3D打印技术在儿童放射治疗定位头枕设计中的应用

邓官华，罗龙辉，吴伟，张平，戴鹏，罗日顺，黄庆，蔡林波

广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心，广东广州510510

前言

调强放射治疗（Intensity-Modulated Radiotherapy,IMRT）具有在保证或者提高肿瘤放射剂量的同时，最大限度地减少靶区周围正常组织受照射剂量的特点，现已成为头部肿瘤治疗的主要手段［1-3］。精准的头部固定则是IMRT实现精准定位、精准计划及精准治疗的前提［4］。目前，博医来无框架系统的常规定位是以碳素平板和标准头枕组合为底座，结合热塑膜联合固定。然而，在博医来无框架系统常规固定技术中，采用的头枕为标准成年头枕，枕头的大小及高度无法与儿童患者头颅匹配，在治疗过程中，儿童患者会因头枕不适而躁动，从而引起靶区位置的变化。这种靶区位置的变化将导致部分靶区不能得到稳定的照射剂量，降低肿瘤局部控制率，影响疗效［5-6］。3D打印技术是以计算机生成的3D数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，以逐层打印的形式生产3D实体模型的增量制造技术，是近年来放射治疗领域备受瞩目的研究热点之一［7-10］。针对目前博医来无框架系统还没有一款专门为儿童放疗定制的头枕，本研究以3至7岁中国儿童头颅的大小为基础［11-12］，利用3D打印技术，设计出一款既能确保肿瘤放疗剂量准确性，还能提高儿童舒适性的放疗头枕。

1 研究对象

选取2016年8月～2017年11月广东三九脑科医院肿瘤综合治疗中心收治的30例3至7岁儿童头部肿瘤患者作为研究对象，按照随机数字表法将其分为研究组和对照组，每组各15例。其中研究组男性6例，女性9例，平均年龄（5.80±0.77）岁；对照组男性7例，女性8例，平均年龄（5.20±1.50）岁。两组的一般情况差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

2 方法

2.1 3D建模

本研究将以祁吉等［12］提供的3至7岁中国儿童头颅大小的数据为基础，并与博医来标准头枕模型相结合，通过Mimics 17.0版软件（Materialise，比利时）设计出一款在确保肿瘤放疗剂量准确性的同时，还能提高儿童舒适性的放疗头枕，如图1所示。

2.2 3D打印

图1 儿童放疗头枕3D模型示意图Fig.1 Schematic of 3D printed headrest for pediatric patients

如图2所示，基于粘结式3D打印技术设计儿童放疗头枕的主要步骤包括［9,13-15］：（1）通过 Mimics 软件建立儿童放疗头枕的3D模型，输出打印所需的STL（Standard Template Library）文件，并对STL文件进行错误检查和修正。（2）利用Cura 15.0版软件（Ultimaker,美国）对儿童放疗头枕的3D模型进行切片离散、扫描路径规划以及生成相应的G代码文件，同时设定打印参数，其中，打印层厚=0.06 mm，壳厚=1 mm，底层/顶层层厚=1.5 mm，填充度=15%，打印速度=50 mm/s，打印温度=210°C，打印喷嘴大小=0.4 mm。（3）3D打印机（PMT,中国）接收到G代码文件后，采集1.75 mm的PLA材料开始打印放疗头枕。3D打印机工作前需先将打印喷嘴及基板分别预热到210°C和55°C，以便PLA材料更好的粘合，提高3D打印质量。（4）3D打印完毕后去除多余支撑物料，并对3D打印放疗头枕进行抛光打磨处理，以满足临床使用要求。

图2 3D打印流程图Fig.2 Flow diagram of 3D printing

2.3 头枕应用

研究组采用3D打印放疗头枕加热塑膜联合固定的方式来固定儿童患者体位，对照组则采用标准头枕加热塑膜联合固定的方式来固定儿童患者体位。记录并分析研究组与对照组儿童患者放疗过程中LAT（左右，X轴）、LNG（头脚，Y轴）、VRT（背腹，Z轴）及3D矢量方向的位移误差Vector［16］：

