右分隔型。上下分隔型口腔支架增加垂直方向的空间距离，适用于舌癌、口底癌、上牙龈癌、硬软腭癌等恶性肿瘤的放疗；左右分隔型口腔支架适用于单侧肿瘤如颊癌、牙龈癌，尽量将舌向对侧推移。下文将主要结合上下分隔型口腔放疗支架对各部分进行详细阐述，示意图如图1所示[9]。

支架本体是一空心壳体。一般来说，支架本体的壳体厚度为（0.2～1）cm。口腔肿瘤侵及黏膜面时，壳体厚度应增加至（0.5～1）cm，使之起到组织等效填充物作用，从而提高表面剂量。该支架壳体选择的是聚乳酸材料，密度均匀，CT值与软组织相近，能与黏膜面紧密贴合，满足作为组织等效填充物的要求。支架本体前部作为固定部分，上下表面壳体上分别设有上牙列压迹槽和下牙列压迹槽，上、下牙列压迹槽均较深，避免该口腔支架佩戴至患者口腔后发生移动，保证在放射治疗过程中该口腔支架良好的位置重复性。支架本体后部作为支撑压舌部分，其上下表面分别为腭面和舌面。该部分一方面分离上下颌骨起支撑作用，使危及器官处于高剂量区外，减少受照剂量；另一方面将舌固定于口腔底部，保证在放射治疗过程中舌的良好位置重复性。支架舌面一般向后延伸至第3磨牙，过短压舌效果不确定，过长刺激口咽部引起咽后壁反射。同时，支架舌面须与舌紧密接触，注意给舌预留一定空间，避免压舌过紧不适，也不会引起舌后坠造成病人窒息。固定部分和支撑压舌部分两者之间以透气通道贯通。带有透气通道的口腔支架有利于保持病患佩戴该口腔支架行放射治疗时的气道通畅，该优势对口腔肿瘤的放疗极其重要，可有效防止呼吸窘迫、窒息等意外的发生，因其放疗过程中咽喉水肿气道变窄的情况时有发生。透气孔的周边有3个标记孔。MV级X线以康普顿散射为主，骨与软组织图像分辨率低，电子射野影像显示模糊，置放显影清晰的三个非共面金属标记，可以提高射野图像与参考图象配准的速度与精度，有利于头颈部的图像引导放疗。

2 制作步骤

第一步：取红色印模膏两块置于70 ℃热水中，软化后取出，小心放入病患口中，嘱其慢慢咬合塑形，2 min后取出，放置冷水中冷却定形。

第二步：将其行CT断层扫描。扫描条件：120 kV，层厚0.625 mm，层距0.625 mm，图像以Dicom3.0标准直接存储，从而完成数据采集。扫描层厚仅为0.625 mm，空间分辨率高，重建的图像逼真清晰，以Dicom格式存储的原始图像能直接被Mimics软件读取，在预处理时无需进行任何形式图像转换，减少人为因素，从而保证模型精度高。

图1 口腔放疗支架Fig.1 Oral stent used in radiotherapy

第三步：将CT图像导入Mimics 10.01软件，为使细节尽可能被提取，多次尝试界定阈值建立蒙罩（mask)，经除噪处理去除冗余数据后，再经calculate 3D from mask建立三维模型。Mimics软件能自动识别读取Dicom格式的CT原始图像，运行一次程序能在很短的时间内读取图片，使原始CT图像资料的转换非常迅速。

第四步：在MEDCAD模块中于口腔支架中央设计圆柱形孔道，有助于气道通畅；于前端三个位置勾画不同深度的标记孔，经罩编辑与罩布尔运算后在3D视图中显示，符合要求后保存为Binary STL格式，因为设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。数字化存储格式，克服了以往口腔支架遗失或碎裂后难以重复的缺点。

第五步：将该文件导入3D打印机Makerbot Replicator 2（MakerBot公司，美国），根据临床需要确定打印参数，包括支撑、底座、壁厚层数、内部填充等，然后打印出个体化三维模型，最后在标记孔内置入合适的金属标记封存好。实体模型如图2所示。