其中，LAT、LNG、VRT分别为X、Y、Z方向位移误差。

2.4 统计学分析

采用SPSS 21.0对数据进行统计学处理，计量资料采用均数±标准差表示，采用Mann-WhitneyU检验，P＜0.05为差异具有统计学意义。

3 结果

图3a为3D打印放疗头枕实物，图3b为儿童头部放疗配合3D打印放疗头枕的CT矢状面图，从图3b中可以看出本研究研制的3D打印放疗头枕与儿童患儿头颅相吻合。此外，在单次照射透射率测试中，3D打印放疗头枕的单次照射透射率为98.90%，略优于博医来标准头枕的98.50%。

图3 3D打印放疗头枕在儿童放疗定位中的应用Fig.3 Application of 3D printed headrest for pediatric patients in radiotherapy

图4显示为研究组与对照组在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向的位移误差箱线图。研究组在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向的位移误差分别为（0.10±0.07）、（0.04±0.06）、（0.04±0.05）和（0.15±0.04）cm；对照组在LAT、LNG、VRT及3D矢量方向位移误差分别为（0.10±0.08）、（0.10±0.10）、（0.15±0.05）和（0.23±0.10）cm。在VRT方向及3D矢量方向上，研究组与对照组间的位移误差差异具有统计学意义（VRT方向：P＜0.001；3D矢量方向：P=0.023），而在LAT方向及LNG方向，研究组与对照组间的位移误差差异无统计学意义（LAT方向：P=0.950；LNG方向：P=0.137）。

4 讨论

IMRT的高适形度剂量分布使其成为头部肿瘤主要治疗手段［1-3］。精确的定位和摆位是确保IMRT疗效的关键。针对目前博医来无框架系统还没有一款专门为儿童放疗定制的头枕，本研究以3至7岁中国儿童头颅的大小为基础［11-12］，并与博医来标准头枕模型相结合，利用3D打印技术，研制出一款适用于3至7岁儿童的放疗头枕。如图3b所示，3D打印放疗头枕与儿童患儿头颅大小相吻合，且本研究制作的3D打印放疗头枕有着更高的单次透射率（98.90%vs98.50%），可提高X射线的有效利用率。同时统计学分析表明，研究组与对照组在VRT方向及3D矢量方向的位移误差具有统计学意义（P＜0.05），然而在LAT方向及LNG方向的位移误差无统计学意义（P＞0.05），如图4所示。人体头部的固定效果主要由两方面决定［17］：（1）人体头部前方固定，即对人脸轮廓进行固定限制；（2）后脑勺位置固定，通过下方枕头或固定垫进行限制。LNG方向及LAT方向的位移主要受面罩的限制较多，因而研究组与对照组的数据接近，无统计学意义（P＞0.05）；在VRT方向，由于标准枕的底部并没有一个吻合头部形状的固定，而3D打印放疗头枕可以适形头部后方的固定，有效限制由于头部与枕头之间不匹配产生的间隙导致的儿童患者在VRT方向上移动的影响，进而使得研究组在VRT及3D矢量方向上的位移误差优于对照组。陈心得等［6］利用发泡胶制作成泡沫头枕用于肿瘤的放射治疗，不仅使得靶区照射更为准确，而且提高了患者放疗过程中的舒适性，但是泡沫头枕的制作及摆位过程较为复杂，临床上难以推广。

放射治疗摆位技术越舒适，患者摆位的重复性越好，摆位精度越高［18-20］。本研究研制的3D打印放疗头枕与儿童患者头部位高度吻合，儿童患者也反映在放疗过程中会感觉更舒适。然而目前，本研究仍存在一些不足之处：（1）未能实现个性化3D打印放疗头枕，本研究研制的3D打印放疗头枕的尺寸是基于3至7岁中国儿童头颅大小而设计，对于7至14岁的儿童，其头颅大小将无法与本研究提出的3D打印放疗头枕适配；（2）儿童放疗头枕打印时间较长、打印料价格较为昂贵［13］，距离个性化3D打印放疗头枕临床应用还存在一定距离，有待于未来3D打印技术的进一步成熟，实现个性化3D打印放疗头枕。

图4 研究组与对照组位移误差箱线图Fig.4 Boxplots of setup errors in research group and control group

5 结论

本研究以3至7岁中国儿童头颅的大小为基础，并与博医来标准头枕模型相结合，利用3D打印技术，设计出一款适用于3至7岁儿童的放疗头枕。实验结果表明，本研究提出的3D打印放疗头枕能够有效改善VRT及3D矢量方向的位移误差，同时提高儿童放疗的舒适性。