图2 实体模型的构建Fig.2 Construction of solid model

3 临床应用及结论

我们应用该支架给20例舌癌术后放疗患者（如图3所示）在佩戴和不佩戴3D打印口腔支架两种方式下分别行CT定位扫描，经同一医生勾画靶区和正常组织，然后传至计划系统Pinnacle 9.0制定两组计划进行比较。结果显示，两组计划在执行效率方面差异无统计学意义，靶区在适形指数、均匀指数方面比较亦无统计学意义。但是，佩戴组上唇、上颊、硬腭及软腭

图3 一例应用上下分隔型口腔支架舌癌患者Fig.3 A tongue cancer patient with the upper and lower bracket separated

的受照剂量均较对照组明显下降，有显著性统计学差异（P＜0.05），口腔黏膜炎的发生明显减少，具有一定的临床应用价值。

综上所述，本研究成功使用CT图像和Mimics软件辅助建模，通过3D打印新技术制作实体模型。该装置的优点在于模型精度高、建模速度快、个体化制作、数字化存储，为个体化口腔放疗支架的制作提供了一种高效、准确、简单的方法，有利于其产品化，从而推动临床应用推广。该技术已获得中华人民共和国国家知识产权局发明专利授权[9]。

[1] 周伟民, 闵国全, 李小丽. 3D打印医学[J]. 组织工程与重建外科杂志, 2014, 10(1): 1-3, 7.

[2] 王燎, 戴剋戎. 骨科个体化治疗与3D打印技术[J]. 医用生物力学,2014, 29(3): 193-199.

[3] Santiago A. An intraoral stent for the direction of radiation beam therapy[J]. J Prosthet Dent, 1965, 15(5): 938-944.

[4] Miyamoto R H, Fleming T J, Davis M G. Radiotherapeutic management of an orocutaneous defect with a balloon-retaining stent[J]. J Prosthet Dent, 1992, 68(1): 115-117.

[5] 赵建琴, 王淑云, 闫婧. 鼻咽癌放疗口含器的制作和使用[J]. 护理研究, 2007, 21(25): 2301.

[6] 邵明海, 王旭峰, 于长辉, 等. 头颈部肿瘤放疗中软木塞简易个体化口腔支架的位置重复性探讨[J]. 现代实用医学, 2012, 24(7):762-763.

[7] Qin W J, Luo W, Lin S R, et al. Sparing normal oral tissues with individual dental stent in radiotherapy for primary nasopharyngeal carcinoma patients[J]. Ai Zheng, 2007, 26(3): 285-289.

[8] 王中和, 涂文勇. 口腔颌面-头颈肿瘤放射治疗学[M]. 上海: 上海世界图书出版公司, 2013.

[9] 上海交通大学医学院附属第九人民医院. 口腔放疗用上下分隔型支架及其制作方法: 中国, CN201410312900.X[P]. 2014-9-17.

Design of Individualized Oral Radiotherapy Stent Based on 3D Printing Technique

【 Writers 】DING Jiping1, TU Wenyong1, HU Haisheng1, SHI Huifeng1, KONG Yuehong2
1 Shanghai the Ninth People's Hospital Aff i liated to Shanghai JiaoTong University School of Medicine, Shanghai, 201999 2 The Second Aff i liated Hospital of Soochow University, Suzhou, 215004

This paper introduces the individual design of oral radiotherapy stent based on 3D printing technology, and expounds its design principle. The modeling of the device is based on CT images and Mimics software, which builds a set of 3D printing oral stent technology. The instrument has more advantage in high precision, fast modeling, individualized production and digital storage. The results show that the construction of 3D printed dental stent is feasible, which provides a new idea and method for the production of oral stents.

3D printing, oral stent, radiotherapy

R319

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.018

1671-7104(2017)06-0458-02

2017-03-20

上海市科委医学引导类项目（14411967900）

丁继平，E-mail: dingjiping2013@163.com

涂文勇，E-mail: tu4you@163.com